淺埋偏壓連拱隧道開挖工序的數(shù)值模擬

劉俊佳

[同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市道路功能需求的逐漸增加，對隧道斷面的要求也越大[1]，建設(shè)中出現(xiàn)了許多大斷面以及超大斷面隧道，目前國內(nèi)已經(jīng)建成或在建的雙向八車道隧道有：福州金雞山隧道、大連韓家?guī)X隧道、深圳雅寶隧道，這些隧道均為雙向8 車道，隧道內(nèi)輪廓超過18 m 的大跨度雙連拱隧道。連拱隧道圍巖荷載分布和支護力學(xué)特性較為復(fù)雜，施工工序多，巖體和支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。在二次襯砌施加前，設(shè)計時有必要對開挖工序中的初支結(jié)構(gòu)的強度與穩(wěn)定性進行分析與驗算。

1 工程概況

湖南某市政道路需下穿一山體，道路設(shè)計時速50 km/h，為雙向8 車道，左右兩側(cè)設(shè)置人非車道。由于城市總體規(guī)劃對山體保護的政策，設(shè)計采用了暗挖法施工。隧道全長約320 m，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計雙連拱隧道，外加兩側(cè)人非洞室，主洞開挖寬度18.3 m，人非洞室開挖寬度8.5 m，距離主洞水平距離6 m。隧道圍巖主要為泥質(zhì)板巖及砂質(zhì)板巖，為Ⅳ-Ⅴ級圍巖。

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG 3660—2020）[2]，該隧道主洞屬于大跨度隧道（B≥18 m），人非隧洞屬于小跨度隧道（B＜9 m），隧道屬于短隧道（≤500 m）。

隧道下穿山體平均高度僅有45～60 m，隧道平均埋深僅有20～0 m，按照隧道深淺埋法[3]，臨界埋深為48 m，該隧道埋深遠(yuǎn)小于臨界深度，屬于超淺埋。而且隧道所處山體起伏較大，整個隧道均處于偏壓的受力狀態(tài)。

隧道采用復(fù)合式襯砌，初支為φ22 系統(tǒng)錨桿+250 mm 厚C25 混凝土+ 鋼筋網(wǎng)片+ 工字鋼，二襯為700 mm 厚C30 鋼筋混凝土。超前支護形式為φ42的鋼管。采用護拱+φ108 大管棚輔助進洞。洞口山腳處設(shè)置偏壓重力擋墻，與隧道護拱及二襯結(jié)構(gòu)相連。

隧道進洞口處先行施工護拱及偏壓擋墻。進洞后隧道開挖工法采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，如圖1 所示序號：中導(dǎo)洞先行貫通—開挖左右主洞上臺階外側(cè)—開挖左右主洞下臺階外側(cè)—開挖左右主洞上臺階內(nèi)側(cè)—開挖左右主洞下臺階內(nèi)側(cè)—開挖左右主洞中臺階上、中、下部—開挖人非隧洞—隧道頂部淺埋處回填。

圖1 隧道橫斷面圖（單位：mm）

由于隧道開挖跨度大、開挖工序繁多、結(jié)構(gòu)及山體受力復(fù)雜，按《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）應(yīng)進行地層荷載法模擬隧道開挖過程中襯砌內(nèi)力及位移，同時應(yīng)采用強度折減法計算開挖過程中山體邊坡的穩(wěn)定性計算。

2 反演預(yù)測方法及模型建立

2.1 模型簡介

選取隧道主洞進洞口處偏壓最不利的斷面計算，該處山體高度45 m，山體自然坡率約1∶1.7，主要地層為強風(fēng)化- 中風(fēng)化板巖，局部含全風(fēng)化泥化夾層。主洞的覆土高度分別為7 m，1 m，內(nèi)側(cè)主洞及人非隧洞處存在斷層碎裂巖。

采用plaxis 2d 有限元軟件進行連拱隧道開挖工序的模擬。如圖2 所示，模型長280 m，高120 m，隧道圍巖類型碎裂巖、強風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖，采用平面單元模擬。系統(tǒng)錨桿采用植入式桁架單元、隧道襯砌及偏壓擋墻采用板單元模擬。隧道周邊網(wǎng)格進行優(yōu)化加密。

圖2 數(shù)值計算模型

2.2 計算參數(shù)及計算工況

計算模型中，巖土體為摩爾庫倫本構(gòu)、支護結(jié)構(gòu)為線彈性本構(gòu)。材料參數(shù)如表1 所示。

表1 主要數(shù)值模擬計算參數(shù)

計算工況應(yīng)盡可能模擬雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖支護過程，同時考慮巖土的時空效應(yīng)，Ⅴ級圍巖開挖的瞬間釋放30%左右的應(yīng)力，剩下的應(yīng)力由初支和二襯來承擔(dān)。本計算為提高襯砌結(jié)構(gòu)的安全富裕度，適當(dāng)提高支護結(jié)構(gòu)期間荷載釋放系數(shù)，工況時設(shè)置初支和二襯荷載釋放系數(shù)分別0.6 和0.4，見表2。

表2 主要數(shù)值模擬工況

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 山體穩(wěn)定性

如圖3 所示，自然狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)為1.7，潛在滑動面穿過碎裂巖從中隔墻的位置剪出。如圖4 所示，偏壓擋墻及中隔墻澆筑完成后安全系數(shù)略有提高為1.9，潛在滑動面穿過中隔墻基底。中隔墻澆筑完成后，中隔墻的位移模式為整體下移，下移量5.3 mm。左右主洞的外側(cè)上臺階完成初支后安全系數(shù)為2.0，左右主洞的外側(cè)上下臺階完成初支后安全系數(shù)為2.1，左右主洞的內(nèi)、外側(cè)完成初支后安全系數(shù)為1.8，主洞全部開挖完成初支后安全系數(shù)為1.7，如圖5 所示。隧道完成二次襯砌后，山體的安全系數(shù)為2.6，未觀測到明顯的滑動面。

圖3 原始山體邊坡滑動面云圖（安全系數(shù)1.7）

圖4 中隔墻澆筑完成后邊坡滑動面云圖（安全系數(shù)1.9）

圖5 隧道主洞開挖完成后邊坡滑動面（安全系數(shù)1.7）

在隧道開挖施加初支的過程中，山體邊坡的安全系數(shù)先增大后降低。初支全部施加完成后，邊坡穩(wěn)定性和原始邊坡的安全系數(shù)相近，二襯全部施加完成后，山體邊坡安全系數(shù)大幅度增高，山體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3.2 初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力強度

隨著開挖的進行,初支結(jié)構(gòu)上內(nèi)力和位移逐漸增大，當(dāng)左右兩主洞開挖完成后,初支內(nèi)力最大。由圖6和7 可以看出，在開挖過程中左洞初支所受的軸力始終較大，而左洞初支彎矩先是小于右洞，而后大于右洞。當(dāng)進行到圖1 所示的開挖工序10 時，即左洞內(nèi)部土被完全挖除之前。右洞所受的軸力較小而彎矩較大，初支結(jié)構(gòu)承受較大的偏心作用，此階段對右洞的初支結(jié)構(gòu)為不利階段。隨著開挖的進行到第10步之后，右洞左側(cè)的巖土體被完全挖除轉(zhuǎn)而由初支結(jié)構(gòu)替代后，對右洞邊坡推力減少，偏壓狀態(tài)得到緩解。盡管左洞承受一定的彎矩，但每步開挖過程中軸壓作用明顯，與中隔墻、偏壓擋墻形成一個整體，偏壓狀態(tài)處于可控的范圍內(nèi)。

圖6 開挖過程中主洞初支軸力最大值

圖7 開挖過程中主洞初支彎矩最大值

初支包含系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片及鋼拱架。主體受力結(jié)構(gòu)是鋼拱架，噴射混凝土分擔(dān)了軸向壓力，系統(tǒng)錨桿可等效成鋼拱架梁的彈性支點，從而減小了彎矩。

本計算得到的初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布規(guī)律：彎矩和剪力的極值點在左洞左下臺階右端點，彎矩為217.7 kN·m/m，剪力為-333.3 kN/m，軸力為100.5 kN/m；軸力極值點發(fā)生左洞拱頂處軸力為1 672 kN/m，彎矩和剪力數(shù)值較小，可忽略不計；拱腳處（起拱線）彎矩200 kN·m/m，剪力300 kN/m，軸力120 kN/m。

初支由噴射混凝土和型鋼骨架組成，型鋼間距0.5 m，噴射混凝土厚度0.25 m。

取每延米型鋼（間距0.5 m）+噴射混凝土的組合截面彎矩設(shè)計值1.25×217.7=272 kN·m，剪力設(shè)計值1.25×333.3=416 kN，軸力1.25×100.5=126 kN。由《公路隧道設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70—2010）[4]，噴射混凝土分擔(dān)較多的軸力，而不承擔(dān)彎矩。而鋼拱架同時承擔(dān)全部的彎矩，同時與噴射混凝土按抗壓剛度分配軸力。如表3 所示，噴射混凝土壓應(yīng)力111/0.25=0.4 MPa＜9.6 MPa，噴混凝土強度滿足要求。

表3 初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力表

每榀鋼拱架（間距0.5 m）彎矩設(shè)計值136 kN·m，剪力73 kN，軸力7.4 kN。原設(shè)計為工22b 鋼拱架，建議調(diào)整為工25b。鋼拱架應(yīng)力驗算如下，計算結(jié)果可知，各應(yīng)力驗算均滿足要求。

（1）正應(yīng)力驗算

隧洞內(nèi)部初支全部拆除后，隧道初支的最大變形為26 mm。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）[3]第9.2.15 條,變形允許值取l/400=46 337/400=115 mm＞26 mm, 滿足要求。變形圖如圖8 所示，最大變形點發(fā)生右洞的拱腳處。此時應(yīng)盡早施加二襯防止鋼拱架失穩(wěn)。

圖8 隧道初支變形圖

如圖9 所示，錨桿計算軸力最大值為38 kN，小于系統(tǒng)錨桿錨固抗拔力設(shè)計值為80 kN，滿足要求。

圖9 隧道主洞系統(tǒng)錨桿軸力圖

3 結(jié) 語

（1）中隔墻澆筑完成后,潛在滑動面通過中隔墻基底，且在開挖的過程中中隔墻會發(fā)生傾斜及下沉。因此在設(shè)計時中隔墻基底應(yīng)埋設(shè)注漿鋼管，形成錨樁基礎(chǔ)，防止因偏壓狀態(tài)導(dǎo)致的中隔墻滑移或傾斜。

（2）在邊坡坡腳右側(cè)主洞，隧道偏壓狀態(tài)明顯，隧道開挖過程中初支結(jié)構(gòu)會承擔(dān)較大的彎矩，尤其是在邊坡坡腳巖土體被移除而初支結(jié)構(gòu)未形成封閉時受力最不利。在設(shè)計時應(yīng)增加右側(cè)主洞鋼拱架的強度以增大抗彎能力。

（3）山體滑動安全系數(shù)先增加后減小,隧道外側(cè)洞室的開挖支護引起滑動安全系數(shù)增加,隨著右洞安全的開挖進行,安全系數(shù)減小,潛在滑動剪出面發(fā)生在左洞左上臺階處,隧道全部開挖后并施加初支后安全系數(shù)與原始山體邊坡相近，這說明該開挖工序中的初支結(jié)構(gòu)基本上彌補了挖除巖土體的反力作用。施加二襯后邊坡穩(wěn)定性大幅度增加從而體現(xiàn)了盡早施加二襯的必要性。