淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)研究

肖國祥

摘要 為了提升公路隧道施工技術(shù)水平，依托某高速公路項(xiàng)目，探討了淺埋偏壓小凈距隧道的判定方法及圍巖受力特征，并利用有限元軟件ANSYS 15.0建立隧道三維計(jì)算模型，利用生死單元法模擬了淺埋偏壓小凈距隧道的施工，從隧道頂?shù)乇砦灰坪秃侠韮艟鄡煞矫娣治隽瞬煌┕すr下淺埋偏壓小凈距隧道的力學(xué)效應(yīng)。

關(guān)鍵詞 淺埋偏壓；小凈距；隧道工程；判定方法；受力特征；塑性區(qū)

中圖分類號 U455.4；U456.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0081-03

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，為了促進(jìn)區(qū)域交流，各種公路工程的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。而隧道工程是公路上的重要構(gòu)造物，其建設(shè)質(zhì)量會直接影響整條公路的安全運(yùn)營和造價(jià)。淺埋偏壓小凈距隧道的地形和地質(zhì)環(huán)境一般比較惡劣，圍巖和支護(hù)措施之間的相互作用機(jī)理復(fù)雜。如何選擇合理的隧道施工措施，保證隧道施工安全，是施工技術(shù)人員需要解決的重要問題。大量工程實(shí)際表明，淺埋偏壓小凈距隧道施工措施的選擇與其力學(xué)特性密切相關(guān)。如果施工技術(shù)人員對隧道的施工力學(xué)效應(yīng)認(rèn)識不清楚，制定施工方案盲目參考其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，可能導(dǎo)致隧道施工方案適用性差，引起隧道襯砌開裂、塌方、滑坡等病害，影響施工進(jìn)度，危及施工人員的生命安全，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致重大安全事故[1]。因此，進(jìn)一步研究淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)具有重要的工程價(jià)值。

1 工程概況

1.1 隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

該文以某高速公路為研究對象，探討淺埋偏壓小凈距隧道的受力特征和施工力學(xué)特性。該隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為上下行分離的雙向四車道，設(shè)計(jì)荷載為公路I級，設(shè)計(jì)速度80 km/h，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100，隧道最大埋深為24.2 m，左、右線設(shè)計(jì)間距約6 m，左、右線長度分別為125 m、128 m，屬于短隧道。同時(shí)，隧道內(nèi)輪廓為半徑5.5 m的三心圓斷面，建筑限界為10.25 m（寬）×5.0 m（高）。

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)隧道施工圖勘察報(bào)告。該隧道位于構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)地貌區(qū)，沿洞軸線最大高程約668.5 m，最低高程約為632.5 m，相對高差36.0 m。隧洞進(jìn)口和出口處的山坡均為斜坡，均處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中進(jìn)口斜坡坡向350°，坡角40°；出口斜坡坡向135°，坡度角35°。同時(shí)，圍巖以三疊系泥灰?guī)r為主，圍巖整體風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，自穩(wěn)定性較差，均判定為Ⅴ級圍巖。

1.3 隧道支護(hù)參數(shù)

該隧道支護(hù)按“新奧法”設(shè)計(jì)，使用復(fù)合式襯砌，將鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)、混凝土噴層等作為初期支護(hù)，以鋼筋混凝土作為二次襯砌，在監(jiān)控量測及地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下及時(shí)采取各種支護(hù)措施。隧道各種支護(hù)措施的參數(shù)如表1所示。

2 淺埋偏壓小凈距隧道判定及力學(xué)特征

2.1 淺埋偏壓小凈距隧道判定方法

2.1.1 淺埋隧道判定

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018），可用“荷載等效高度值hq”來判斷某一隧道屬于淺埋還是深埋。荷載等效高度值hq的計(jì)算可參考式（1）～（2）[2]：

式中，Hp——深埋和淺埋隧道分界高度；q——隧道垂直均布壓力（kPa）；r——圍巖重度（kN/m3）。

當(dāng)隧道埋深H≤Hp時(shí)，表明隧道屬于淺埋隧道。代入數(shù)值，可知該隧道深埋和淺埋的分界高度為31.0 m，而隧道最大埋深僅24.2 m，故屬于淺埋隧道。

2.1.2 偏壓隧道判定

隧道斜坡偏壓是指因地形、地質(zhì)、施工等因素所引起的隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)荷載分布不均勻，從而使隧道內(nèi)力和變形不對稱的現(xiàn)象。大量工程實(shí)踐表明，隧道偏壓以地形偏壓為主，即當(dāng)隧道修建在斜坡地形，隧道襯砌的一側(cè)會產(chǎn)生較大的主動壓力區(qū)，另一側(cè)會產(chǎn)生較小的被動壓力區(qū)，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)受力不均勻[3]。

隧道地形偏壓有兩種：一種是穩(wěn)定地形偏壓，偏壓斜坡沒有運(yùn)動趨勢或蠕變，多發(fā)生在斜交洞口段及傍山淺埋段；另一種是不穩(wěn)定地形偏壓，此時(shí)斜坡有蠕動趨勢，土體有向下加速度，隧道受到軸向約束會阻止土體下滑[4]。

2.1.3 小凈距隧道判定

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018），當(dāng)兩隧道之間的間距小于表2中要求的最小距離時(shí)，應(yīng)判定為小凈距隧道。

2.2 淺埋偏壓小凈距隧道受力特征

2.2.1 淺埋偏壓隧道圍巖壓力計(jì)算

淺埋偏壓隧道圍巖壓力計(jì)算時(shí)需假定偏壓分布圖形與地面坡一致，見圖1。

由《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）可知，淺埋偏壓隧道的垂直圍巖壓力Q可按式（3）計(jì)算[5]：

式中，h——內(nèi)側(cè)拱頂?shù)降孛娴木嚯x（m）；h'——外側(cè)拱頂?shù)降孛娴木嚯x（m）；λ——內(nèi)側(cè)土壓力系數(shù)；λ'——外側(cè)土壓力系數(shù)；r——圍巖重度（kN/m3）。

2.2.2 小凈距隧道圍巖壓力計(jì)算

根據(jù)相關(guān)研究成果，淺埋地段的小凈距公路隧道，無論處于什么地質(zhì)條件都要選用荷載－結(jié)構(gòu)法開展內(nèi)力計(jì)算。小凈距隧道洞頂?shù)拇怪眽毫0等于內(nèi)側(cè)垂直壓力q內(nèi)與外側(cè)垂直壓力q外之和的一半，如式（4）所示：

綜上，可將淺埋偏壓小凈距隧道的受力特征總結(jié)為以下三點(diǎn)[6]：①隧道上覆巖土層埋深較淺，圍巖風(fēng)化較嚴(yán)重，導(dǎo)致圍巖承載低，無法形成壓力拱。隧道在開挖后引起隧道圍巖應(yīng)力重新分布，其力學(xué)效應(yīng)快速向地表傳遞。②隧道位于偏壓地區(qū)，可能存在邊坡失穩(wěn)，滑坡等潛在風(fēng)險(xiǎn)。隧道洞口開挖后，會擾動邊坡受力，降低邊坡穩(wěn)定性，從而誘發(fā)邊坡滑移。邊坡滑移所產(chǎn)生的水平推力施加在隧道襯砌結(jié)構(gòu)上，進(jìn)一步加劇了隧道偏壓，甚至導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。③隧道左右線距離較近，兩隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場和位移場疊加，在施工時(shí)兩者之間相互影響。

3 淺埋偏壓小凈距隧道施工模擬分析

3.1 施工方案的實(shí)現(xiàn)方法

該淺埋偏壓隧道進(jìn)洞采用人工、機(jī)械開挖、鉆爆法相結(jié)合的方案，最大程度地降低對隧道上方欠穩(wěn)定斜坡的擾動，洞身開挖采用“臺階法”。由于隧道左側(cè)圍巖弱于右側(cè)圍巖，洞身開挖先開挖左側(cè)再開挖右側(cè)。為了保證隧道不發(fā)生塌方、落石等災(zāi)害，施工時(shí)應(yīng)遵循“邊開挖邊支護(hù)”的原則，具體施工步驟如下：左上部開挖→施作初期支護(hù)→右上部開挖→施作初期支護(hù)→左下部開挖→施作初期支護(hù)→右下部開挖→施作初期支護(hù)。此外，在施工時(shí)還要及時(shí)布置監(jiān)測斷面，現(xiàn)場監(jiān)控隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形隨開挖時(shí)間的變化規(guī)律，并根據(jù)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)施工工藝。

淺埋偏壓隧道施工方法的實(shí)現(xiàn)可采用有限元軟件ANSYS所提供的“生（alive）”與“死（kill）”單元來實(shí)現(xiàn)，即通過分次殺死或激活隧道實(shí)體單元來模擬淺埋偏壓隧道的分步開挖。

3.2 有限元模型建立

3.2.1 計(jì)算模型

根據(jù)“圣維南定理”，隧道模型尺寸取100 m×100 m

×100 m。利用ANSYS 15.0軟件中的實(shí)體單元模擬隧道圍巖、初期支護(hù)和二襯中的鋼筋混凝土，屈服準(zhǔn)則使用摩爾－庫倫模型，需注意，初期支護(hù)中的錨桿需要嵌入隧道圍巖內(nèi)部才可以充分發(fā)揮作用，需要在錨桿和圍巖之間設(shè)置接觸屬性。ANSYS軟件中的接觸有Surface to Surface和Node to Surface兩種，前者“穿透現(xiàn)象”較嚴(yán)重，計(jì)算精度較差，后者基本無穿透現(xiàn)象，計(jì)算精度較高，但計(jì)算速度慢。為了詳細(xì)了解淺埋偏壓小凈距隧道的施工力學(xué)特性，建模時(shí)宜采用Surface to Surface接觸。此外，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分采用正六面體，洞身及周邊圍巖網(wǎng)格進(jìn)行加密，尺寸取0.5 m，其他部位網(wǎng)格尺寸取1.0 m，最終劃分出網(wǎng)格2 659個(gè)，節(jié)點(diǎn)3 022個(gè)，如圖2所示。

3.2.2 邊界條件

結(jié)合相關(guān)研究成果，在淺埋偏壓小凈距隧道模型的左、右側(cè)面設(shè)置X向水平方向的約束，模型底面將X、Y、Z三個(gè)方向完全約束，模型頂部設(shè)置為自由邊界，可以在空間內(nèi)任意變形[7]。

3.2.3 計(jì)算參數(shù)

在計(jì)算模型建立后，需結(jié)合隧道的地質(zhì)勘察報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)輸入隧道結(jié)構(gòu)各組成部分的物理力學(xué)參數(shù)。該項(xiàng)目圍巖重度取22.5 kN/m3、黏聚力25 kPa、內(nèi)摩擦角23°、泊松比0.35；初期支護(hù)重度取75 kN/m3、黏聚力30 kPa、內(nèi)摩擦角80°、泊松比0.30；二次襯砌重度取25 kN/m3、黏聚力30 kPa、內(nèi)摩擦角100°、泊松比0.30。

3.3 施工臺階長度對隧道力學(xué)效應(yīng)的影響

隧道的力學(xué)特性在施工期間是動態(tài)變化的，臺階開挖長度不同，隧道應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系會有明顯差異。

3.3.1 隧道地表位移

該文利用有限元軟件ANSYS計(jì)算了施工臺階長度為4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、24 m時(shí)淺埋偏壓小凈距隧道拱頂?shù)乇淼奈灰疲瑫r(shí)利用二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合了施工臺階長度與地表圍巖之間關(guān)系（相關(guān)系數(shù)接近1），如圖3所示。利用擬合公式，可預(yù)測任意臺階長度下淺埋偏壓小凈距隧道頂?shù)牡乇砦灰啤?/p>

由圖3可知：當(dāng)施工臺階長度從4 m增加至24 m，地表變形分別增加了0.8 mm、0.2 mm、0.2 mm、0.1 mm、

0.05 mm，即隨著施工臺階長度的增加，隧道地表位移不斷增加，增加速率先快后慢。當(dāng)施工臺階長度≤8 m，地表位移呈驟增趨勢；當(dāng)施工臺階長度＞8 m，地表位移增長趨勢逐漸變緩。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因分析如下：對于使用臺階法施工的淺埋偏壓小凈距隧道，初期支護(hù)封閉時(shí)機(jī)是影響圍巖受力和變形的重要因素。如果支護(hù)不能及時(shí)封閉成環(huán)，會使得圍巖長時(shí)間暴露，產(chǎn)生較大變形，影響隧道的整體安全。而隧道的初期支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)機(jī)與臺階施工長度相關(guān)，一般情況下，施工臺階越長，初期支護(hù)封閉成環(huán)時(shí)機(jī)越晚。然而，隧道臺階施工長度也不宜過短，否則影響施工機(jī)械工作效率。

3.3.2 合理凈距

淺埋偏壓小凈距合理凈距研究的本質(zhì)是探討先后行洞在開挖后的相互影響程度（可用力學(xué)塑性區(qū)來評價(jià)）。根據(jù)ANSYS軟件模擬結(jié)果可知：當(dāng)凈距≤4 m，左右線隧道的中夾巖位置產(chǎn)生貫通蝶形塑性區(qū)；當(dāng)凈距在6～9 m，塑性區(qū)分布范圍不斷減小，中夾巖處塑性區(qū)逐漸分離；當(dāng)凈距超過9 m，中夾巖處塑性區(qū)完全分離，應(yīng)力分布狀態(tài)與單洞相似。

4 結(jié)語

該文依托某高速公路隧道，探討了淺埋偏壓小凈距隧道的判定方法和圍巖壓力計(jì)算方法，并利用數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS 15.0模擬淺埋偏壓小凈距的施工，得到了不同施工工況下的隧道力學(xué)特性變形和合理凈距。研究成果表明淺埋偏壓小凈距隧道的埋深要小于荷載等效高度值，凈距要小于3.5 B，且位于斜坡地區(qū)，而隧道的圍巖壓力計(jì)算應(yīng)嚴(yán)格遵循《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）。同時(shí)，淺埋偏壓小凈距隧道頂?shù)牡乇砦灰齐S著施工臺階長度的增加而增加，且增加速率先快后慢，中夾巖位置塑性區(qū)也隨著凈距的增加不斷分離。研究成果可為類似項(xiàng)目的淺埋偏壓小凈距隧道施工提供理論指導(dǎo)。

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