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摘要：为保证破碎板岩地带隧道施工的安全性及稳定性，以玉磨铁路月牙田隧道为研究背景，利用有限差分软件Flac3D对传统台阶法和两台阶带仰拱一次开挖法进行了优选分析。
关键词：隧道工程；破碎板岩；开挖工法；数值模拟
1引言
随着我国隧道建设的不断发展，交通选线不可避免的穿越破碎板岩地带。因此，如何选择合理的开挖技术，保证破碎板岩地带隧道的结构安全性、稳定性是当前亟待解决的问题。
2研究情况
2.1玉磨铁路月牙田隧道概况
2.1.1地质情况
本研究依托于玉磨铁路月牙田隧道（D1K67+580～D1K74+400）。月牙田隧道隧址区岩层主要为远古界前震旦系地层，这套地层岩性较复杂，岩层主要为前震旦系昆阳群落雪组白云岩、板岩夹灰岩，绿汁江组白云岩、灰岩夹板岩，鹅头厂组板岩夹粉砂岩、局部夹炭质千枚岩等。本段研究基于月牙田隧道D1K71+200~D1K71+210段（IⅤ级围岩）展开有限差分数值模拟。2.1.2结构设计
月牙田隧道结构为复合式衬砌，初支主要采用挂网喷射C25混凝土支护，厚度为25cm，二衬采用C40模筑钢筋混凝土，厚度为45cm。
2.2计算情况
2.2.1计算模型
以月牙田隧道为背景建立计算模型，本构模型为弹塑性模型，屈服准则采用摩尔-库伦准则。模拟地层的范围为横向两端取3～5倍洞径（14.72m），约60m，总宽度为120m；模型高度取3～5倍洞高（14.72m），约60m，隧道底部取3～5倍洞高（14.72m），约60m，竖向总高度为120m。计算模型共有17730个单元，24212个节点。计算模型边界条件为：左右方向施加水平约束，下边界施加垂直约束，上边界不做约束，
2.2.2施工方案
本段研究根据实际工程情况，拟采用传统台阶法和、两台阶带仰拱一次开挖法进行优选分析，具体施工方法如下：
（1）传统台阶法
（2）两台阶带仰拱一次开挖法
2.2.3测点布置
为了解施工过程中围岩动态信息，据以判断围岩的稳定状态及施工的合理性，在本研究中，将选取拱顶、拱肩、边墙、拱脚以及仰拱等八个控制点，采集坑道周边位移及初期支护结构内部的受力及位移信息，并计算出上、下收敛值。
3位移分析
3.1竖向位移
计算得到的传统台阶法、两台阶带仰拱一次开挖法的竖向位移云图如图4所示，最大拱顶沉降值、最大仰拱隆起值见表2及表3。
由图4、表2及表3可知，传统台阶法开挖阶段最大竖向位移值为29.74mm，开挖上台阶时最大竖向位移值为22.4mm，两台阶带仰拱一次开挖法所有施工阶段的最大竖向位移值及仰拱隆起均有所减小，其中两台阶带仰拱一次开挖法拱顶沉降最大值为26.57mm,仰拱隆起最大值为18.10mm，较传统台阶法拱顶沉降最大值减小11.93%，仰拱隆起最大值减小8.95%。从控制拱顶沉降及仰拱隆起效果看，两台阶带仰拱一次开挖法优于传统台阶法。
3.1.2水平位移
计算得到的传统台阶法、两台阶带仰拱一次开挖法在各施工步骤下的水平位移云图如图5所示，最大水平位移值、最大收敛值见表4及表5。
由图5及表4可知，传统台阶法开挖阶段最大水平位移值为21.34mm，开挖上台阶、下台阶时最大水平位移值分别为16.99mm、20.35mm，两台阶带仰拱一次开挖法最大水平位移值各施工步骤具有所减小，其中两台阶带仰拱一次开挖法最大水平位移值为19.65mm,较传统台阶法开挖阶段最大水平位移值减小8.60%，开挖上台阶、下台阶最大水平位移值分别减小7.33%、4.62%。从控制最大水平位移值效果看，两台阶带仰拱一次开挖法优于传统台阶法。
由表5可知，传统台阶法最大收敛位移位于上收敛，最大值为43.23mm，两台阶带仰拱一次开挖法最大收敛位移位于上收敛，最大值为38.62mm，较传统台阶法上收敛值减小11.93%。两台阶带仰拱一次开挖法下收敛值较传统台阶法有所减小，控制效果为13.92%。从控制某处收敛效果看，两台阶带仰拱一次开挖法优于传统台阶法。
3.2应力分析
3.2.1最大主应力
不同开挖工法的最大主应力云图如图6所示，施工过程最大主应力值见表6。
由图6及表6可知，传统台阶法开挖上台阶、下台阶、支护完成的最大主应力均大于两台阶带仰拱一次开挖法的最大主应力，分别为0.34MPa、0.17MPa、0.21MPa。其中两台阶带仰拱一次开挖法支护完成时最大主应力为0.18MPa,较传统台阶法开挖阶段最大主应力减小22.22%，开挖上台阶、下台阶最大主应力分别减小9.68%、6.25%。从控制最大主应力效果看，两台阶带仰拱一次开挖法明显优于传统台阶法。
3.2.2最小主应力
不同开挖工法的最小主应力云图如图7所示，施工过程最大主应力值见表7。
由图7及表7可知，传统台阶法开挖上台阶、下台阶、支护完成的最小主应力均大于两台阶带仰拱一次开挖法的最小主应力，分别为1.16MPa、3.90MPa、4.95MPa。其中两台阶带仰拱一次开挖法支护完成时最小主应力为4.29MPa,较传统台阶法开挖阶段最小主应力减小15.38%，开挖上台阶、下台阶最小主应力分别减小2.65%、2.09%。从控制最小主应力效果看，两台阶带仰拱一次开挖法优于传统台阶法。
3.2.3最大剪切应力
不同开挖工法的最大剪切应力云图如图8所示，施工过程最大剪切应力见表8。
由图8及表8可知，传统台阶法开挖上台阶、下台阶、支护完成的最大剪切应力均大于两台阶带仰拱一次开挖法的最大剪切应力，分别为0.49MPa、1.89MPa、2.43MPa。其中两台阶带仰拱一次开挖法支护完成时最大剪切应力为2.11MPa,较传统台阶法开挖阶段最大剪切应力减小15.17%，开挖上台阶、下台阶最大剪切应力分别减小13.95%、3.28%。从控制最大剪切应力效果看，两台阶带仰拱一次开挖法明显优于传统台阶法。
4结论
综上所述，两台阶带仰拱一次开挖法优于传统台阶法，建议采用两台阶带仰拱一次开挖法作为施工方案。
参考文献
[1]涂瀚.水平层状围岩隧道稳定性及破坏机理研究[J].铁道工程学报,2018,35(09):75-79+87.
[2]左清军,吴友银,闫天玺.特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应分析[J].防灾减灾工程学报,2018,38(02):233-243.
作者简介
毛必君（1981-），男，贵州余庆人，本科，工程师，主要从事隧道与地下工程施工技术管理。