基于數值模擬和施工監測的山嶺隧道合理施工進尺分析

田慶， 李官群

(1.保靖縣農村交通建設技術咨詢服務站， 湖南 保靖 416000；2.保靖縣交通運輸局， 湖南 保靖 416000)

隨著隧道工程的大量建設，隧道施工安全問題日益突出。山嶺隧道一般采用鉆爆法，一次向前開挖多少米比較合適需要確定。如果一次向前開挖過短，雖然安全，但經濟效益太低，對于整個工程的工期和效益不利；而一次開挖過長，又可能因為圍巖自穩能力不足而引發安全事故，輕則帶來經濟損失，重則造成人員傷亡。因此，隧道施工進度的確定尤為重要。

1 工程概況

屋場坪隧道位于湖南G209、S318保靖龍溪至遷陵公路，起訖里程為K10+655—K11+473，全長818 m，屬中隧道，設計標高為297.15～273.43 m。隧道全線位于直線段，路拱橫坡為1.5%，隧道(進口至出口方向)縱斷面均為-2.9%下坡。所在區域屬于侵蝕剝蝕丘陵地貌，隧道穿越一個丘陵體，該丘陵體地面標高為296.23～494.21 m，相對高差197.98 m。隧道最大埋深約208.66 m。隧道建筑限界凈寬為1.5 m(左側人行道)+1.0 m(側向寬度)+2×3.5 m(行車道)+1.0 m(側向寬度)+1.5 m(右側人行道)，凈高為5 m。地震動峰值加速度小于0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應于地質基本烈度小于Ⅵ度。

2 數值模擬

采用有限元軟件MIDAS/GTS進行模擬分析。

2.1 模型邊界確定

建模過程中，為保證不影響分析結果，又快速高效，對圍巖長度、寬度進行有效選擇。根據圣維南原理，開挖只在洞周圍一定范圍內引起應力重分布。實踐和理論分析表明，應力重分布范圍在洞室周圍中心點3～5倍開挖寬度(或高度)內。屋場坪隧道寬度為12 m，模型中水平方向和底部邊界距離隧道圓心60 m，隧道上方則按照實際地形設置到地表面。巖體水平方向的左右兩邊約束水平方向位移UX，巖體底下約束豎直方向位移UZ，開始開挖的面約束縱向位移UY及水平和豎直方向的轉動RX、RZ，最后開挖結束面約束縱向位移UY。

2.2 材料物理參數確定

主要對該隧道K11+280—310段Ⅳ圍巖進行建模分析。依據工程地質報告、設計資料及《公路隧道設計規范》選取圍巖物理力學參數，結果見表1。

表1 圍巖、支護結構的物理力學參數

圍巖和紅黏土的材料類型選擇各向同性，模型類型選擇摩爾-庫倫，采用3D實體單元進行分析。噴射砼采用各向同性中的彈性結構，采用2D板單元模擬。錨桿的材料也選擇各向同性中的彈性結構，采用1D的植入式桁架單元模擬。

2.3 隧道施工步驟假設

每次分別以開挖1.5、3、5 m為施工進度，一共分13個施工步驟。步驟1為初始應力狀態模擬；步驟2為隧道第1段全斷面開挖和錨桿施工；步驟3為隧道第1段初期支護噴射砼施工，開挖第2段和錨桿施工；步驟4～12為隧道第2～9段初期支護噴射砼施工，開挖第3～10段和錨桿施工；步驟13為隧道第10段初期支護噴射砼施工。

2.4 數值模擬結果分析

每次施工前進1.5 m，數值模擬分析最后施工階段的豎向和水平位移，結果見圖1；每次施工前進3 m，數值模擬分析最后施工階段的豎向和水平位移，結果見圖2；每次施工前進5 m，數值模擬分析最后施工階段的豎向和水平位移，結果見圖3。表2為隧道開挖進尺與隧道圍巖變形之間的關系。

圖2 每次施工前進3 m時最后施工階段的豎向和水平位移(單位：m)

圖3 每次施工前進5 m時最后施工階段的豎向和水平位移(單位：m)

表2 隧道開挖進尺與隧道圍巖變形統計

從圖1～3和表2可以看出：單次向前開挖1.5 m與單次向前開挖3 m時位移變形差別不很大，表明一次只向前開挖1.5 m并沒有充分發揮圍巖的自穩能力，安全系數較高，但會嚴重影響施工進度；單次向前開挖5 m時，圍巖變形量增大許多。綜合來看，建議采用3 m進尺進行開挖。同時在施工中密切注意圍巖的變化情況，防止某些特殊地段發生突變現象。

圖1 每次施工前進1.5 m時最后施工階段的豎向和水平位移(單位：m)

3 施工監測

只對建模分析段K11+283所測量的數據(見表3)進行統計分析。對表3中收斂值進行整理，繪制收斂-時間關系曲線(見圖4、圖5)。

圖4 水平收斂-時間關系曲線

圖5 豎向收斂-時間關系曲線

表3 K11+283周邊位移現場測量數據

至本次測量為止的收斂總量，正號表示收斂值為正，

測邊變短，負號表示收斂值為負，測邊變長。

由表3、圖4、圖5可知：剛開始開挖時，圍巖的水平收斂量和豎向收斂量大，處于變形階段，施工方和監控測量方都要密切關注圍巖的變化情況。開挖十幾天后變形慢慢趨于平緩，日變形量越來越小。監控測量到24 d時，變形基本穩定，水平收斂速率為0.01 mm/d，遠遠小于0.2 mm/d，表明水平收斂已經穩定；豎向收斂為0.01 mm/d，遠小于0.15 mm/d，表明豎向收斂已經穩定。從水平收斂和豎向收斂速率來看，24 d后圍巖變形已穩定，可進行二次襯砌施工。

水平趨于收斂后變形實測值為2.66 mm，與數值模擬中單次向前開挖3 m時的變形計算結果2.82 mm接近；豎向最終收斂實測值為13.26 mm，與數值模擬中單次向前開挖3 m時的變形計算結果14.66 mm接近。隧道開挖的變形實測值基本與數值模擬結果相吻合，該隧道合理的施工進尺為單次向前開挖3 m。

4 結論

(1) 開挖進尺對圍巖變形有一定影響，開挖進尺越大，圍巖變形越大，但并非線性變化。

(2) 圍巖具有一定的自穩能力，采用新奧法施工時，需盡量充分發揮圍巖的自穩能力，在同樣安全的前提下，盡量加大開挖進尺，以提高施工進度。該隧道合理的施工進尺為單次向前開挖3 m，既可滿足安全需要，又符合經濟需求，還能充分發揮圍巖的自穩能力。