重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074
摘要：针对软岩隧道，运用FLAC3D有限差分软件对两台阶法开挖隧道不同循环进尺进行数值模拟，对比分析不同开挖进尺条件下围岩的位移以及应力。研究表明：循环开挖进尺越大，围岩的所受的压应力越小，较小的开挖进尺有利于围岩的稳定性。综合分析围岩的位移与应力，建议开挖进尺取1-2米为宜。
关键词：软岩隧道；数值模拟；开挖进尺
0 引言
随着我国交通运输业的快速发展，我国隧道里程快速增长。上下台阶法作为新奥法隧道施工中的一种重要工法，由于具有适用范围广、初次支护全断面闭合时间短并有利于控制围岩变形等优点[1-2]，被广泛的运用在隧道施工过程中。但对于软岩隧道开挖进尺尚无明确的标准，开挖进尺过小或者过大都会影响围岩的变形和受力[3-4]，因此有必要分析合适的开挖进尺。通过分析不同开挖进尺对于隧道围岩的稳定性影响规律得到合适的取值。
1 三维有限差分模型
1.1隧道模型建立
假定围岩连续均匀，采用摩尔—库伦屈服准则。根据隧道力学经验，为消除边界效应，设置模型尺寸为宽×高×厚度=100m×145m×40m，隧道埋深为100米，拱顶以上有60m埋深是通过施加竖向力的方式体现，模型四周及底部均设法向约束。
1.2围岩参数
软岩一般包括IV2-VI围岩以及部分特殊围岩，本次数值模拟采用V级围岩，结合《公路隧道设计细则（JTG/T D70-2010）》[5]，隧道的围岩及相关材料物理参数如表1。
表1围岩衬砌参数表
材料名称弹性模量/Mpa泊松比密度/
kg/m3粘聚力/Mpa内摩擦角/。
围岩1500.3919000.1222
喷射混凝土230.22200
钢支撑2300.37850
1.3隧道开挖方式
数值模拟按上下台阶法开挖，上下台阶相距12米。首先，按规定开挖进尺开挖上台阶0-12米同时施作初期支护，然后上下台阶按循环进尺开挖24米，同时施作初期支护，以纵向18米断面为研究面，隧道开挖及简图如图2所示。
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图1 台阶法开挖分段模拟图（单位/m）
2 开挖进尺对围岩的稳定性分析
对比分析分别在1、2、3和4米开挖进尺，由于不同开挖进尺围岩的位移跟应力等在分布规律上几乎是一致的，仅在数值上有区别，所以主要列举1米开挖进尺的结果。
2.1 围岩变形分析
以1米开挖进尺为例，上下台阶法开挖完成后，目标断面的总位移云图如图2所示。从位移云图可以看出断面的位移主要集中在拱顶的竖向位移、仰拱的隆起以及拱腰处的水平位移，由于仰拱的隆起对于围岩的稳定性的影响相对较小，所以主要对目标断面拱顶、拱腰位移进行监测分析。
图2 目标断面围岩位移分布
不同开挖进尺条件下，上、下台阶开挖所引起的目标断面拱顶沉降以及拱腰的水平位移分别如图3、图4所示。
图3 目标断面拱顶竖向沉降 图4 目标断面拱腰水平位移
由图3、图4可以看出，开挖进尺的增大，拱顶的竖向位移由22.29mm增加到26.07mm,拱腰的水平位移由14.47mm增加到20.40mm，开挖进尺与围岩的变形呈正相关。其中上台阶开挖引起拱顶竖向总位移的80%左右，引起拱腰水平位移的60%左右。其中当开挖进尺大于2米后，围岩的位移增长明显加快，结合软弱围岩的特性，建议开挖进尺取1-2米。
2.2围岩应力分析
在1米开挖进尺下条件下，围岩的最大主应力云图如图5所示。不同开挖进尺条件下，围岩的最大主应力如图6所示。
图 5 目标断面最大主应力云图
图 6 不同开挖进尺目标断面最大主应力图
由图5可知，围岩的最大主应力均为负值，围岩处于受压状态，其中拱腰处和拱底处压应力相对较小。由图6可知随着开挖进尺的增大，最大主应力在数值逐渐减少，越来越接近受拉状态，对于软弱围隧道应尽量避免处于受拉状态，开挖进尺大于3米后，围岩的最大主应力数值上减小速度明显加快，应尽量减少开挖进尺，避免围岩出现受拉。
3 结论
（1）随着开挖进尺的增加，围岩的位移逐渐增加，围岩的变形与开挖进尺呈正相关。
（2）开挖进尺越大，围岩的所受的压应力越小，较小的开挖进尺有利于围岩的稳定性。
（3）综合开挖进尺对围岩的位移和应力，建议开进尺取1-2米为宜。
参考文献：
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[2]王梦恕. 中国隧道及地下工程修建技术[M]. 2005.
[3]胡中超, 杨钊, 陈培帅. 隧道锚开挖循环进尺的时空效应分析[J]. 中外公路, 2012, 32(4):214-217.
[4]杜飞天, 邹育麟, 汪波. 软岩隧道埋深及施工进尺对围岩稳定性影响分析[J]. 中外公路, 2014(1):237-242.
[5]中交第二公路勘察设计研究院有限公司. 公路隧道设计细则:JTG/T D70-2010[M]. 人民交通出版社, 2010.
论文作者:赵博,唐国丰
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/3
标签：进尺论文; 围岩论文; 位移论文; 隧道论文; 应力论文; 断面论文; 拱顶论文; 《防护工程》2019年11期论文;