小間距公路隧道穿越斜坡體施工穩定性分析

劉金山（中交隧道工程局有限公司，北京　100102）

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小間距公路隧道穿越斜坡體施工穩定性分析

劉金山
（中交隧道工程局有限公司，北京100102）

摘要隨著我國交通基礎設施建設的快速發展，在中西部眾多的新建公路中，修建隧道成了不可缺少的部分；而由于地形條件限制，小間距公路隧道往往成為最佳的選擇。本文結合具體工程，通過MIDAS NX軟件模擬，對小間距隧道開挖順序、施工方法、兩線掌子面距離等因素進行了分析，并提出了相應觀點，為后續工程提供技術支持。

關鍵詞小間距隧道；斜坡；穩定性；數值分析

1　工程概況

三門峽至淅川高速公路賽嶺隧道，地處河南省西峽縣桑坪鎮。隧道分左右線兩幅，測設線間距為13～18 m，左線長為2 517 m，最大埋深225 m，右線長為2 508 m，最大埋深235 m，雙向4車道，設計速度80 km/h，隧道凈寬10. 25 m，隧道凈高5 m。

賽嶺隧道屬低中山地貌，海拔高程為870～1 120 m。進洞口段位于兩沖溝之間，洞身段位于山體坡頂部位，坡頂溝壑發育，出口段為峽河的源頭沖溝。進出洞口節理較發育，出口處有不穩定折線斜坡體，隧道施工易使隧道應力及位移變化，影響隧道圍巖變形，威脅隧道施工安全。

2淺埋小間距公路隧道施工影響分析

本文通過MIDAS NX軟件模擬，對小間距隧道開挖施工順序、施工方法、兩線掌子面距離等因素進行分析，總結小間距淺埋公路隧道相互影響及其規律。

2. 1模型的建立

模型左右兩側和下部取3倍隧道洞徑長度為邊界，上部取自由地表面，初始應力場只考慮自重應力，假設圍巖為彈性，采用D-P屈服準則，襯砌結構采用梁單元模擬。計算模型如圖1所示，材料力學參數見表1。

2. 2隧道開挖對斜坡的影響

斜坡體處于淺埋隧道洞口段，隧道開挖會導致邊坡巖體的不穩定，甚至滑移。下面依據計算結果分析隧道開挖前后斜坡的變化情況及發展規律。

2. 2. 1隧道開挖前的初始應力場

圖2、圖3為坡體在自重作用下，三維計算模型中最大主應力和最小主應力在典型剖面上的分布圖。從圖2可以看出，在自重應力場環境條件下，隨坡體深度的增加壓應力逐漸增加，只在表面局部地區有拉應力存在。

圖1　三維計算模型

表1　材料力學參數

圖2　自重力下最大主應力（單位：kPa）

圖3　自重力下最小主應力（單位：kPa）

2. 2. 2隧道開挖后斜坡的應力場（圖4）

圖4　開挖后最大主應力（單位：kPa）

受淺埋隧道開挖影響，坡體受力在開挖后也進行了重新分布，坡體應力、位移都有相應變化。形成了新的坡體變形發展空間。從圖4可以看出，洞口處出現拉應力，對圍巖的穩定性極為不利。

2. 2. 3隧道開挖后斜坡形變場

隧道開挖后，坡體產生以隧道軸線為中心，向兩側呈扇形對稱的變形，產生了垂直位移并在洞口段產生了附加水平力位移，表明坡體有了移動的趨勢，應在施工中加強洞口段的加固和支護措施。

2. 3隧道開挖順序及開挖方式的影響

小間距隧道采用的施工方法主要有全斷面法、臺階法（包括長臺階法、短臺階法、微臺階法），分部開挖法（環形開挖預留核心土法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、中洞法、交叉中隔壁法）。隨著凈距的增加相互間的影響相應減弱，對沉降影響也相對較小，所以施工方法研究主要集中在圖5所示的4種方案。4種方案均分別進行了先左后右、先右后左的數值模擬。左右導洞開挖滯后10 m距離，每個導洞錯開5 m，初支滯后開挖土體一步施作。

圖5　施工方法組合

為最大限度減少邊界約束對計算結果的影響，選取A剖面（見圖1）來進行分析。通過數值模擬，得到了不同施工方案在單洞、雙洞完成后，A剖面典型算點地表沉降值，如表2所示。從表2中4種開挖方案數據可以看出，無論哪側先行開挖，隨著先行開挖隧道距離增加，圍巖逐漸自穩，后開挖隧道開挖完后，相同算點圍巖沉降值基本沒有發生變化。故無論哪側先行，對地表影響不大。這是因為左右兩洞在同一斷面處，拱頂距離地表深度相差不大，沒有形成偏壓，故兩洞的先后施工順序的影響很小。

2. 4左右洞掌子面距離影響分析

對于淺埋小凈距隧道，由于相互影響，在施工中需結合工程經驗確定合理的兩線隧洞掌子面距離，以確保工程安全、快速推進。本文在穩定性分析過程中，左右洞掌子面之間距離Df取0，10，20，30 m 4種工況。

2. 4. 1圍巖豎向位移

采取先左后右的開挖方式，以右洞為研究對象，不同掌子面間距情況下，斜坡豎直方向位移圖如圖6所示。分析圖6得出，后開挖掌子面沉降值與兩掌子面距離成反比，位移隨著掌子面距離增大而減小，最終分布形式趨于一致。所以，圍巖位移的基本分布主要由洞室的最終形狀決定，掌子面間距僅對數值大小有一定的影響。

2. 4. 2洞室豎向位移

表3為拱頂及仰拱在Df為0，10，20，30 m時洞室豎向位移計算結果。可見左右拱頂沉降值與掌子面距離明顯成反比，當左右洞掌子面間距為0時，洞室拱頂沉降及仰拱上升位移明顯相對于其它幾種情況較大，而左右洞掌子面間距10，20，30 m時總體數值均相差不大，豎向收斂值也基本相同。所以，左右兩側掌子面距離變化對洞室本身的豎向位移影響很小。

2. 4. 3襯砌內力

表4、圖7為Df分別為0，10，20，30 m時隧道襯砌內力的分析結果。由分析結果可知：兩洞襯砌結構拉應力隨著兩洞掌子面距離的增大先減小后增大：當兩洞掌子面距離為0時，襯砌結構所承受的拉應力高達3 121 kPa，已經超過了C30混凝土的抗拉強度設計值（1. 43 MPa）；在10 m間距和20 m間距情況下，拉應力減小了11 kPa，當距離＞20 m之后，襯砌的拉應力有所增大。在壓應力方面：隨著掌子面距離10～30 m變化，壓應力不斷減小，壓應力的變化速率也在逐漸減小。從結構受力分析得出，在本文的工程情況下，左右洞掌子面距離選用15 m左右為宜。

表2　4種施工方案單、雙洞地表沉降值　mm

圖6　斜坡豎向位移云圖（單位：mm）

表3　拱頂、仰拱位移對比

表4　襯砌結構應力值

圖7　襯砌結構應力云圖（單位：kPa）

3　結論

小間距淺埋公路隧道開挖后斜坡發生較大變化，產生明顯垂直位移、水平位移。兩線隧道掌子面開挖距離對圍巖豎向變形及洞室的豎向收斂基本沒有影響。開挖方法相同、開挖順序不同對位移沒有明顯影響，根據地質條件宜采用臺階法、CD法或者二者組合。二次襯砌結構受力與掌子面距離成反比，通過綜合分析小間距淺埋公路隧道開挖距離及各個因素的影響，開挖面相距15 m左右較為適宜，有利于小間距隧道安全穩定施工。

參考文獻

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（責任審編孟慶伶）

Analysis on Construction Stability of a Highway Tunnel with Small Space Apart Passing Through Inclined Slopes

LIU Jinshan
（CCCC Tunnel Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

AbstractW ith rapid development of infrastructure construction in China，tunnel is an inevitable structure in newly built highway，especially in mid-west area. T unnel with small space apart is a favourable choice due to the limitation of topography. T he tunnel with small space apart was analysed through simulation using M IDAS NX. T he excavation sequence，construction method and two-line distance were studied. Corresponding suggestion was proposed.

Key wordsT unnel with small space apart；Inclined slope；Stability；Simulation analysis

中圖分類號U455. 4

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 17

文章編號：1003-1995（2016）06-0062-04

收稿日期：2016-01-05；修回日期：2016-03-20

作者簡介：劉金山（1975—），男，高級工程師，碩士。