淺埋偏壓洞口段不同施工方法位移和受力分析

文/新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 張永達(dá)

隧道開工進(jìn)洞時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到淺埋偏壓地段，許多專家、學(xué)者結(jié)合大量的實(shí)際工程，研究了隧道淺埋偏壓的情況，并從中總結(jié)了大量的符合施工需要的相關(guān)資料。本文以某高速公路長(zhǎng)大隧道淺埋偏壓地段的施工為例，模擬了實(shí)際地層的三維數(shù)值。通過(guò)臺(tái)階法和CD法分析哪種開挖方法更適合淺埋偏壓隧道的實(shí)際地質(zhì)情況，同時(shí)分別模擬了CD法開挖順序的數(shù)值，并借此分析比較了隧道的開挖順序。

隧道計(jì)算模型和參數(shù)的選擇

隧道情況簡(jiǎn)介

某高速公路隧道為分離式長(zhǎng)大隧道，巖體以砂巖為主，洞口段洞頂淺埋，左右側(cè)壓力不對(duì)稱，存在較為明顯的偏壓情況，隧道頂部覆蓋不足5m，很薄。隧道右側(cè)同樣存在覆蓋薄，坡度較大（45。以上）等問(wèn)題。此外，隧道上表面覆有黏土層，植被茂盛，向下是風(fēng)化程度不同的砂巖地層，洞口段巖層中含水量匱乏，施工中可不必過(guò)多關(guān)注含水量變化。

計(jì)算模型范圍：根據(jù)圣維南原理，隧道開挖的影響范圍為隧道的3倍至5倍，沿隧道軸線方向取40m，隧道右側(cè)坡度接近實(shí)際地形情況，右側(cè)洞徑約40m，下邊界約30m。模型左邊界、右邊界、后邊界，以及前面隧道開挖面以下部分邊界均施加法向約束，底部邊界施加3個(gè)方向的約束。隧道開挖斷面以上至地表均為自由邊界。

圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及計(jì)算工程狀況

巖體的物理力學(xué)參數(shù)，參照相應(yīng)規(guī)范中圍巖力學(xué)指標(biāo)，圍巖材料采用摩爾庫(kù)倫模型。圍巖參數(shù)既要參考隧道設(shè)計(jì)中的相關(guān)說(shuō)明，還要參照規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定，并綜合相關(guān)說(shuō)明、規(guī)定確定參數(shù)。實(shí)際上，鋼拱架與噴射混凝土是緊密聯(lián)系在一起的，共同變形、共同受力，所以根據(jù)鋼筋混凝土計(jì)算原理，鋼拱架采用等效截面計(jì)算，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土。

該隧道的淺埋偏壓段圍巖級(jí)別為V級(jí)，分別采用臺(tái)階法和CD法開挖支護(hù)隧道。臺(tái)階法開挖時(shí)，上下臺(tái)階保持8m的開挖步距；CD法開挖則分為淺埋側(cè)先開挖和淺埋側(cè)后開挖。淺埋側(cè)先開挖時(shí)，上下臺(tái)階相距6m，左右側(cè)開挖距離為12m。淺埋側(cè)先后開挖時(shí)，上下臺(tái)階的錯(cuò)距保持不變，從而不會(huì)對(duì)施工分析產(chǎn)生不必要的影響。

計(jì)算結(jié)果分析

隧道施工過(guò)程中，圍巖位移分布可直接反映隧道是否安全，巖體是否穩(wěn)定，支護(hù)體系是否符合實(shí)際需求，這對(duì)安全施工和合理設(shè)計(jì)非常重要。同時(shí)，圍巖位移與變形也可直接體現(xiàn)圍巖力學(xué)的變化，一旦位移超出所準(zhǔn)許的范圍，將發(fā)生支護(hù)系統(tǒng)、圍巖的失穩(wěn)塌方。

位移分析

用臺(tái)階法開挖時(shí)，比較隧道拱頂和拱腳的位移，可發(fā)現(xiàn)拱頂處位移值遠(yuǎn)大于拱腳處位移，主要是由于隧道開挖后，在覆蓋層自身重量的影響下，拱頂處不斷產(chǎn)生位移并積累。同時(shí)，隧道處于淺埋偏壓地段，造成開挖初始階段，隧道左右側(cè)的拱腳處位移值存在很大偏差，且壓力大的一側(cè)位移變化較大。隨著開挖深度的加大，經(jīng)過(guò)偏壓施工地段后，左右拱腳處的位移會(huì)逐漸一致，最終收斂穩(wěn)定。

比較臺(tái)階法和CD法開挖后拱腳處的位移值，可看出后開挖的部分，臺(tái)階法開挖后的拱腳位移值與CD法開挖的拱腳位移值相比明顯減小。此外，在開挖支護(hù)后，CD法拱腳位移比臺(tái)階法更快穩(wěn)定，而且臺(tái)階法相對(duì)來(lái)說(shuō)需要時(shí)間更長(zhǎng)。

但CD法開挖的工序較為繁瑣，每次施工都會(huì)對(duì)圍巖和支護(hù)造成一定程度的擾動(dòng)，并對(duì)中隔墻產(chǎn)生影響。

應(yīng)力分析

通過(guò)CD法開挖，比較淺埋偏壓段隧道拱腰、拱頂處的應(yīng)力顯示，不論是先開挖淺埋側(cè)還是后開挖淺埋側(cè)，先開挖的拱頂應(yīng)力都比后開挖的實(shí)際拱頂應(yīng)力大。下臺(tái)階開挖后，先開挖側(cè)的應(yīng)力水平會(huì)有很大提升，另一側(cè)開挖支護(hù)后，應(yīng)力水平會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定并回落降低。

各個(gè)部分先后開挖支護(hù)的過(guò)程，應(yīng)力水平迅速增大，其余部分未開挖前，臨時(shí)支護(hù)的中隔墻所受壓力將增長(zhǎng)較快。待其余部分開挖支護(hù)后，中隔墻受力會(huì)不斷減小。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬分析淺埋偏壓隧道的位移受力特征可知，淺埋偏壓隧道的開挖施工工序是先開挖隧道淺埋一側(cè)。當(dāng)開挖深度超過(guò)淺埋偏壓地段后，隧道各部分的受力位移差異將縮小，偏壓效應(yīng)也會(huì)逐漸減弱直至消失。