摘要：在隧道开挖中，合理的开挖进尺是隧道安全施工控制的重要因素，文章依具体工程实例为依托，采用大型有限差分软件FLAC3D，通过对1.5米、2.0米和3.0米三种不同进尺开挖对隧道不同部位位移场和应力场进行模拟，将不同部位的监控数据绘制相应的位移和应力曲线并通过对比分析，得出适合该隧道IV级围岩的合理开挖进尺，为施工提供理论参考和依据。
关键词：隧道施工；围岩等级；开挖进尺；位移场；应力场
Abstract：In tunnel excavation, a reasonable excavation is an important factor for tunnel safety construction control, The article is based on an engineering example ，using large-scale finite difference software FLAC3D, through to the 1.5 m, 2.0 m and 3.0 m in three different penetration at different positions of the excavation of tunnel displacement field and stress field were simulated, and the monitoring data from different parts of the corresponding curves of displacement and stress and through comparative analysis, concluded that is suitable for the reasonable level IV surrounding rock of the tunnel excavation, provides the theory reference and basis for the construction.
Key words：tunnel construction The surrounding rock grade excavation penetration displacement field stress field
0引言
在隧道施工中，正确的开挖方法有利于隧道施工安全，保证工期和节约成本，但是，目前隧道钻爆施工中对开挖进尺尚没有一个明确的判定标准，施工中对开挖进尺的选择具有一定的盲目性，进尺过小，开挖循环和工程费用增加，延长工期，进尺过大，造成拱顶沉降过大而塌方甚至使地表冒顶，出现施工安全事故和地表建筑物倾斜。因此研究不同开挖进尺对隧道及周边环境的影响进而确定一个合理的开挖进尺对隧道施工具有一定的理论指导意义。
1工程实例
以贵州某公路隧道为依托，桩号K4+934～K4+561段岩体为：粘土质砂岩，厚层块状，节理裂隙发育，围岩强度和稳定性一般，洞身开挖拱部无支护可产生掉块。判定为IV级围岩，采用钻爆施工，进尺为3.2米。
初喷后，对掌子面、洞壁围岩和支护状况观察，拱顶下沉和周边位移收敛量测，其中掌子面、洞壁围岩和支护状况采用目测观察。支护情况：喷射表层较平顺，钢拱架无外露，喷射混凝土在钢拱架处出现裂缝，局部出现剥皮。拱顶下沉量测采用NA2型精密水准仪，仪器精度0.1mm；周边收敛量测采用JSS30A型数显收敛计，仪器精度0.01mm，20米一个断面，下表1、表2为已开挖区段两断面初喷后20天拱顶沉降和周边收敛数据，图1、图2为拱顶沉降和周边收敛沉降曲线。
表1 桩号K4+924断面拱顶沉降和周边收敛数据/mm
表2 桩号K4+904断面拱顶沉降和周边收敛数据/mm
图1 监控断面拱顶沉降曲线 图2 监控断面周边收敛曲线
两断面拱顶沉降和位移收敛曲线拟合多项式方程分别为：
式1-1
式1-2
由式1-1和1-2可以得到初喷后30天时两断面拱顶沉降均大于55mm,周边位移收敛大于25mm。
隧道开挖中对拱顶沉降有严格的控制，沉降过大有可能发生掉块、塌方、甚至冒顶，造成安全事故及地表建筑物偏斜和倾覆。根据我国关于隧道周边允许相对位移值（%）的规定。
表3 隧道周边容许相对位移值（%）
注：1）相对位移值系实测位移值与两测点距离之比，或拱顶位移值与隧道宽度之比；
2）脆性围岩取小值，塑性围岩取大值；
3）Ⅵ、Ⅱ、Ⅰ级围岩可按工程类比原则选定允许值范围；
隧道埋深24.5米，小于50米，IV级围岩，允许相对位移值为隧道宽度的0.15%~0.50%（脆性围岩取小值，塑性取大值），该围岩为粘土质砂岩，属于弹塑性围岩，线性插值取0.325%，隧道断面直径为11.1米，因此拱顶容许沉降量为：U=0.325%×11.1m=36.075mm
可见该围岩条件下，3.2米进尺开挖，对掌子面稳定性、拱顶下沉和周边位移收敛均不利，容易发生塌方等安全事故。宜加强已开挖段隧道支护强度，仰拱、二衬及时跟进，缩短开挖进尺，但多大的开挖进尺较好呢？采用数值模拟通过对地表、拱顶和周边位移变化及围岩应力的对比分析，从理论上为隧道施工提供一个合理的开挖进尺。
2建立模型
采用有限差分软件FLAC3D对该隧道IV级围岩不同开挖进尺进行数值模拟，开挖断面尺寸11.1m×9.55m（宽×高），计算区域横向100m，竖向70m，即左右边界为4倍左右总跨度，下部边界为3倍左右总高度，埋深24.5m。开挖长度60m，围岩采用M-C（摩尔—库伦）材料模型进行大变形模拟计算，用null模型来模拟开挖，初期支护采用实体单元模拟，厚度按实际取25cm。
图3 有限元计算模型
3不同开挖进尺围岩位移场和应力场比较分析
隧道位移量测主要是对隧道壁面两点间水平距离的变形量测、拱顶下沉及底部隆起位移量的量测，它是围岩应力状态的动态反应，为判断隧道空间的稳定性及二次衬砌提供合理的支护时机提供重要依据。
3.1地表沉降对比分析
隧道拱顶轴线上每5米选择一个断面，监控该断面地表上一点沉降量，绘制地表沉降曲线图4、图5，不同的开挖进尺对地表沉降的影响很大，1.5米和2.0米进尺在拱顶轴线及垂直拱顶轴线两侧围岩沉降较小，2.0米比1.5米进尺略大，3.0米进尺沉降明显比两者大，可见短进尺可有效的控制地表沉降。
图4 地表纵剖面沉降曲线 图5 地表横剖面沉降曲线
3.2拱顶沉降对比分析
图6、图7为拱顶沉降曲线，该组曲线跟地表沉降曲线变化规律相似，1.5米和2.0米进尺拱顶最大沉降量分别为20.34mm和26.11mm，相比于3.0米进尺的40.13mm差别极小，均小于拱顶容许沉降量，距开挖面5米处沉降量急剧下降，隧道开挖引起周边围岩沉降的衰减速率比地表快。
图6 拱顶纵剖面沉降曲线 图7 拱顶横剖面沉降曲线
3.3不同部位位移对比分析
在拱顶、边墙、底部各取一测点，绘制在不同开挖进尺下的位移变形曲线，见图8，相同进尺下，隧道拱顶、边墙、底部位移相差较大，边墙收敛相对于拱顶沉降和底部上拱较小，不同部位的位移曲线1.5米和2.0米进尺间较平缓，从2.0米到3.0米进尺位移曲线斜率均急剧增加，可见3.0米进尺对围岩的扰动要大很多。
3.4不同开挖进尺围岩应力场对比分析
通过围岩应力可以判断围岩的稳定性及预测围岩变形特性，图9为不同开挖进尺下隧道拱顶、底部和边墙围岩szz应力曲线，围岩应力的变化特性和不同开挖进尺下隧道拱顶、底部和边墙的位移变化特性相似，在对FLAC3D围岩应力云图进行分析时得到，隧道开挖后边墙存在应力集中现象，而拱顶和底部则出现应力松弛，在拱顶和底部中心小范围内出现局部拉应力，1.5米和2.0米进尺对围岩应力的控制效果要好。
4结语
隧道开挖过程中由于围岩岩性，开挖断面大小、掌子面支撑作用、支护条件、工程工期、机械设备和具体的施工管理水平等各种影响因素的差异，开挖进尺的选择没有一个完整的体系，要综合考虑选择。本文通过对该隧道IV级围岩位移场和应力场的模拟及对比分析，1.5米开挖进尺对围岩位移场和应力场的控制最好，但是和2.0米进尺差异不明显，因此综合考虑围岩、支护条件及开挖循环时间等因素，对该隧道IV级围岩开挖进尺现给一个建议范围1.8~2.3米，在施工中作为参考，在开挖过程中根据围岩强度和掌子面稳定性进行调整，选择合理的开挖进尺运用到该隧道施工过程中，对隧道、地表沉积及围岩应力取得了较好的控制作用。同时对与该围岩条件相似的其他隧道开挖进尺的选择具有一定的借鉴价值。
图8 不同进尺不同部位位移曲线 图9 不同进尺不同位部szz应力曲线
参考文献
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论文作者:时常悦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/17
标签：进尺论文; 围岩论文; 拱顶论文; 隧道论文; 位移论文; 断面论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第25期论文;