淺埋偏壓小凈距隧道進(jìn)洞工序分析

■卓益平

（福建省交通工程造價站，福州 350001）

近些年，福建省公路隧道的建設(shè)逐漸向地質(zhì)復(fù)雜、地形較差的地區(qū)發(fā)展，出現(xiàn)大量淺埋、偏壓的小凈距隧道，隧道淺埋且偏壓會使圍巖位移及力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，一旦開挖方式錯誤，將會引起隧道塌方等嚴(yán)重事故。 眾多學(xué)者對此做了一些研究，如李星平等［1］研究兩車道偏壓隧道，通過模擬試驗得出結(jié)論， 認(rèn)為先開挖較淺的一側(cè)隧道風(fēng)險較大，應(yīng)先開挖深埋較大的一側(cè)；孫亮等［2］通過數(shù)值模擬研究觀音廟隧道，得出的結(jié)論與李星平等相反，認(rèn)為先開挖隧道埋深較小的一側(cè)更加安全；張學(xué)富等[3]通過對南山隧道沖溝淺埋偏壓段進(jìn)行數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控，認(rèn)為偏壓小凈距隧道先開挖淺埋側(cè)和深埋側(cè)各有利弊；張運(yùn)良等[4]認(rèn)為當(dāng)間距小于0.5 倍洞徑時，先開挖深埋側(cè)較先開挖淺埋側(cè)安全；當(dāng)間距大于0.75 倍洞徑時，先開挖淺埋側(cè)對于隧道受力更加有利；當(dāng)埋深在1 倍洞徑以下，先開挖深埋側(cè)隧道整體穩(wěn)定性及受力更佳，當(dāng)埋深大于1.5 倍洞徑時，先開挖淺埋側(cè)隧道受力更加安全。 由此可以看出，眾學(xué)者得出的結(jié)論并不相同，淺埋偏壓隧道合理開挖順序正處于探索階段，本文通過數(shù)值模擬，分析隧道不同開挖順序下圍巖的位移、塑性區(qū)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力， 探討淺埋偏壓隧道較安全的開挖順序，可為類似工程建設(shè)提供參考。

1 模型建立

本次數(shù)值模擬采用針對巖土與隧道分析設(shè)計的有限元計算軟件Midas GTS， 可較準(zhǔn)確地模擬隧道施工開挖過程，計算模型如圖1 所示。

圖1 偏壓淺埋小凈距隧道計算模型

（1）開挖瞬間地應(yīng)力釋放率為50%，其余地應(yīng)力在初期支護(hù)施作后釋放。

（2）采用平面應(yīng)變問題模擬。

（3）計算模擬時考慮階段為施做初期支護(hù)，計算結(jié)果為初期支護(hù)的強(qiáng)度。

（4）計算結(jié)果中初期支護(hù)強(qiáng)度噴射混凝土厚度加鋼支撐按截面換算成同標(biāo)號混凝土的厚度之和。

根據(jù) 《公路隧道設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70-2010）采用有限單元法對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算時，為消除或減小邊界效應(yīng)的影響，計算區(qū)域要求大于隧道開挖的影響區(qū)域，一般取值在5 倍以上毛洞跨度或高度[5]，本次計算有限元計算模型的水平方向取隧道左、右側(cè)各62 m，等于5 倍的隧道開挖寬度，豎直方向下面取50 m，等于隧道5 倍的開挖高度，右洞上表面距離洞頂5.1 m， 左洞上表面距離洞頂17.8 m，左、右洞間距10 m，隧道單洞寬度12 m，偏壓角度為30°。

1.1 圍巖及支護(hù)參數(shù)

本次模擬選取2 種圍巖參數(shù)， 上部圍巖較差，下部圍巖為基礎(chǔ)， 圍巖較好， 計算選用Morhcoulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計算， 模擬隧道開挖完成后圍巖的變形及初期支護(hù)的受力情況，計算所用圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示， 初期支護(hù)情況如表2所示，初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)如表3 所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 初期支護(hù)情況

表3 初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

1.2 工況分析

工況一：先開挖右洞，后開挖左洞；工況二：先開挖左洞， 后開挖右洞； 計算模型開挖方法如圖2所示。

圖2 計算模型開挖方法示意

工況一采取四步中隔壁法， 開挖步驟如下：①開挖右洞左導(dǎo)坑上臺階；②右洞左導(dǎo)坑上臺階初期支護(hù)（包括側(cè)壁臨時支護(hù)、拱墻初期支護(hù)及臨時仰拱）；③開挖右洞左導(dǎo)坑下臺階；④右洞左導(dǎo)坑下臺階初期支護(hù)（包括側(cè)壁臨時支護(hù)、拱墻初期支護(hù)及仰拱初期支護(hù)）；⑤開挖右洞右導(dǎo)坑上臺階；⑥右洞右導(dǎo)坑上臺階初期支護(hù)（包括拱墻初期支護(hù)及臨時仰拱）；⑦開挖右洞右導(dǎo)坑下臺階；⑧施工右洞右導(dǎo)坑下臺階初期支護(hù)（包括拱墻初期支護(hù)及仰拱初期支護(hù)）；⑨拆除右洞所有臨時支護(hù)；⑩開挖左洞右導(dǎo)坑上臺階；?左洞右導(dǎo)坑上臺階初期支護(hù)（包括側(cè)壁臨時支護(hù)、拱墻初期支護(hù)及臨時仰拱）；?開挖左洞右導(dǎo)坑下臺階； ?左洞右導(dǎo)坑下臺階初期支護(hù)（包括側(cè)壁臨時支護(hù)、 拱墻初期支護(hù)及仰拱初期支護(hù)）；?開挖左洞左導(dǎo)坑上臺階；?左洞左導(dǎo)坑上臺階初期支護(hù)（包括拱墻初期支護(hù)及臨時仰拱）；?開挖左洞左導(dǎo)坑下臺階；?施工左洞左導(dǎo)坑下臺階初期支護(hù)（包括拱墻初期支護(hù)及仰拱初期支護(hù)）；?拆除左洞所有臨時支護(hù)。

工況二開挖步驟與工況一相反，此處不再闡述。

1.3 邊界條件

邊界位移約束為：左、右邊界水平約束，下部邊界垂直約束，上部邊界自由；計算荷載考慮巖土體自重；不考慮構(gòu)造應(yīng)力、地震等對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

2 圍巖穩(wěn)定分析

2.1 位移分析

2.1.1 豎向位移

分析隧道地表下沉及拱頂下沉位移， 比較工況一與工況二位移值大小， 豎向位移值如圖3～4所示。

圖3 工況一豎向位移

由圖3～4 可以看出，工況一地表最大位移值為3.1 mm，發(fā)生在左洞頂部地表；工況二地表最大位移值為3.22 mm，發(fā)生位置與工況一相同；工況一洞周圍巖豎向位移值最大為4.3 mm，工況二洞周圍巖豎向位移值最大為4.4 mm，均發(fā)生在拱頂位置。 比較位移值可以得出，工況一地表豎向位移和洞周圍巖豎向位移均小于工況二，因此，從豎向位移角度考慮應(yīng)采用工況一開挖，即淺埋偏壓小凈距隧道應(yīng)先開挖山體外側(cè)洞室。

圖4 工況二豎向位移

2.1.2 橫向位移

分析隧道洞周水平位移，比較工況一與工況二位移值大小，如圖5～6 所示。

圖5 工況一橫向位移

圖6 工況二橫向位移

由圖5～6 可以看出，工況一隧道洞周圍巖最大橫向位移值為7.46 mm，發(fā)生在左洞拱腰位置；工況二隧道洞周圍巖最大橫向位移值為7.55 mm， 發(fā)生位置與工況一相同。 比較橫向位移值可以得出，工況一洞周圍巖橫向位移均小于工況二，因此，從橫向位移角度考慮應(yīng)采用工況一開挖，即淺埋偏壓小凈距隧道應(yīng)先開挖山體外側(cè)洞室。

2.2 塑性區(qū)分析

模擬的圍巖地質(zhì)較差，上部巖體為Ⅴ級圍巖參數(shù)，下部巖體為Ⅳ級圍巖參數(shù)，隧道全部位于Ⅴ級圍巖內(nèi)，偏壓角度30°，地形較差，開挖后隧道洞周圍巖均出現(xiàn)塑性區(qū)，工況一和工況二隧道開挖完成后塑性區(qū)情況如圖7～8 所示。

圖7 工況一隧道圍巖塑性區(qū)

圖8 工況二隧道圍巖塑性區(qū)

可以看出，2 種工況條件下上部圍巖與下部圍巖相交的右側(cè)邊緣位置均出現(xiàn)了塑性變形，這是由于模型地形較差，偏壓嚴(yán)重，右側(cè)邊緣位置會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，圍巖出現(xiàn)屈服破壞，此位置距離隧道洞周較遠(yuǎn)，不影響隧道洞室。

綜合分析塑性區(qū)范圍，工況一出現(xiàn)塑性變形的圍巖占總圍巖范圍的32.9%，工況二出現(xiàn)塑性變形的圍巖占總圍巖范圍的38%，工況二較工況一范圍大。 工況一左、右洞之間的塑性區(qū)未貫通，且右洞塑性區(qū)范圍較??；工況二左、右洞之間的圍巖塑性區(qū)貫通，開挖時較危險，且右洞圍巖塑性區(qū)范圍明顯大于工工況一。 因此從塑性區(qū)角度分析應(yīng)采用工況一開挖，即淺埋偏壓小凈距隧道應(yīng)先開挖山體外側(cè)洞室。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

本次模擬計算的本構(gòu)模型為DP1 準(zhǔn)則，計算初期支護(hù)強(qiáng)度時， 初期支護(hù)的厚度為2 項組合，一部分為初期支護(hù)的噴射混凝土厚度，另一部分將嵌在噴混凝土中的鋼支撐翼緣板鋼筋按強(qiáng)度等效原則換算成噴混凝土厚度，該簡化方法可較合理考慮噴混凝土和鋼支撐的聯(lián)合承載作用（圖9）。為保證安全，在模擬計算時將鋼支撐腹板鋼筋和布設(shè)在噴射混凝土中的鋼筋網(wǎng)作為安全儲備，不進(jìn)行模擬計算。

圖9 簡化計算模型

隧道開挖完成后，初期支護(hù)的軸力、彎矩如圖10～13 所示。 并根據(jù)計算出來的各個單元內(nèi)力對初期支護(hù)各個單元進(jìn)行驗算，單元的內(nèi)力值及其安全系數(shù)見表4～5。

圖10 工況一初期支護(hù)軸力圖

圖11 工況一初期支護(hù)彎矩圖

圖12 工況二初期支護(hù)軸力圖

圖13 工況二初期支護(hù)彎矩圖

表4 工況一初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)

表5 工況二初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)

由圖10～13 可知，2 種工況下，隧道初期支護(hù)軸力較大位置及彎矩較大位置均相同，軸力較大位置出現(xiàn)在左洞右拱肩、右洞拱腳和右洞右拱肩，彎矩較大位置位于左洞左右側(cè)拱腳和右洞左拱腳。

工況一和工況二條件下，右洞初期支護(hù)安全系數(shù)均大于左洞初期支護(hù)安全系數(shù)，無論先開挖左洞還是先開挖右洞， 均對隧道右洞的支護(hù)影響較小。但相同條件下， 左洞初期支護(hù)安全系數(shù)均較小，尤其是左洞左拱肩、拱腰和拱腳位置，因此洞室開挖對隧道左洞的支護(hù)影響較大，且工況一條件下左洞初期支護(hù)安全系數(shù)大于工況二條件下初期支護(hù)安全系數(shù)，從初期支護(hù)安全系數(shù)角度考慮，應(yīng)采用工況一開挖，即淺埋偏壓小凈距隧道應(yīng)先開挖山體外側(cè)洞室。

4 結(jié)論

通過對淺埋偏壓小凈距隧道開挖順序結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

（1）隧道地表豎向位移、洞周豎向位移和橫向位移均是先開挖遠(yuǎn)離山體一側(cè)的洞室較小。

（2）根據(jù)隧道整體塑性區(qū)范圍、左右洞室之間的塑性區(qū)貫通情況，以及右洞周邊圍巖的塑性區(qū)大小，均是先開挖遠(yuǎn)離山體一側(cè)的洞室小。

（3）開挖先后順序?qū)拷襟w一側(cè)的洞室初期支護(hù)影響較大，先開挖遠(yuǎn)離山體一側(cè)的洞室，靠近山體一側(cè)的洞室初期支護(hù)安全系數(shù)較高， 結(jié)構(gòu)較安全。

（4）淺埋偏壓小凈距隧道施工時應(yīng)注意開挖的先后順序，遠(yuǎn)離山體一側(cè)的洞室應(yīng)先行開挖，以保障洞室穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。