淺埋偏壓連拱隧道施工開挖順序研究

田敬軍

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250000)

1 引 言

連拱隧道作為公路隧道重要的結構形式，具有線形流暢、占地面積少、空間利用率高等優點[1]，但連拱隧道主洞開挖跨度較大，開挖與支護相互交叉，諸多工序相互影響，圍巖多次擾動以及臨時支護與永久支護相互之間非同步施工等諸多原因，極易發生圍巖失穩和隧道襯砌結構開裂與破壞現象[2]。

連拱隧道在施工過程中結構較為復雜，圍巖受力體系多次轉換，目前對其研究仍然存在一些不足[3]。軟弱圍巖淺埋偏壓連拱隧道工程，一方面由于軟弱圍巖地質條件，造成隧道本身穩定性問題；另一方面由于連拱隧道地層的不均勻分布或不對稱施工造成結構受力不對稱，增加了隧道穩定性控制難度及工程施工的安全性。當前針對淺埋偏壓連拱隧道開挖順序仍在認識上存在一定差異。

本文基于小尖山連拱隧道，通過建立有限元模型，對“先淺后深”“先深后淺”兩種開挖工法進行數值模擬分析對比，據此提出合理方案，為類似工程施工提供一定參考[4-5]。

2 工程概況及分析

2.1 工程概況

小尖山隧道位于昆明市呈貢區雨花社區，隧道小里程方向接黃馬高速，大里程方向通昆明南站，線路走向為281°，隧道最大埋深約41 m，按連拱隧道設計，洞口采用端墻式洞門。隧道平面位置位于小官山一側，距離山腳較近，隧道縱向全長為超淺埋偏壓結構。隧址區左側為呈貢新區路網，交通較為便利。

隧道區屬昆明盆地邊部剝蝕丘陵地貌，山坡鮮見基巖裸露，植被主要系人工造林，地面高程在2 000～2 050 m之間[6]。

2.2 施工分析

隧道受力方面，一般后行洞開挖會對先行洞已建成支護結構造成影響。兩種開挖方式下受力情況見圖1、圖2。

圖1 “先淺后深”開挖工序結構受力簡圖

圖2 “先深后淺”開挖工序結構受力簡圖

3 有限元模型

3.1 模型構建

針對現場實際情況，本節基于中導洞-三臺階法，通過數值模擬開展淺埋偏壓連拱隧道左、右主洞合理開挖順序研究。

根據圣維南原理，為減小邊界條件對模型的影響，水平方向隧道周邊圍巖至左右邊界長度選取4.5倍跨徑，豎直方向隧道周邊圍巖至下邊界長度同樣選取4.5倍跨徑，隧道埋深一般以選取的地形為主。確定模型尺寸:隧道模型至左右邊界取70 m，至底部距離取70 m，埋深為20 m，邊坡傾角為20°。約束條件:地表為自由邊界，左右邊界受X軸方向位移約束，模型底部邊界受到Y軸方向位移約束[7]，模型見圖3。

圖3 計算模型

3.2 計算參數取值

圍巖及支護參數取值見表1。

表1 材料相關參數取值

4 計算結果及分析

4.1 圍巖位移分析

(1)豎向位移

圖4為方案一與方案二左右側正洞拱頂沉降和底部仰拱隆起云圖。隧道開挖完成后，方案一和方案二主洞拱頂沉降值最大分別為9.94 mm、10.09 mm，而底部仰拱隆起最大值分別為2.39 mm、2.08 mm。方案一最大沉降值出現在后行洞拱頂處，隆起最大值出現在后行洞底部仰拱；方案二最大沉降值出現在先行洞拱頂處，隆起最大值出現在先行洞底部仰拱[8-10]。

圖4 圍巖豎向位移

(2)水平位移

圖5為方案一與方案二正洞水平收斂云圖。隨著開挖進行，斷面開始收斂，采用方案一隧道開挖完成后，主洞最大水平位移為2.31 mm，出現在后行洞左、右拱腳處；方案二主洞最大水平位移為2.29 mm，出現在先行洞右拱腳處。

圖5 圍巖橫向位移

由表2可知，“先淺后深”開挖方案圍巖豎向變形比“先深后淺”開挖方案小，而水平變形比“先深后淺”開挖方案大。

表2 不同開挖順序圍巖位移

4.2 初支受力分析

兩方案初支所受到的主拉應力和主壓應力最大值見表3。

表3 不同開挖順序初支應力

4.3 中隔墻受力分析

中隔墻在兩方案下所受到的最大主應力、最小主應力和剪應力見表4。

表4 不同開挖順序中隔墻應力

兩方案開挖順序，中隔墻局部均會出現拉應力，若拉應力超過安全值，其穩定性就會受到威脅。隧道開挖與支護完成后，由于存在圍巖擾動影響、支護結構加載，方案一與方案二的主拉應力主要分布在中隔墻底部位置，偏壓作用使主拉應力集中在淺埋一側；主壓應力主要分布在中隔墻拱腰內部，無論方案一與方案二，最大主壓應力主要偏向先行洞一側，而剪應力主要分布在中隔墻拱腳。

從隧道圍巖位移變形情況、支護結構應力以及中隔墻應力情況進行分析，可以認為以中導洞-三臺階法“先淺后深”的方案比“先深后淺”的方案合理。先開挖淺埋側主洞可以減小地形偏壓帶來的不利影響，有利于緩解隧道開挖過程中，中隔墻及其初期支護結構受力狀態，有利于施工安全有序進行，但不能忽視左洞圍巖支護[11-12]。

5 監控數據分析

5.1 應變分析

采用方案一施工，為保證工程安全有序進行，選取K0+790、K0+880兩個斷面作為監測斷面，對監控斷面進行二襯受力應變測量，再將監測數據和數值模擬結果進行對比分析。

兩斷面圍巖等級均為Ⅴ級，巖性均為強風化灰巖。由于深埋側初支受力較大，所以重點對右洞進行監測，監測結果見圖6。

圖6 后行洞(右洞)斷面二襯應變

數值模擬最終結果如表5所示，提取斷面K0+790、斷面K0+880后行洞二襯各部位實際測量數據與模擬結果相對比，各部位數值相近，但是斷面K0+790相較于斷面K0+880所得到的曲線更加相似，表明采用方案一更能夠保障施工安全，見圖7。

表5 后行洞(右洞)二襯應變數值模擬結果

圖7 后行洞兩斷面二襯應變對比曲線

5.2 中隔墻頂部壓力分析

采用壓力盒、應變計對中隔墻頂部應力進行采集監測。中隔墻頂部壓力盒布置見圖3，監測結果見圖8。

圖8 中隔墻頂部壓力變化曲線

斷面K0+790實測數值相較于斷面K0+880不穩定，主要是由于中隔墻上部地形高差較大，導致圍巖受到不均勻壓力，而且邊坡土體的不穩定性導致土體產生水平方向推力，因此斷面K0+790的T2曲線出現近似線性向上[13-14]。

6 結論

本文以小尖山連拱隧道為依托工程，采用實際監測和數值模擬等方法，探討兩種不同開挖方案下圍巖變形、初支應力和中隔墻應力變化規律，分析可知:

(1)從圍巖位移角度分析，“先淺后深”開挖方案拱頂沉降變形比“先深后淺”開挖方案小，“先淺后深”開挖方案的底部隆起值與水平位移值均比“先深后淺”開挖方案大。在公路隧道對拱頂沉降量控制較為嚴格，考慮到“先淺后深”開挖方案拱頂沉降值較小，推薦采用“先淺后深”開挖方案。

(2)從初支受力角度分析，“先淺后深”開挖方案與“先深后淺”開挖方案的初支主壓應力均較小，小于混凝土極限承載力。“先淺后深”開挖方案在拱頂與底部位置處的初支主拉應力比“先深后淺”開挖方案大，但均處于混凝土極限抗拉強度范圍內，主拉應力僅在局部小范圍內出現較大應力，對結構影響不大。

(3)從中隔墻受力角度分析，“先淺后深”開挖方案主拉應力值比“先深后淺”開挖方案稍大，遠小于混凝土極限抗壓強度值；“先淺后深”開挖方案的主拉應力值比“先深后淺”開挖方案稍大，但均小于混凝土極限抗拉強度值。“先淺后深”開挖方案剪應力值比“先深后淺”開挖方案剪應力值小，考慮到中隔墻通常發生剪切破壞，推薦采用“先淺后深”開挖方案。

(4)根據實際監測得到的位移數據和應力數據與數值模擬結果的對比分析，可知以中導洞-三臺階法的“先淺后深”開挖安全、可行，并能滿足淺埋偏壓連拱隧道的施工安全。