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壁導坑法和臺階法施工過程中的力學特性，結果表明運用單側壁導坑法施工時能夠很好的控制隧道拱頂的沉降量，但是在初期支護受力方面臺階法施工更為合理，沒有出現明顯的偏壓現象，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、單側壁導坑法

1引言

重慶市江北區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、單側壁導坑法等。本隧道設計單位推薦的方法為單側壁導坑法，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力分析。

2計算基本情況

2.1 計算參數

本文所使用的計算參數見表1、表2

材料參數表1

2.2 計算情況

淺埋隧道采用兩種施工方法，即單側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 單側壁導坑法有限元模型

(2)單側壁導坑法施工步驟有限元模型

單側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 單側壁導坑法左上臺階開挖并支護后y方向位移圖

圖6 單側壁導坑法左下臺階開挖并支護后y方向位移圖

圖7 單側壁導坑法右上臺階開挖并支護后y方向位移圖

圖8 單側壁導坑法右下臺階開挖并支護后y方向位移圖

3計算結果分析

（1）兩種施工方法的洞周位移

經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

由上表可知單側壁導坑法拱頂沉降量為16.9mm，臺階法為20.6mm；說明單側壁導坑法能夠有效的控制淺埋隧道拱頂的沉降量，最多能減少22.5%。

（2）兩種施工方法的初期支護軸力

經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，最大值位于右側拱腰處為55.39kN。

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

由上圖可知單側導坑法在淺埋隧道施工時初期支護受力表現為明顯的偏壓狀態，主要表現為首先開挖一側承受了絕大多數的荷載。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象。

4結論

1、通過有限元計算可知，單側壁導坑法施工，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生。

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

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壁導坑法，拉應力總出現在隧道的拱腰附近，此處容易出現拉裂縫。

[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