淺埋隧道兩種工法的施工力學研究

馮錫勇1 李 歡2

(1重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074 2重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

淺埋隧道兩種工法的施工力學研究

馮錫勇1 李 歡2

(1重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074 2重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

本文基于重慶市江北區(qū)站前路東段回頭匝道的隧道工程為背景，運用Midas/GTS有限元程序分析淺埋隧道在單側(cè)壁導坑法和臺階法施工過程中的力學特性，結(jié)果表明運用單側(cè)壁導坑法施工時能夠很好的控制隧道拱頂?shù)某两盗浚窃诔跗谥ёo受力方面臺階法施工更為合理，沒有出現(xiàn)明顯的偏壓現(xiàn)象，這為今后淺埋隧道設計和施工提供了一些參考。

有限元、淺埋隧道、臺階法、單側(cè)壁導坑法

1引言

重慶市江北區(qū)站前路東段回頭匝道的隧道全長為200m，起訖樁號為HTK0+145～HTK0+345。其中，隧道進洞段、出洞段均采用明挖施工，暗挖段長度為67m，起訖樁號為HTK0+160～HTK0+227。隧道凈寬12.86m，凈高9.049m。隧道圍巖主要是強風化和中風化的泥巖，圍巖等級Ⅴ級，隧道的平均埋深為14m，屬于典型的淺埋隧道。淺埋隧道的施工方法有很多如臺階法、單側(cè)壁導坑法等。本隧道設計單位推薦的方法為單側(cè)壁導坑法，但是在實際施工過程中，施工單位為了施工的方便選用了單側(cè)壁導坑法，為了比較兩種施工方法的安全性，進行了以下兩個問題的主要研究[1]：1、兩種施工方法洞周位移分析；2、兩種施工方法初期支護內(nèi)力分析。

2計算基本情況

2.1 計算參數(shù)

本文所使用的計算參數(shù)見表1、表2

材料參數(shù)表1

2.2 計算情況

淺埋隧道采用兩種施工方法，即單側(cè)壁導坑法和兩臺階法。本次計算范圍橫向取53m，豎向取52m。圍巖采用四節(jié)點等參單元模擬，初期支護采用梁單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬，計算采用摩爾-庫倫屈服準則，圍巖左右邊界取水平約束，下部邊界水平豎直同時約束[2-3]。本次計算采用平面應變理論，計算斷面取在隧道中部，符合平面應變計算理論。計算程序采用Midas/GTS有限元程序進行計算。

(1)兩臺階法施工步驟有限元模型

兩臺階法有限元模型如圖1，相應的開挖步驟模擬圖見圖2-3。

圖1 兩臺階法有限元模型

圖2 上臺階開挖并支護后y方向位移圖

圖3 下臺階開挖并支護后y方向位移圖

圖4 單側(cè)壁導坑法有限元模型

(2)單側(cè)壁導坑法施工步驟有限元模型

單側(cè)壁導坑法有限元模型如圖4，相應的開挖步驟模擬圖見圖2-3。

圖5 單側(cè)壁導坑法左上臺階開挖并支護后y方向位移圖

圖6 單側(cè)壁導坑法左下臺階開挖并支護后y方向位移圖

圖7 單側(cè)壁導坑法右上臺階開挖并支護后y方向位移圖

圖8 單側(cè)壁導坑法右下臺階開挖并支護后y方向位移圖

3計算結(jié)果分析

（1）兩種施工方法的洞周位移

經(jīng)計算兩種施工方法的洞周最大位移見表3

表3 兩種施工方法的洞周位移

由上表可知單側(cè)壁導坑法拱頂沉降量為16.9mm，臺階法為20.6mm；說明單側(cè)壁導坑法能夠有效的控制淺埋隧道拱頂?shù)某两盗浚疃嗄軠p少22.5%。

（2）兩種施工方法的初期支護軸力

經(jīng)計算兩種施工方法的初期支護軸力見下圖

圖9 臺階法初期支護軸力

圖10 單側(cè)壁導坑法初期支護軸力

圖11 臺階法初期支護軸力

圖12 單側(cè)壁導坑法初期支護軸力

注：圖11、圖12的1號單元分布對應圖9、圖10箭頭所指的單元并沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)對應

臺階法周軸最小值位于拱頂處為-77.99 kN，最大值位于右側(cè)拱腰處為55.39kN。

單側(cè)壁導坑法最小值位于左側(cè)拱腰處為-865.818kN，最大值位于右側(cè)拱腰靠上處為49.48kN。

由上圖可知單側(cè)導坑法在淺埋隧道施工時初期支護受力表現(xiàn)為明顯的偏壓狀態(tài)，主要表現(xiàn)為首先開挖一側(cè)承受了絕大多數(shù)的荷載。與此相反運用臺階法施工時隧道初期支護的受力比較合理，沒有出縣明顯的偏壓現(xiàn)象。

4結(jié)論

1、通過有限元計算可知，單側(cè)壁導坑法施工，能夠很好的控制隧道拱頂沉降量，最多能減少22.5%的沉降值；對于淺埋隧道來說這樣施工更加安全，避免了冒頂事故的發(fā)生。

2、在初期支護受力方面，單側(cè)壁導坑法的隧道表現(xiàn)為明顯的偏壓，臺階法的受力表現(xiàn)的更為合理。

3、在進行隧道設計時，設計人員要特別注意隧道的拱腰處，因為不管是臺階法還是單側(cè)壁導坑法，拉應力總出現(xiàn)在隧道的拱腰附近，此處容易出現(xiàn)拉裂縫。

[1]賈永剛,王明年等.雙連拱隧道兩種工法的施工力學分析[J].巖土工程學報2005,11 (24) 増2∶5727-5731

[2]周玉宏,趙燕明,程崇國.偏壓連拱隧道施工過程的優(yōu)化研究[J].巖石力學與工程學報,2002,21(5)∶679–683

[3]綦志富,孫波.大跨度雙跨聯(lián)拱隧道的新奧法施工[J]. 鐵道工程學報,2002,(1)∶62–65

TU7

B< class="emphasis_bold">文章編號1

1007-6344（2015）06-0106-02

馮錫勇，男，（1990-），在讀碩士研究生，研究方向：隧道及巖土工程