隧道洞口淺埋偏壓段位移及力學行為分析

嚴 濤，魏 星，吳 坤

(1.西南交通大學峨眉校區土木系，四川峨眉 614202;2.中國市政工程西南設計研究總院，成都 610031;3.中鐵西南科學研究院，成都 610031)

1 概述

隨著山區高速公路的大量修建，隧道洞口段經常出現淺埋偏壓軟弱圍巖，而隧道埋深淺且偏壓嚴重將使圍巖穩定性變的很差，結構受力復雜，施工中稍有不慎將出現塌方的嚴重事故，國內外眾多學者已經就淺埋偏壓隧道進行了一系列的研究。佘健等［1］運用大型有限元軟件ANSYS對軟弱圍巖段隧道施工過程進行了三維數值模擬計算，得出了圍巖位移的變化規律;楊小禮等［2］采用雙側壁導坑法，對淺埋小凈距雙洞六車道偏壓公路隧道在不同開挖順序下進行施工力學數值模擬，分析不同開挖順序時的圍巖位移、應力、地表位移以及塑性區的變化，并進行了比較;張小軍［3］結合具體的工程實例，針對工程地質情況，介紹了軟弱圍巖淺埋偏壓隧道的開挖方式、支護手段、防水技術等一套行之有效的措施，對以后的工程可提供有益的探索。王明年等［4～5］通過模型試驗對軟弱圍巖下3孔小凈距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術和施工力學進行研究，對不同的圍巖預加固強度和施工進尺進行了評價;周佳媚等［6］通過對旦架哨隧道偏壓滑坡地段現場量測數據的分析，得到了工字鋼和錨桿等支護構件的受力特征，并通過有限元計算驗證了現場實測資料的正確性，為合理設計隧道提供了依據。鄧少軍等［7］選取了淺埋偏壓隧道仲溪隧道的一典型斷面作為計算模型，運用FLAC2D，對其在兩種不同施工順序下的施工力學行為進行了模擬計算，通過對比兩種施工順序下圍巖的應力、位移以及隧道支護結構中的內力，提出了開挖方案并獲得應用，可供淺埋偏壓連拱隧道施工工序選擇參考。

2 工況

以老鴨嶺隧道左線進口段為研究對象，原設計此段為Ⅴ級圍巖淺埋段，設計見圖1，而實際施工過程中發現此段沉降較快，支護不能滿足要求，有洞頂塌方的危險。后將此段圍巖變更為Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段(圖2)，增強了支護能力。但此隧道比較特殊的是左右線隧道洞門相差一百多米，左線隧道先進洞，因此左線隧道右側是右線路基的邊坡，此邊坡距離左線隧道拱腰最近只有5 m，整個地勢偏壓極為嚴重，除加強結構支護強度外，還考慮在邊坡上進行小導管注漿加固(圖3)，確保隧道安全掘進。本文將對變更支護加強后的圍巖及支護結構進行建模計算，并與實測值進行對比分析。

圖1 Ⅴ級圍巖淺埋段襯砌結構設計(單位:cm)

3 淺埋偏壓山體隧道計算模型

為了研究隧道開挖所造成的位移和應力狀態，以下述假定為前提［8］:

(1)圍巖為均質的各向同性的連續介質;

(2)只考慮自重造成的初始應力場;

(3)隧道形狀以規則的圓形為主。

圖2 Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段襯砌結構設計(單位:cm)

圖3 隧道進口左線邊坡加固

二次襯砌作為長期安全性儲備［9～11］，計算時不予考慮。初期支護由中空注漿錨桿、鋼筋網片、鋼拱架、早強混凝土組成，建模時初期支護統一考慮為襯砌，用4節點殼單元模擬，超前導管注漿影響的范圍在拱頂以上3 m范圍內，此部分區域形成“加固改良區”;同時，邊坡進行小導管注漿加固區域，此部分區域也形成“加固改良區”，建模時按提高這兩部分材料屬性處理。開挖圍巖以及隧道周邊圍巖用8節點實體單元模擬，圍巖采用彈塑性材料計算，屈服準則采用Drucker-Prager準則［12］，Ⅴ級圍巖、加固區及襯砌支護物理力學參數見表1。

表1 Ⅴ級圍巖及襯砌支護物理力學參數

取X方向為橫向，Y方向為豎向，Z方向為縱向隧道開挖前進方向。以隧道圓心為原點，模型X方向左右各取42 m，Y方向向上取到地面，向下取45 m，Z方向取18 m，由于隧道每次開挖進尺0.75 m，因此將隧道沿Z方向分成24個開挖段，以Z=9 m處即第12和第13交界面作為目標斷面。對模型左右兩側邊界施加X方向的約束，下邊界施加Y方向的約束，上邊界為自由邊界，縱向約束Z方向位移。三維模型如圖4所示。

圖4 隧道進口左線淺埋偏壓模型

采用單元的“生”和“死”模擬隧道的開挖支護過程，隧道的開挖過程是通過殺死開挖部分的單元實現的，即把死單元相關的剛度和荷載變為一極小值［13］，每步開挖長度計為0.75 m;隧道的襯砌支護通過激活單元來實現，每步支護長度同樣計為0.75 m，共計49步。采用上下臺階法開挖，即上臺階開挖支護完畢再進行下臺階開挖支護。

4 數值計算結果分析

4.1 圍巖位移分析

(1)地表位移沉降規律

選取Z=9 m時偏壓地表上有代表性的點位作為分析對象。開挖圓心正上方地表處X=0，向右為正，向左為負。各點位地表沉降Y方向位移隨開挖變化的規律如圖5所示(包含自重應力作用下的Y方向位移)，由圖5可知，X=－6 m處即偏壓山體較高一側累計沉降最大，達到1.143 cm，這主要是地形偏壓所致，且埋深較淺，開挖所影響的范圍已經波及到地表，其上的豎向壓力應該等于上覆土體的全自重，顯然山體較高一側豎向壓力最大，Y方向沉降也就最大。

圖5 地表各點Y方向位移

(2)拱圈Y方向位移分析

同樣選取Z=9 m處圍巖拱頂、仰拱、右側拱腰、左側拱腰各點Y方向位移作為研究對象，如圖6所示。由圖6可知，仰拱及右側拱腰在開挖時均產生向上的位移，而拱頂和左側拱腰產生向下的位移。出現以上規律還是由于地形淺埋偏壓所致，開挖時由于應力重分布，為了達到新的應力平衡，地層各點將向洞內收斂，而山體較高一側(左側拱腰)豎向應力更大，將產生較大的向下的位移，在山體較低一側(右側拱腰)將產生向上的位移。為了阻止仰拱向上的位移，施工時應及時封閉仰拱，形成整體受力。

4.2 襯砌結構應力分析

圖7為開挖支護完畢后襯砌支護各主應力圖，表2為各主應力的最大及最小值。計算結果表明，偏壓側即拱腰處承受較大的應力，這是由于偏壓導致的不對稱受力引起的，但在加強結構支護及邊坡加固后，最大受拉受壓應力均在允許范圍之內，證明此時的支護滿足結構受力要求是偏于安全的。

圖6 拱圈各點Y方向位移

圖7 襯砌支護應力云圖

表2 開挖完畢目標斷面圍巖應力 MPa

5 現場實測結果分析

為了驗證計算結果的可靠性，需通過實際施工工程中的現場實測值與計算值進行對比。施工現場進行了施工監控量測，未進行襯砌的應力量測。仍然選取Z=9 m作為研究對象，對比分析了拱頂與拱腰的位移變化規律如圖8所示。由圖8可知，計算及實測總體變化規律一致，由于施工量測是在圍巖開挖后才開始量測的，因此量測結果不會包括自重應力作用以及前9 m開挖作用下的沉降結果，因此實測結果遠小于計算結果，但是如果計算結果減去自重及前9 m開挖施工所造成的沉降，兩者數值近似相等，證明計算結果是可信的。另外，由實測值可以看出，開挖時對斷面的沉降影響最大，因此，現場施工時在開挖后要盡快進行斷面測量，及時反饋，修正設計，進行信息化施工。

6 結論

(1)淺埋偏壓隧道開挖時在山體較高一側地表沉降累計最大，這是由于地形偏壓形成的。

圖8 拱頂和拱腰計算和實測位移對比

(2)在淺埋偏壓處開挖隧道，拱頂、左側拱腰將產生向下的位移;右側拱腰、仰拱將產生向上的位移。為了阻止仰拱向上的位移，施工時應及時封閉仰拱，使支護結構形成整體受力。

(3)開挖完畢支護應力云圖顯示，拱腰處所受應力最大，這也是地形偏壓在拱腰處形成應力集中所致，需密切注意拱腰處受力情況。

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