邊坡開挖對下臥鐵路隧道影響的數值分析

楊耀

(長沙城市發展集團有限公司， 湖南 長沙 410011)

為緩解日趨嚴峻的交通壓力，鄰近隧道施工的新建市政道路和道路拼寬改建工程逐漸增多。新建構筑物與相鄰既有隧道之間發生相互作用，會造成既有隧道結構周圍土體應力重分布，這種作用取決于構筑物與隧道之間的位置關系、新建構筑物的規模、施工方法和既有隧道的結構狀況、健全度等因素。該文對某國道邊坡開挖上跨鐵路隧道工程進行三維有限元分析，動態模擬邊坡開挖的分層放坡施工過程，對既有鐵路隧道的變形特性及內力分布進行預判，對邊坡開挖施工提出建議。

1 工程概況

該工程現狀道路斷面寬24.5 m，為雙向四車道一級公路，瀝青路面，路面標高約38 m。位于山體的半山腰，采用半填半挖防護形式。西側為自然山體，山頂高程約90 m，老路西側邊緣采用挖方形式，挖方邊坡高度約10 m、坡度約90°。改建后采用38 m路基斷面，邊坡采用階梯式放坡開挖，開挖最大高度約38.7 m(見圖1)。

圖1 邊坡開挖橫斷面(單位：m)

隧道長1.2 km，高約8.25 m，跨度5.9 m，襯砌厚0.5 m。隧道與老路東側邊緣平面距離約13 m，山體開挖對隧道平面影響范圍距洞口0～130 m，影響范圍內隧道埋深10～36 m，Ⅳ級圍巖。入口處隧道斷面結構形式見圖2。

圖2 隧道橫斷面(單位：cm)

2 邊坡開挖對隧道結構影響的仿真模擬

山體開挖對既有隧道結構的影響是個典型的三維問題。為從整體上把握開挖過程中隧道結構的不均勻變形及附加內力，考慮隧道結構與圍巖的相互作用并模擬山體開挖過程，結合工程地質條件及邊坡施工方案，選用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維數值計算模型，分析邊坡施工對既有隧道的影響。

2.1 模型參數

根據工程地質資料，按圍巖級別綜合考慮，該項目涉及的圍巖物理力學參數見表1。該隧道建成于1961年，已運營很長時間，對隧道襯砌砼強度采用回彈法進行檢測，襯砌砼材料的物理力學參數見表2。計算模型的邊界約束為：模型底部約束Z方向，左右兩側約束X方向，前后約束Y方向。

表1 地層的物理力學參數

表2 襯砌結構的物理力學參數

2.2 模型假定

(1) 地層土體本構模型采用莫爾-庫倫彈塑性模型，隧道襯砌結構采用線彈性模型。

(2) 采用三維實體模擬巖土體，隧道襯砌結構采用板殼單元模擬。

(3) 因隧道服役時間較長，計算時不考慮初期支護的作用；從偏安全角度考慮，邊坡開挖后不考慮邊坡支護作用。

(4) 隧道開挖應力釋放40%，襯砌施作應力釋放60%，即襯砌結構承擔60%的圍巖壓力。

2.3 施工過程模擬

三維動態施工模擬主要流程：1) 計算場地初始地應力場；2) 隧道開挖(應力釋放40%)；3) 施作二次襯砌(應力釋放60%)；3) 從上至下分層分塊開挖邊坡土體，邊坡土體根據放坡級數共分為4層，每級開挖高度沿道路方向變化，最大為10 m；4) 邊坡開挖完成后，施加汽車荷載，采用公路-Ⅰ級、六車道加載，沖擊系數取1.3。

2.4 有限元模型

山體邊坡開挖長度約120 m，局部開挖寬度約48 m，為涵蓋整個開挖區域，模型范圍取水平方向120 m、縱向183 m，豎向取至地表，隧道以下部分取至隧道底部以下33 m。計算模型見圖3～5。

圖3 計算模型整體網格

2.5 數值模擬結果分析

從山體邊坡放坡開挖引起的整體變形、隧道襯砌結構變形和受力等方面進行分析。

2.5.1 模型整體位移分析

圖6為山體邊坡開挖完成后邊坡周邊整體豎向位移云圖，圖7為開挖完成后新增汽車荷載時整體豎向位移云圖。

圖4 邊坡放坡開挖后模型

圖5 隧道襯砌模型及與邊坡的位置關系

由圖6、圖7可知：山體邊坡開挖卸荷引起坡面和坡底土體出現一定隆起變形，隨著開挖卸荷規模的增大，隆起變形值逐漸增大。但總體而言隆起變形不大，從第1層土體開挖到邊坡開挖完成，最大隆起變形為7.4 mm。開挖完成新增汽車荷載作用后，隆起變形變為7.3 mm，減少0.1 mm。

圖6 開挖完成時邊坡豎向位移云圖(單位：mm)

圖7 新增汽車荷載時邊坡豎向位移云圖(單位：mm)

2.5.2 隧道襯砌結構變形分析

圖8為開挖完成后隧道襯砌結構豎向變形云圖，圖9為開挖完成后新增汽車荷載時隧道襯砌結構豎向變形云圖，圖10為不同開挖階段隧道拱頂沿線豎向位移變化曲線。

圖8 開挖結束時襯砌結構豎向變形云圖(單位：mm)

圖9 新增汽車荷載時襯砌結構豎向變形云圖(單位：mm)

圖10 隧道襯砌結構隆起變形曲線

由圖8～10可知：1) 邊坡土體開挖造成隧道覆土減薄，發生豎向卸荷，導致隧道結構產生以豎向隆起位移為主的變形。2) 隨著邊坡開挖逐漸下移，即開挖范圍和深度的增加，隆起變形逐漸加大，邊坡開挖完成時襯砌位移達到最大，最大豎向位移為3.5 mm。3) 新增汽車荷載后，隧道最大豎向位移變為3.4 mm，減少0.13 mm。可見，汽車荷載的影響相當于覆土壓重，可減少隧道襯砌結構隆起變形。4) 總體而言，邊坡開挖引起的隧道襯砌結構變形較小。

2.5.3 隧道襯砌結構內力分析

圖11、圖12分別為模型60 m處襯砌結構典型斷面的軸力和彎矩，表3為邊坡開挖過程中隧道襯砌內力變化量。襯砌內力變化取為絕對值(內力變化=|襯砌初始內力-開挖i步襯砌內力|)，以便對比開挖前后內力差異，分析內力增量。

圖11 典型斷面襯砌軸力(單位：kN)

圖12 典型斷面襯砌彎矩(單位：kN·m)

表3 邊坡開挖期間隧道襯砌內力變化(絕對值)

由圖11、圖12、表3可知：1) 邊坡開挖前，隧道襯砌結構X方向軸力最大值為-1 057.3 kN，彎矩最大值為123.3 kN·m；邊坡開挖結束時，隧道襯砌結構X方向軸力最大值為-1 015.7 kN，彎矩最大值為118.6 kN·m，比開挖前分別減小41.6 kN、4.7 kN·m，軸力減小幅度大于彎矩，使隧道受力偏心距增大，對結構不利。邊坡開挖前，Y方向軸力最大值為-529.6 kN，彎矩最大值為-20.4 kN·m；邊坡開挖結束時，隧道襯砌結構Y方向軸力最大值為-553.0 kN，彎矩最大值為-34.1 kN·m，比開挖前分別增加24 kN、13.7 kN·m。隧道軸線方向的不均勻變形使隧道沿軸線方向內力增加，但增幅不大。2) 邊坡開挖前后，X方向軸力最大變化量達687.3 kN，彎矩最大變化值為51.4 kN·m；Y方向軸力最大變化量達409.3 kN，彎矩最大變化值為24.9 kN·m。由于邊坡開挖卸載，隧道襯砌結構內力變化明顯。3) 新增汽車荷載與無汽車荷載作用時相比，隧道襯砌X方向軸力最大變化量為32.6 kN，彎矩最大變化值為2.3 kN·m；Y方向軸力最大變化量達20.5 kN，彎矩最大變化值為1.1 kN·m，為施工期間襯砌內力最大變化量的4%～5%。由于應力擴散作用，汽車荷載對襯砌結構內力的影響較小。4) 從60 m橫斷面處的隧道內力來看，隨著邊坡開挖卸荷范圍和規模的增大，隧道襯砌結構受力狀態和內力分布形態均發生變化，其中拱部所受影響最大。

2.5.4 隧道襯砌結構主應力分析

表4、表5分別為邊坡開挖過程中隧道襯砌主應力和主應力變化量。襯砌主應力變化取絕對值(應力變化=|襯砌初始應力-開挖i步襯砌應力|)，以便討論開挖前后應力差異，分析應力增量。

表4 邊坡開挖期間隧道襯砌主應力最大值 kPa

表5 邊坡開挖期間隧道襯砌主應力變化(絕對值) kPa

由表4、表5可知：1) 邊坡開挖前，隧道襯砌結構第一主應力最大值為1.15 MPa，邊坡開挖結束時變為1.48 MPa，比開挖前增加0.33 MPa，增幅最大部位位于距洞口67.3 m處。既有隧道老舊，現場觀察發現其襯砌砼狀況尚可；現場回彈試驗結果顯示襯砌砼強度等級約為C18，則其極限抗拉強度為1.6 MPa，邊坡開挖結束時襯砌最大拉應力值未超過其抗拉強度極限值。根據以往經驗，對于Ⅳ和Ⅴ級圍巖，巖體力學方法(數值計算)計算結果比荷載-結構法計算結果大。此外，參考公路隧道結構計算經驗及設計規范，對于Ⅳ級圍巖地段，二次襯砌承擔20%～40%的應力釋放荷載，而該項目取為60%的應力釋放荷載。從這些角度來看，計算所得結論偏于保守。2) 邊坡開挖前，隧道襯砌結構第三主應力最大值為-4.8 MPa，邊坡開挖結束時變為-4.49 MPa，比開挖前減少0.31 MPa。但總體而言，襯砌受到的壓應力不大，遠小于其抗壓強度。3) 邊坡開挖前后，隧道襯砌結構第一主應力最大變化量達0.88 MPa，第三主應力最大變化量達2.06 MPa。由于邊坡開挖卸載，隧道襯砌結構主應力變化明顯，與襯砌內力變化趨勢一致。4) 新增汽車荷載與無汽車荷載作用時相比，隧道襯砌第一主應力最大變化量為0.064 MPa，第三主應力最大變化量為0.12 MPa，分別為施工期間應力最大變化量的7.3%和5.7%。由于應力擴散作用，汽車荷載對襯砌結構主應力的影響較小。

3 結論

綜合分析該改建工程的相關資料，結合山體邊坡開挖情況、下臥隧道結構特點，采用三維數值計算方法進行邊坡開挖對隧道結構影響分析。根據計算結果，邊坡放坡開挖施工對既有隧道有一定影響，在不進行邊坡支護、地層加固或隧道結構補強加固的情況下，襯砌結構所受最大拉應力較接近砼極限抗拉強度，結構安全儲備不夠。主要結論如下：1) 山體邊坡開挖卸荷引起坡底土體出現一定隆起變形，整個開挖過程中土體最大隆起變形為7.4 mm。2) 邊坡土體開挖引起的隧道變形以豎向隆起位移為主，最大豎向位移為3.5 mm。總體而言，邊坡開挖引起的隧道襯砌結構變形較小。3) 由于邊坡開挖卸載，隧道襯砌結構受力狀態和內力分布形態均發生明顯變化。總體而言，隧道襯砌橫向內力減少、縱向內力增加。4) 邊坡開挖前后，隧道襯砌第一主應力和第三主應力變化量最大分別達0.88、2.06 MPa，邊坡開挖卸載導致隧道襯砌結構主應力發生明顯變化。在整個邊坡開挖過程中，隧道襯砌結構的最大拉應力和最大壓應力均未達到其材料極限強度，但結構的抗拉強度富裕量不大，施工中應密切關注隧道襯砌結構的變形與受力變化。5) 由于應力擴散作用及地表荷載引起地層附加應力隨深度逐漸減小，新增汽車荷載對隧道襯砌結構受力和變形的影響較小。

根據緊鄰隧道開挖工程案例，結合該項目邊坡開挖工程特點及既有隧道結構特點進行分析，邊坡開挖施工對隧道結構的主要影響體現在：因隧道上部開挖，土壓被解除，會導致垂直荷載減少、側壓增大、拱頂向上變形；隧道埋深減少，會損傷原有卸荷拱作用；邊坡開挖卸荷會造成隧道發生隆起變形，且存在不對稱情況，可能使襯砌結構處于偏壓狀態，遠離開挖處的隧道結構受到的影響較小，從而使隧道結構產生縱向不均勻變形和附加內力，影響隧道結構的使用安全。