淺埋偏壓小凈距隧道的力學特性及方案比選研究

張學富，袁理中，蘇佳園

（重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

引言

隨著我國公路建設的蓬勃發展，淺埋偏壓小凈距隧道越來越多地受到眾多學者的關注。隧道埋深淺且出現偏壓將使圍巖位移及力學性能發生顯著變化。隧道的修建過程將使圍巖多次被擾動、圍巖應力多次重分布，結構受力復雜，施工中稍有不慎將出現塌方等嚴重事故[1]，目前已建或在建公路隧道，在隧道圍巖變形與應力分布、結構受力等方面采用數值模擬、理論分析、現場監測等多種手段進行了大量研究工作，取得了一定的成果[2-4]，但涉及淺埋偏壓小凈距隧道的研究相對較少。本文通過四種不同開挖方法對比分析，并結合重慶南山隧道出口端淺埋偏壓段工程實例中存在的偏壓問題進行探討，分析隧道偏壓產生的影響指導施工，并為類似工程建設提供參考。

1 工程概況

南山隧道工程為重慶市江南大道中線重慶茶園新城區東西干道（一期）工程的重要組成部分，隧道西洞口位于南岸區上新街，東洞口位于瓦房子社，位于主線里程樁號K0+405-K3+230m處，分為左右兩線，各長約2825m，隧道屬于城市公路長隧道，為小凈距隧道。隧道凈寬10.8m，凈高6.8m，隧道軸線間距35.5m，設計行車速度60km/h；隧道沖溝淺埋偏壓段均為軟質巖覆蓋，土層厚度一般0.5～1.8m，基巖面傾角5～10O左右，其圍巖類別為Ⅳ級。臺階法施工，開挖方法采用工況二（見圖3）。

2 隧道施工過程的動態仿真數值模擬研究

2.1 基本原理[1，5]

隧道開挖過程包括圍巖分步開挖及支護結構的分步設置等，用以模擬不同施工階段力學性態的有限元方程為：

式中，M為施工階段總數，[K0]為開挖前巖體的初始總剛度矩陣；[△Ki]為施工過程中巖體和支護結構剛度的增量或減量，其值為挖去巖體單元及設置或拆除支護結構單元的剛度；{△Fir}為由開挖釋放產生的邊界增量結點力列陣，初次開挖由巖體自重、地下水荷載、地面超載等確定，其后各開挖步由當前應力狀態決定；{△Fia}為施工過程中增加的結點荷載列陣；{△δi}為任一施工階段產生的結點增量位移列陣。

任一施工階段的位移{δi}、應變{εi}和應力{σi}為：

式中，{σ0}為初始應力，{△σj}為各施工階段的增量應力。

當介質材料假設為彈塑性體時，上述計算可采用增量初應力法，在施工過程的動態仿真數值模擬分析中，我們是以不同的開挖階段（同一開挖階段也可以包括若干個施工亞階段）來進行模擬的，分部卸載由開挖面向前推進而引起，計算時可依據經驗或由現場量測位移分別在同一開挖階段選取不同的地應力釋放系數，據此以反映不同施工階段的變化。

2.2 模型的建立

由ANSYS所建立的二維有限元分析基本模型如圖1所示。

圖1 二維彈塑性有限元分析模型

參考以往工程經驗，對隧道左右兩側及下方巖體選用三倍洞徑作為有限元分析范圍，位移邊界條件采用兩側限制水平方向位移，頂部為自由邊界，底部施加豎向約束。利用ANSYS中單元的“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[6]；隧道的襯砌支護通過激活單元來實現。土體采用Plane42實體單元和平面應變模式，隧道襯砌采用Beam3單元，錨桿采用Link8單元，屈服準則采用Drucker-Prager準則，Ⅳ級圍巖、錨桿及襯砌支護物理力學參數見表1。

表1 數值計算中材料物理力學參數

隧道左洞埋深20m，右洞埋深12m，偏壓角從左至右依次約為46°、15°、8°，模型中有節點1315個，單元1529個。 分四種開挖方法進行對比分析，如圖2-圖5。

圖3 第二種開挖方法（工況二）

圖4 第三種開挖方法（工況三）

圖5 第四種開挖方法（工況四）

2.3 數值計算結果分析

計算分別模擬重力場和隧道開挖施工過程。通過對重慶南山隧道出洞口沖溝淺埋偏壓段工程實例模擬計算，對比分析了隧道施工力學響應行為，得到以下一些主要結論。

2.3.1 圍巖位移特征

位移能夠真實的反映施工變化，是現場監控量測和數值模擬計算中最直觀的參量指標。本文主要對不同開挖順序下隧道拱頂地表沉降、洞內周邊收斂和拱頂下沉位置進行位移分析。四種工況隧道拱頂地表沉降、洞內拱頂下沉和周邊收斂位移變化數據見表2。

由此，我們不難發現，原本是為了公平正義、為學生著想的輪流座位，其實是一種變相的“吃大鍋飯”的行為，是對部分家長的應付、迎合，甚至是討好。

表2 模擬累積變化量與實測累積變化量對比（單位：mm）

偏壓情況下隧道左洞（即深埋側隧道）的地表沉降量和洞內拱頂下沉量均大于右洞，但右洞洞內周邊收斂量大于左洞。開挖順序的變化對隧道位移影響較明顯，若先開挖右洞，工況二位移變化量最大，地表沉降量最終能達到20.02mm，洞內拱頂下沉量最終達到31.54mm，同一開挖方法左洞（即深埋側隧道）的地表沉降量和洞內拱頂下沉量比右洞約大20%；若先開挖左洞，工況四位移變化量最大，地表沉降量最終達到29.61mm，洞內拱頂下沉量最終達到51.91mm，同一開挖方法左洞（即深埋側隧道）的地表沉降量和洞內拱頂下沉量比右洞約大70%。故知，偏壓小凈距隧道先開挖深埋側隧道對洞內周邊收斂比較有利；先開挖淺埋側隧道對洞內拱頂下沉和地表沉降比較有利。

左、右洞開挖順序不同，右洞地表沉降和洞內拱頂下沉累積量總小于左洞，洞內周邊收斂累積量則反之；左、右洞開挖順序相同，同一位置位移累積量幾乎相等。

由于深埋側隧道施工工程中受擾動較大，故分析深埋側隧道地表沉降、洞內拱頂下沉和周邊收斂量隨模擬開挖荷載步變化如圖6-圖8。得知隧道對圍巖的擾動主要發生在上臺階開挖階段，隧道未開挖之前，鄰近隧道開挖對其圍巖擾動較自身開挖對圍巖擾動小得多。

圖6 地表沉降隨荷載步變化圖

圖7 拱頂下沉隨荷載步變化圖

圖8 周邊收斂隨荷載步變化圖

2.3.2 隧道開挖應力特征

通過對不同開挖順序進行數值模擬，當采用工況四的施工工藝時，隧道在整個施工過程中受力最佳，最大第一主應力值為1.61MPa，最大第三主應力值為-2.33MPa，均發生在隧道左洞下臺階左側拱腳初支懸空部位，且表現為應力集中（見圖9-圖10）。

圖10 第三主應力

因此，在施工過程中，必要時應加強壓應力集中區域圍巖抗壓強度（如對于拱腳部分，應加強鎖腳錨桿及混凝土注漿加固等措施，以提高局部承載能力）。淺埋偏壓隧道開挖過程中，隧道兩側圍巖壓力呈不對稱分布，深埋側受壓程度比淺埋側大。故在進行隧道斷面結構設計時，應充分考慮支護結構能夠抵抗偏壓作用引起的不均勻變形。

由于工況四隧道在整個施工過程中受力最佳，因此在施工中應采用工況四的施工工藝，現考慮在工況四下，通過分別取左洞錨桿長度分別為3m、3.5m、4m、4.5m來考察錨桿的受力情況。

（1）左洞上臺階初支和錨桿施作完后，進行下臺階左側開挖時，上臺階左側拱腳局部錨桿軸力突變最大，當左洞錨桿長度為3.5m時，左洞拱腳錨桿拉力突變最大達到576.8kN，且錨桿長度越長拉力越大，因此，施工進行此工序時應注意防止坍塌，及時施作下臺階左側初支。不同錨桿長度左洞錨桿軸力分布如圖11。

圖11 左洞錨桿軸力分布圖

（2）左洞錨桿長度為3m和3.5m時，施作二襯后最終軸力未出現受拉情況，左洞錨桿長度為4m和4.5m時，施作二襯后最終軸力出現了受拉情況，且錨桿長度越長拉力越大。說明前者二襯與初支共同受力抵抗圍巖壓力，后者相對較小；且錨桿長度越長最終二襯受力越小，二襯安全儲備越高。

（3）左洞錨桿長度為4.5m時，隧道施工過程中，左側拱腳初支懸空部位圍巖受力比較均勻，未出現受拉情況，右側拱腳部位出現應力集中，集中拉力為3.28MPa，初支右拱腰位置第三主應力最大達到-9.49MPa。由此可見，當左洞錨桿長度由3m增至4.5m時，圍巖最大拉力由左側拱腳初支懸空部位轉移到右側拱腳部位，最大壓力由左側拱腳初支懸空部位轉移到初支右拱腰部位，提高了左側拱腳初支懸空部位的施工安全性，但在施工工程中應防止初支右拱腰部位出現噴射混凝土開裂、剝離現象。

3 現場實測結果分析

通過對南山隧道沖溝淺埋偏壓段ZK2+734斷面進行一個月的觀測，得到地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂量測結果累積變化量如表2所示。

由于開挖是引起圍巖位移變化的主要因素，而監測工作往往是滯后于開挖工作的，開挖初期釋放掉的部分位移未能在監測數據里反映出來，導致模擬計算值相對偏大，但二者基本相符，反映了計算模型和參數選取的合理性。

4 結論

通過對二維有限元的彈塑性計算在偏壓情況下的小凈距隧道不同開挖方法的位移場和應力場特性對比分析，并與部分實測數據對比驗證了其結果的可靠性，得出以下結論：

（1）偏壓小凈距隧道先開挖深埋側隧道對洞內周邊收斂比較有利，最大累積量為30.81mm；先開挖淺埋側隧道對洞內拱頂下沉和地表沉降比較有利，最大累積量分別為-31.54mm和-20.02mm。故在偏壓小凈距隧道施工時，應根據不同環境選擇合理的開挖方法。

（2）采用工況一施工工藝時，隧道圍巖位移累積量最佳，最大地表沉降累積量為-19.84mm、洞內周邊收斂累積量為34.20mm、洞內拱頂下沉累積量為-31.44mm。采用工況四施工工藝時，隧道在整個施工過程中局部受力最佳，最大第一主應力值為1.61MPa，最大第三主應力值為-2.33MPa，應力集中現象較小。

（3）左洞上臺階初支和錨桿施作完后，進行下臺階左側開挖時，上臺階左側拱腳局部錨桿軸力突變較大，最大可達576.8kN。因此，施工進行此工序時應注意防止坍塌，及時施作下臺階左側初支。

（4）隨著左洞錨桿長度的增加，初支受力逐漸增大，二襯受力逐漸減小，即錨桿長度越長最終二襯受力越小，二襯安全儲備越高；隧道施工過程中，左側拱腳初支懸空部位施工安全性得到提高。

[1]孫鈞.地下工程設計理論與實踐[M].上海：上海科學技術出版社，1996：121-133.

[2]趙陽，王偉筆，楊昌能.偏壓淺埋連拱隧道施工過程的三維數值模擬[J].中南公路工程，2005，30(2):181-184.

[3]申玉生，趙玉光.偏壓連拱隧道圍巖變形的現場監測與分析研究[J].公路，2005(4):194-198.

[4]王磊，傅鋼，汪振偉，等.關于淺埋偏壓隧道合理開挖進尺的討論[C].//第二屆全國巖土與工程學術大會論文集，2006.

[5]朱合華，丁文其.地下結構施工過程的動態仿真模擬分析[J].巖石力學與工程學報，1999，18（5）：558-562.

[6]鄭余朝.深圳地鐵重疊隧道三維數值模擬分析[D].成都:西南交通大學，2000.