基于數(shù)值模擬和施工監(jiān)測的山嶺隧道合理施工進(jìn)尺分析

田慶， 李官群

(1.保靖縣農(nóng)村交通建設(shè)技術(shù)咨詢服務(wù)站， 湖南 保靖 416000；2.保靖縣交通運(yùn)輸局， 湖南 保靖 416000)

隨著隧道工程的大量建設(shè)，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(jīng)濟(jì)效益太低，對于整個(gè)工程的工期和效益不利；而一次開挖過長，又可能因?yàn)閲鷰r自穩(wěn)能力不足而引發(fā)安全事故，輕則帶來經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡。因此，隧道施工進(jìn)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(shè)計(jì)標(biāo)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(jìn)口至出口方向)縱斷面均為-2.9%下坡。所在區(qū)域?qū)儆谇治g剝蝕丘陵地貌，隧道穿越一個(gè)丘陵體，該丘陵體地面標(biāo)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(cè)人行道)+1.0 m(側(cè)向?qū)挾?+2×3.5 m(行車道)+1.0 m(側(cè)向?qū)挾?+1.5 m(右側(cè)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(yīng)譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)于地質(zhì)基本烈度小于Ⅵ度。

2 數(shù)值模擬

采用有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)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(jié)果，又快速高效，對圍巖長度、寬度進(jìn)行有效選擇。根據(jù)圣維南原理，開挖只在洞周圍一定范圍內(nèi)引起應(yīng)力重分布。實(shí)踐和理論分析表明，應(yīng)力重分布范圍在洞室周圍中心點(diǎn)3～5倍開挖寬度(或高度)內(nèi)。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(shí)際地形設(shè)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(zhuǎn)動RX、RZ，最后開挖結(jié)束面約束縱向位移UY。

2.2 材料物理參數(shù)確定

主要對該隧道K11+280—310段Ⅳ圍巖進(jìn)行建模分析。依據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告、設(shè)計(jì)資料及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取圍巖物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

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(shí)體單元進(jìn)行分析。噴射砼采用各向同性中的彈性結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，采用1D的植入式桁架單元模擬。

2.3 隧道施工步驟假設(shè)

每次分別以開挖1.5、3、5 m為施工進(jìn)度，一共分13個(gè)施工步驟。步驟1為初始應(yīng)力狀態(tài)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(hù)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(hù)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(hù)噴射砼施工。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

每次施工前進(jìn)1.5 m，數(shù)值模擬分析最后施工階段的豎向和水平位移，結(jié)果見圖1；每次施工前進(jìn)3 m，數(shù)值模擬分析最后施工階段的豎向和水平位移，結(jié)果見圖2；每次施工前進(jìn)5 m，數(shù)值模擬分析最后施工階段的豎向和水平位移，結(jié)果見圖3。表2為隧道開挖進(jìn)尺與隧道圍巖變形之間的關(guān)系。

圖2 每次施工前進(jìn)3 m時(shí)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(jìn)5 m時(shí)最后施工階段的豎向和水平位移(單位：m)

表2 隧道開挖進(jìn)尺與隧道圍巖變形統(tǒng)計(jì)

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(shí)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(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，安全系數(shù)較高，但會嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；單次向前開挖5 m時(shí)，圍巖變形量增大許多。綜合來看，建議采用3 m進(jìn)尺進(jìn)行開挖。同時(shí)在施工中密切注意圍巖的變化情況，防止某些特殊地段發(fā)生突變現(xiàn)象。

圖1 每次施工前進(jìn)1.5 m時(shí)最后施工階段的豎向和水平位移(單位：m)

3 施工監(jiān)測

只對建模分析段K11+283所測量的數(shù)據(jù)(見表3)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對表3中收斂值進(jìn)行整理，繪制收斂-時(shí)間關(guān)系曲線(見圖4、圖5)。

圖4 水平收斂-時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 豎向收斂-時(shí)間關(guān)系曲線

表3 K11+283周邊位移現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

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(fù)號表示收斂值為負(fù)，測邊變長。

由表3、圖4、圖5可知：剛開始開挖時(shí)，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(jiān)控測量方都要密切關(guān)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(jiān)控測量到24 d時(shí)，變形基本穩(wěn)定，水平收斂速率為0.01 mm/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.2 mm/d，表明水平收斂已經(jīng)穩(wěn)定；豎向收斂為0.01 mm/d，遠(yuǎn)小于0.15 mm/d，表明豎向收斂已經(jīng)穩(wěn)定。從水平收斂和豎向收斂速率來看，24 d后圍巖變形已穩(wěn)定，可進(jìn)行二次襯砌施工。

水平趨于收斂后變形實(shí)測值為2.66 mm，與數(shù)值模擬中單次向前開挖3 m時(shí)的變形計(jì)算結(jié)果2.82 mm接近；豎向最終收斂實(shí)測值為13.26 mm，與數(shù)值模擬中單次向前開挖3 m時(shí)的變形計(jì)算結(jié)果14.66 mm接近。隧道開挖的變形實(shí)測值基本與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，該隧道合理的施工進(jìn)尺為單次向前開挖3 m。

4 結(jié)論

(1) 開挖進(jìn)尺對圍巖變形有一定影響，開挖進(jìn)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(wěn)能力，采用新奧法施工時(shí)，需盡量充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，在同樣安全的前提下，盡量加大開挖進(jìn)尺，以提高施工進(jìn)度。該隧道合理的施工進(jìn)尺為單次向前開挖3 m，既可滿足安全需要，又符合經(jīng)濟(jì)需求，還能充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。