不同偏壓大斷面淺埋隧道施工力學分析及優化

聶建春，鄭文博，袁成海

(1．江西昌泰高速公路有限責任公司，江西吉安 343000;2．同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092;3．江西交通咨詢公司，南昌 330008)

0 引言

隨著我國公路事業的飛速發展，為了滿足山地和丘陵地區的行車需要，同時兼顧克服高差、縮短里程、改善線形及保護生態環境等方面的要求，隧道的修建越來越多。目前，隨著隧道設計及施工技術水平的提高，大斷面隧道的數量越來越多。由于大斷面隧道開挖跨度較大，施工工序繁多，開挖與支護交錯進行，加大了隧道施工過程中變形和穩定控制的難度。同時，大多數的隧道位于淺埋地段，且圍巖穩定性較差，圍巖變形較大，易坍塌［1-3］。選擇合適的施工方法對于控制圍巖穩定性和隧道結構安全具有重要意義。

在大斷面隧道修建的過程中，隧道穿越的地勢起伏變化，所造成的地層偏壓對隧道施工力學的影響往往較大［4］。對于隧道的淺埋偏壓問題，已有許多學者進行了研究，如:汪宏等［5］分析了淺埋偏壓隧道洞口坍方，并結合工程實際提出洞內加固、地表注漿加固及開挖控制的綜合處治方法;柳雁玲等［6］結合工程實際，闡述了偏壓隧道圍巖受力變形特征;趙永國等［7］對淺埋、偏壓隧道的開挖施工方案進行了數值仿真研究，得出的施工方案既符合隧道設計規范、又滿足穩定性要求;王祥秋等［8］對崇遵高速公路龍井隧道進口段施工過程現場監測數據以及有限元分析結果進行對比研究，得出了在偏壓作用下隧道施工過程中圍巖位移的變化規律。

由于在不同的地層環境下，偏壓往往不同，采取相適應的施工方式，對保證隧道施工安全、減少對圍巖的擾動以及兼顧施工的便利和經濟性尤為重要。然而，由于大斷面隧道出現較晚，對大斷面淺埋偏壓隧道的研究，尤其是對不同偏壓下大斷面淺埋隧道的不同施工工況分析及優化的研究，仍然較為少見。

現階段針對軟弱圍巖地段的大斷面隧道，為維持洞頂圍巖穩定，減小拱部圍巖變形，施工方法常有雙側壁導坑法、臺階法和CRD法。雙洞導坑法能夠較好地控制周圍圍巖的變形，但施工工序較多，且多導洞開挖與支護，增加了工程造價并延長了工期［9］。臺階法施工施工工序簡單，卻容易對周圍圍巖造成較大的擾動［10］。伴隨著對隧道研究的不斷深入，產生了隧道施工方法CRD法［11］。與雙側壁導坑法相比，CRD法節省了一定的臨時支護，造價較低，工期較短，圍巖變形也能控制在一定范圍內。本文采用一種改進的臺階法，與傳統的臺階法及CRD法相比，該方法能使隧道上部較早成拱承受圍巖壓力，同時下部仰拱核心土開挖分為2步，能夠較好地控制隧道變形，能比較好地適應大跨度隧道的開挖。

本文以某大斷面淺埋隧道工程為依托，針對隧道穿越時的不同土層環境，采用有限元進行3種施工方法(雙側壁導坑法、改進的臺階法、CRD法)的全過程動態模擬，分析不同地表傾角下的各種施工方法的內力和位移結果，并綜合考慮施工便利性及經濟性，討論與不同地表傾角相適應的施工方法。

1 工程概況

依托工程的隧道為雙向分離式單洞四車道公路隧道，地貌單元為殘丘區，地勢起伏較大，局部發育沖溝，植被茂盛。該隧道按上下行分離式形式布置，當前設計的最大開挖寬度達21．47m，高度達13．56m，最大開挖面積達230 m2。隧道相對高差較大，隧道所處地貌單元屬長期風化剝蝕丘陵地貌區，坡度為10～30°。隧道區主要分布第四系殘坡積物，基巖為燕山期的花崗巖侵入體，巖性為二長花崗巖。本文所取工程巖體為Ⅴ級。

2 隧道施工動態數值模擬

2．1 模型的建立

隧道基本模型跨度為21．47m，高度為13．56m，隧道頂部埋深20 m。地表傾角為10°，20°，30°3種情況，如圖1所示。依據隧道開挖的影響范圍，模型尺寸為:左右邊界分別取至隧道界限的3倍洞徑，下邊界取至隧道界限的3倍洞徑，上邊界取至地表。計算模型材料物理力學參數見表1。

圖1 隧道模型示意圖Fig．1 Model of tunnel

表1 模型材料物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of simulated material

由于隧道工程地質條件惡劣、隧道圍巖應力場復雜，隧道圍巖在施工過程中的破壞形式也具有多樣性，如受拉破裂、脆性剪切破壞、塑性破壞等，這些隧道圍巖破壞形式一般被認為是塑性破壞。因此，有限元計算中圍巖選用理想彈塑性本構模型、Drucker-Prager屈服準則，在模擬過程中，圍巖采用三節點三角形單元模擬。

支護結構采用復合襯砌形式，錨桿采用線彈性本構模型的全長粘結式二維桿單元模擬，初期支護、二次襯砌和臨時支護采用線彈性本構模型的全長粘結式二維梁單元模擬，鋼拱架通過剛度等效以提高支護的慣性矩來實現。同時，考慮到內、外襯之間有可能錯動，在兩者之間設立了接觸面單元，允許二次襯砌內襯和初期支護外襯之間有一定的錯動。模擬數值計算中支護結構參數取值如表2所示。

表2 支護結構參數表Table 2 Parameters of supporting structure

本文采用二維平面應變模型，左右邊界設置為水平約束，底部為豎向約束，頂部為自由面。模型網格劃分情況如圖2所示。

圖2 模型網格劃分示意圖Fig．2 Grids of model

2．2 施工方法動態模擬方案

目前針對公路與市政隧道施工的方法主要有臺階法、CRD法和雙側壁導坑法。本文在模擬計算中選取臺階法與CRD工法進行了優化比較，3種施工方法的模擬方案如下。

1)方案1:雙側壁導坑法。模擬計算過程中施工共分為8步:開挖左導坑上部分，施作初期支護—開挖右導坑上部分，施作初期支護—開挖左導坑下部分，施作初期支護—開挖右導坑下部分，施作初期支護—開挖上部核心土1部分，施作初期支護—開挖上部核心土2—挖下部核心土，施作初期支護—拆除臨時支護，施作二次襯砌。

圖3 方案1:雙側壁導坑法施工步Fig．3 Construction sequence of double side drift method

2)方案2:改進臺階法(以下簡稱臺階法)。模擬計算過程中臺階法施工共為4步:開挖上臺階，施作上臺階初期支護—開挖左下臺階，施作左下臺階初期支護—開挖右下臺階，施作右臺階初期支護—拆除臨時支護，施作二次襯砌。

圖4 方案2:改進的臺階法施工步Fig．4 Construction sequence of optimized bench method

3)方案3:CRD法。模擬計算過程中施工共分為5步:開挖左上部分，施作初期支護;開挖右上部分，施作初期支護;開挖左下部分，施作初期支護—開挖右下部分，施作初期支護—拆除臨時支護，施作二次襯砌。

圖5 方案3:CRD法施工步Fig．5 Construction sequence of CRD method

3 數值模擬分析

3．1 位移分析

隧道圍巖位移大小與施工方法、施工過程密切相關，因此，隧道圍巖位移大小可以反映施工方法的優劣。本文在數值計算中對隧道各主要特征點的位移進行了采集，見圖6。

圖6 位移采集示意圖Fig．6 Displacement measurement

3．1．1 隧道拱頂圍巖位移

隧道拱頂沉降是隧道圍巖穩定和施工安全評價的重要指標。3種施工方案下隧道頂部洞軸線方向(圖6中測線)圍巖豎向位移如圖7和圖8所示。

由于隧道埋深較淺，隧道頂部地層基本呈現整體下沉的趨勢。從圖8來看，總體上，雙側壁導坑法最有利于控制隧道拱頂圍巖的位移，而臺階法略優于CRD法。當地表傾角為10°時，方案1，2和3的拱頂位移分別為 7．92 mm，9．61 mm 和10．11 mm;當地表傾角為20°時，方案1的拱頂位移是11．54 mm，方案2的拱頂位移是11．43 mm，方案3的拱頂位移是12．61 mm，3種方案拱頂位移相近;當地表傾角為30°時，方案1的拱頂位移是15．20 mm，方案2的拱頂位移是13．75 mm，方案3的拱頂位移是16．60 mm，方案2的的拱頂沉降是最小的。

3．1．2 隧道拱腰部位圍巖內水平位移

隧道左右側拱腰部位圍巖(圖6中測線b和c)內水平位移如圖9和圖10所示。方案1在不同地表傾角下的拱腰部位圍巖的水平位移變化規律基本一致，隨著距隧洞拱腰部位距離的水平距離的增加，向隧道臨空方向變形的水平位移逐漸減小，在距離隧道拱腰約2倍隧道寬度時水平位移趨近于0;對于不同地表傾角的方案2和方案3，其拱腰部位圍巖的水平位移變化規律是:隨著距洞壁距離的增加，洞壁圍巖向隧道臨空方向變形的位移先減小至0(距拱腰位置約10 m時)，接著圍巖節點水平位移開始背離隧道臨空面方向，當距離增大到一定范圍時，圍巖節點水平位移又開始向隧道臨空方向發展，并且隨距離增大，水平位移逐漸減小至0。

對比不同地表傾角下的隧道拱腰的水平位移(圖9—12)，當地表傾角為10°，20°和30°時，方案1 左右拱腰的水平位移最小，方案2與方案1相近，方案3的最大，約比方案1的大1倍。

3．1．3 地表沉降

不同地表傾角下3種施工方案下隧道地表沉降如圖13所示。可以看到，隨著距中軸線距離的增加，地表沉降逐漸較小。采用3種方案進行施工時，隨著地表傾角增加，地層偏壓現象所引起的地表不均勻沉降逐漸明顯。以方案2距隧道中軸線水平距離為90 m的左右2個地表特征點為例，當地表傾角為10°時，左右特征點的沉降分別為0．5，0．3 mm;當地表傾角為20°時，左右特征點的沉降分別為1．1，0．4 mm，當地表傾角為30°時，左右特征點的沉降分別為1．7，0．4mm。

圖13 地表沉降比較Fig．13 Ground surface settlement

對比3種方案下的地表沉降值，可以看到當地表傾角為10°和20°時，采用方案2和方案3施工時的地表沉降相近，比方案1的略大;當地表傾角為30°時，采用方案1的地表沉降最小，方案2的次之，方案3的最大。

因此，考慮隧道頂部圍巖豎向變形、邊墻水平變形及地表沉降變形控制，同時兼顧施工經濟性便利性等因素，當地表傾角是0～10°時，宜采用臺階法施工，當地表傾角是20°或30°時，宜采用雙洞導坑法施工。

3．2 力學形態分析

在隧道施工過程中，不同的施工方式對隧道圍巖應力、初期支護及二次襯砌支護結構內力所產生的影響也互不相同;因此，有必要從隧道圍巖應力及襯砌受力角度對不同施工方法進行比較和分析。

3．2．1 圍巖應力

3種方案在不同地表傾角下的塑性區如圖14所示。由圖可知，塑性區都發生在隧道開挖區附近，在隧道開挖區的±45°斜向方向塑性區的范圍較大。當地表傾角為10°時，3種方案的塑性區范圍相近，塑性區只發生在隧道附近;當地表傾角為20°時，塑性區沿著±45°斜向方向擴大，方案2和方案3的塑性區進一步擴大，方案1的塑性區基本不變;當地表傾角為30°時，3種方案的塑性區均有了較大的擴大，方案2和方案3的塑性區沿著45°斜向方向擴大至坡腳，方案1的塑性區為最小，方案2略小于方案3。可見，對隧道開挖圍巖擾動的控制，方案1要優于方案2，方案3是最不利的。

圖14 不同傾角3種方案的塑性區比較Fig．14 Comparison and contrast among plasticized zones of three cases under different ground surface inclination angles

3．2．2 支護內力

1)錨桿內力。由表3可知:當地表的傾角是10°時，此時的方案1的錨桿最大內力最小，方案3的次之，方案2的最大(183．65kN)，約比方案1大34%;當地表傾角是20°時，此時仍是方案1的最小，方案3比方案2略小，方案2的最大，約比方案1大46%;當地表傾角是30°時，此時最大的是方案3(318．1 kN)，方案2的次之，方案1最小，方案3約比方案2大17%。

表3 不同傾角下3種方案的錨桿最大軸力Table 3 Maximum axial forces of bolts of three cases under different ground surface inclination angles kN

2)初期支護及二次襯砌內力。在隧道襯砌各主要特征點上布置內力監測點，如圖15所示。表4與表5分別給出了3種方案下初期支護各特征點的軸力與彎矩，二次襯砌的彎矩值。

圖15 襯砌內力監測點示意圖Fig．15 Monitoring points of internal force of lining

從表4與表5可以看到，隨著地表傾角的增大，初期支護的軸力和彎矩也變大。采用方案1施工的支護拱腰處內力值明顯大于另外2種方案，這是由于雙側壁導坑工法能夠更好地控制拱腰圍巖的水平變形，從而導致支護結構會承受較大的荷載;采用方案2施工的拱頂初期支護內力比另外2種方案大20%以上，這是由于方案2一次性開挖上臺階土層，從而導致拱頂承受著較大的荷載。總體而言，方案2和方案3的初期支護內力要小于方案1，且隨著地表傾角的增加，方案1的初期支護內力的增加要大于方案2及方案3。

對于二次襯砌，當地表傾角為10°時，方案1拱腰彎矩最小，其拱頂彎矩略大于方案2，方案2的拱腰彎矩最大，方案3的內力居于方案1及方案2之間;當地表傾角為20°或30°時，也呈現出相似的受力情況。總體而言，方案2的二次襯砌彎矩最大，方案3的次之，方案1的最小，這是由于方案1能較好地控制圍巖位移，其二次襯砌的支護內力較小。

通過對支護結構內力的比較分析可知，采用方案2和方案3施工較方案1對支護結構的受力比較有利，但這種相對有利是以犧牲圍巖穩定性來實現的。對于淺埋大跨度隧道而言，由于地層穩定性較差，圍巖變形以整體下沉和向臨空面變形為主，因此適當地控制圍巖的位移對于確保隧道的安全，同時充分發揮支護的承載能力，顯得尤為重要。當地表傾角為0～10°時，地層偏壓現象不嚴重，采用臺階法施工經濟便利，能較好地控制隧道圍巖的變形及塑性區的范圍，同時可以發揮支護的承載作用;當地表傾角為20～30°時，地層偏壓比較嚴重，采用臺階法或CRD法施工會產生較大圍巖變形，塑性區范圍也較大，此時宜采用雙側壁導坑法施工;當地表傾角為10～20°時，優先選擇臺階法，同時加強支護并及時監測。

表4 初期支護的軸力和彎矩比較Table 4 Comparison and contrast among three cases in terms of axial force and bending moment of primary support

表5 二次襯砌彎矩比較Table 5 Comparison and contrast among three cases in terms of bending moment of secondary lining kN·m

4 結論與討論

1)與臺階法和CRD法相比，雙側壁導坑法在施工過程中分部施工且尺寸較小，可以有效地控制圍巖的變形，但其支護內力較大;臺階法和CRD法允許地層發生一定的變形，發揮了地層的承載作用，支護內力較小，但位移較大。

2)在偏壓地層中，相比于CRD法，臺階法對于控制隧道頂部圍巖的豎向位移、拱腰位置的水平位移以及地表沉降量較為有利。雙側壁導坑法能夠很好地控制拱腰兩側圍巖的變形，有利于保證大跨度淺埋隧道臨空面的穩定。

3)隨著地表傾角的增大，隧道圍巖變形、圍巖塑性區范圍及支護內力呈增大趨勢。當地表傾角為10°時，3種方案的塑性區范圍相近;當地表傾角為20°和30°時，方案2和3的塑性區范圍沿著45°方向擴展至坡腳，方案1的塑性區的擴展范圍較小。

4)綜合考慮隧道安全、發揮地層承載作用及施工經濟便利性等因素，當地表傾角為0～10°時，宜采用臺階法;當地表傾角為20～30°時，宜采用雙側壁導坑法;當地表傾角為10～20°時，優先選擇臺階法，同時加強支護并及時監測。

5)本文的有限元模擬是建立在理想狀態下的，其將巖土體考慮成均質、連續、各向同性的理想彈塑性材料。而實際巖土介質性質是十分復雜的，往往還需要考慮時間與空間因素的影響。因此，本文的計算數值并不代表實際工程的絕對數值，其目的是便于在相對合理的參數條件下，基于相同的條件，分析和研究問題的規律性。

［1］ 劉會．偏壓淺埋隧道洞口施工技術［J］．現代隧道技術學報，2008，45(4):44-47．(LIU Hui．Construction technology of the entrance section of a shallow and unsymmetrical loaded tunnel［J］．Modern Tunneling Technology，2008，45(4):44-47．(in Chinese))

［2］ 周丁恒，曹力橋，馬永峰，等．四車道特大斷面大跨度隧道施工中支護體系力學性態研究［J］．巖石力學與工程學報，2010，29(1):140-148．(ZHOU Dingheng，CAO Liqiao，MA Yongfeng，et al．Research on construction behaviors of support system in four-lane ultra large-span tunnel with super-largecross-section［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(1):140-148．(in Chinese))

［3］ 吳夢軍，黃倫海．四車道公路隧道動態施工力學研究［J］．巖石力學與工程學報，2006，25(S1):3057-3062．(WU Mengjun，HUANG Lunhai．Research on dynamic construction mechanics of four-lane highway tunnel［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(S1):3057-3062．(in Chinese))

［4］ 楊小禮，眭志榮．淺埋小凈距偏壓隧道施工工序的數值分析［J］．中南大學學報:自然科學版，2007，38(4):764-770．(YANG Xiaoli，SUI Zhirong．Numerical simulation of construction sequence for shallow embedded bias tunnels with small clear distance［J］．Journal of Central South University:Science and Technology，2007，38(4):764-770．(in Chinese))

［5］ 汪宏，蔣超．淺埋偏壓隧道洞口坍方數值分析與處治［J］．巖土力學，2009，30(11):3481-3485．(WANG Hong，JIANG Chao．Numerical analysis of a collapsed portal for shallow tunnel under asymmetrical pressure and its treatment［J］．Rock and Soil Mechanics，2009，30(11):3481-3485．(in Chinese))

［6］ 柳雁玲，佴磊，劉永平．和龍沿江公路傍山隧道偏壓特征分析［J］．吉林大學學報:地球科學版，2006，36(2):240-244．(LIU Yanling，NIE Lei，LIU Yongping．Analysis on the asymmetrically loaded characteristics of the mountain-adjacent tunnel［J］．Journal of Jilin University:Earth Science E-dition，2006，36(2):240-244．(in Chinese))

［7］ 趙永國，邵生俊，韓常領．淺埋、偏壓隧道開挖施工方案的仿真分析［J］．巖土力學，2009，30(S2):509-513．(ZHAO Yongguo，SHAO Shengjun，HAN Changling．Simulation on different excavation construction of the shallow-buried tunnel under the uneven rock pressure［J］．Rock and Soil Mechanics，2009，30(S2):509-513．(in Chinese))

［8］ 王祥秋，楊林德，高文華．高速公路偏壓隧道施工動態監測與有限元仿真模擬［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(2):284-289．(WANG Xiangqiu，YANG Linde，GAO Wenhua．Dynamic monitoring and fem simulation analysis of an expressway tunnel with unsymmetrical loadings［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(2):284-289．(in Chinese))

［9］ 高峰，譚緒凱．雙側壁導坑法施工的大斷面隧道的穩定性分析［J］．重慶交通大學學報:自然科學版，2010，29(3):363-440．(GAO Feng，TAN Xukai．Stability analysis on large section tunnel with double-side-drift method［J］．Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(3):363-440．(in Chinese))

［10］ 龔建伍，夏才初，朱合華，等．鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優化分析［J］．巖土力學，2009，30(1):236-240．(GONG Jianwu，XIA Caichu，ZHU Hehua，et al．Optimal analysis of construction schemes for Heshang smallspace tunnels with large section［J］．Rock and Soil Mechanics，2009，30(1):236-240．(in Chinese))

［11］ 郭衍敬，黃明琦，陳鐵林，等．廈門翔安海底隧道CRD法和雙側壁法穿越砂層對比分析［J］．中國鐵道科學，2009，30(2):54-59．(GUO Yanjing，HUANG Mingqi，CHEN Tielin，et al．Comparative analysis on the adaptability of CRD and dual sidewall guide pit for passing through the sand layer of Xiamen-Xiang’an seabed tunnel［J］．China Railway Science，2009，30(2):54-59．(in Chinese))