基于数值模拟和施工监测的山岭隧道合理施工进尺分析

田庆， 李官群

(1.保靖县农村交通建设技术咨询服务站， 湖南 保靖 416000；2.保靖县交通运输局， 湖南 保靖 416000)

随着隧道工程的大量建设，隧道施工安全问题日益突出。山岭隧道一般采用钻爆法，一次向前开挖多少米比较合适需要确定。如果一次向前开挖过短，虽然安全，但经济效益太低，对于整个工程的工期和效益不利；而一次开挖过长，又可能因为围岩自稳能力不足而引发安全事故，轻则带来经济损失，重则造成人员伤亡。因此，隧道施工进度的确定尤为重要。

1 工程概况

屋场坪隧道位于湖南G209、S318保靖龙溪至迁陵公路，起讫里程为K10+655—K11+473，全长818 m，属中隧道，设计标高为297.15～273.43 m。隧道全线位于直线段，路拱横坡为1.5%，隧道(进口至出口方向)纵断面均为-2.9%下坡。所在区域属于侵蚀剥蚀丘陵地貌，隧道穿越一个丘陵体，该丘陵体地面标高为296.23～494.21 m，相对高差197.98 m。隧道最大埋深约208.66 m。隧道建筑限界净宽为1.5 m(左侧人行道)+1.0 m(侧向宽度)+2×3.5 m(行车道)+1.0 m(侧向宽度)+1.5 m(右侧人行道)，净高为5 m。地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，相应于地质基本烈度小于Ⅵ度。

2 数值模拟

采用有限元软件MIDAS/GTS进行模拟分析。

2.1 模型边界确定

建模过程中，为保证不影响分析结果，又快速高效，对围岩长度、宽度进行有效选择。根据圣维南原理，开挖只在洞周围一定范围内引起应力重分布。实践和理论分析表明，应力重分布范围在洞室周围中心点3～5倍开挖宽度(或高度)内。屋场坪隧道宽度为12 m，模型中水平方向和底部边界距离隧道圆心60 m，隧道上方则按照实际地形设置到地表面。岩体水平方向的左右两边约束水平方向位移UX，岩体底下约束竖直方向位移UZ，开始开挖的面约束纵向位移UY及水平和竖直方向的转动RX、RZ，最后开挖结束面约束纵向位移UY。

2.2 材料物理参数确定

主要对该隧道K11+280—310段Ⅳ围岩进行建模分析。依据工程地质报告、设计资料及《公路隧道设计规范》选取围岩物理力学参数，结果见表1。

表1 围岩、支护结构的物理力学参数

围岩和红黏土的材料类型选择各向同性，模型类型选择摩尔-库伦，采用3D实体单元进行分析。喷射砼采用各向同性中的弹性结构，采用2D板单元模拟。锚杆的材料也选择各向同性中的弹性结构，采用1D的植入式桁架单元模拟。

2.3 隧道施工步骤假设

每次分别以开挖1.5、3、5 m为施工进度，一共分13个施工步骤。步骤1为初始应力状态模拟；步骤2为隧道第1段全断面开挖和锚杆施工；步骤3为隧道第1段初期支护喷射砼施工，开挖第2段和锚杆施工；步骤4～12为隧道第2～9段初期支护喷射砼施工，开挖第3～10段和锚杆施工；步骤13为隧道第10段初期支护喷射砼施工。

2.4 数值模拟结果分析

每次施工前进1.5 m，数值模拟分析最后施工阶段的竖向和水平位移，结果见图1；每次施工前进3 m，数值模拟分析最后施工阶段的竖向和水平位移，结果见图2；每次施工前进5 m，数值模拟分析最后施工阶段的竖向和水平位移，结果见图3。表2为隧道开挖进尺与隧道围岩变形之间的关系。

图2 每次施工前进3 m时最后施工阶段的竖向和水平位移(单位：m)

图3 每次施工前进5 m时最后施工阶段的竖向和水平位移(单位：m)

表2 隧道开挖进尺与隧道围岩变形统计

从图1～3和表2可以看出：单次向前开挖1.5 m与单次向前开挖3 m时位移变形差别不很大，表明一次只向前开挖1.5 m并没有充分发挥围岩的自稳能力，安全系数较高，但会严重影响施工进度；单次向前开挖5 m时，围岩变形量增大许多。综合来看，建议采用3 m进尺进行开挖。同时在施工中密切注意围岩的变化情况，防止某些特殊地段发生突变现象。

图1 每次施工前进1.5 m时最后施工阶段的竖向和水平位移(单位：m)

3 施工监测

只对建模分析段K11+283所测量的数据(见表3)进行统计分析。对表3中收敛值进行整理，绘制收敛-时间关系曲线(见图4、图5)。

图4 水平收敛-时间关系曲线

图5 竖向收敛-时间关系曲线

表3 K11+283周边位移现场测量数据

至本次测量为止的收敛总量，正号表示收敛值为正，

测边变短，负号表示收敛值为负，测边变长。

由表3、图4、图5可知：刚开始开挖时，围岩的水平收敛量和竖向收敛量大，处于变形阶段，施工方和监控测量方都要密切关注围岩的变化情况。开挖十几天后变形慢慢趋于平缓，日变形量越来越小。监控测量到24 d时，变形基本稳定，水平收敛速率为0.01 mm/d，远远小于0.2 mm/d，表明水平收敛已经稳定；竖向收敛为0.01 mm/d，远小于0.15 mm/d，表明竖向收敛已经稳定。从水平收敛和竖向收敛速率来看，24 d后围岩变形已稳定，可进行二次衬砌施工。

水平趋于收敛后变形实测值为2.66 mm，与数值模拟中单次向前开挖3 m时的变形计算结果2.82 mm接近；竖向最终收敛实测值为13.26 mm，与数值模拟中单次向前开挖3 m时的变形计算结果14.66 mm接近。隧道开挖的变形实测值基本与数值模拟结果相吻合，该隧道合理的施工进尺为单次向前开挖3 m。

4 结论

(1) 开挖进尺对围岩变形有一定影响，开挖进尺越大，围岩变形越大，但并非线性变化。

(2) 围岩具有一定的自稳能力，采用新奥法施工时，需尽量充分发挥围岩的自稳能力，在同样安全的前提下，尽量加大开挖进尺，以提高施工进度。该隧道合理的施工进尺为单次向前开挖3 m，既可满足安全需要，又符合经济需求，还能充分发挥围岩的自稳能力。