淺埋偏壓連拱隧道施工數值模擬分析★

王舒

(貴州民族大學建筑工程學院，貴州貴陽 550025)

0 引言

隨著我國社會經濟的發展，高速公路建設呈現出蓬勃發展的趨勢，尤其是在我國西部得到了大規模的發展。在高速公路建設中，隧道如雨后春筍般出現。在山區修建隧道時，由于受到地形及路線等因素限制時，常設計成連拱隧道，特別是在隧道進洞段及出洞段淺埋地層中，易形成淺埋偏壓連拱隧道，給設計和施工帶來了不少困難，所以開展淺埋偏壓連拱公路隧道設計與施工關鍵技術研究具有重要意義。

本文主要概述了隧道采用中導洞施工方法，并且進行了兩種不同施工順序的數值模擬分析，分別從圍巖、初期支護、中墻這三個方面對不同施工順序進行了對比以及分析，選出合理的施工順序。

1 有限元模型建立

以依托工程為原型，建立有限元模型。在建立模型時，取地面坡角30°，淺埋側隧道埋深10 m，圍巖級別為Ⅴ級，襯砌混凝土采用C25，中墻采用C25鋼筋混凝土，錨桿所在區取為加固圈，加固區圍巖級別取為Ⅳ級。各計算參數見表1。本模型選取中墻兩邊各50 m，下部選至隧道底部35 m，上部選至地面，建立有限元模型(見圖1)。

表1 計算參數表

在進行數值模擬計算時，進行了一些計算假設和簡化：

1)隧道及圍巖的受力及變形是平面問題;

2)計算初始應力場時不考慮構造應力，僅僅考慮自重應力的影響;

3)二次襯砌作為安全儲備，計算模擬時不考慮其作用。在上面假設及簡化的基礎上，其模擬施工工序主要為：

a.計算初始地應力;

b.中導洞開挖、支護及中墻澆筑;

c.淺(深)側隧道上臺階開挖及支護;

d.淺(深)側隧道下臺階和仰拱開挖及支護; e.深(淺)側隧道上臺階開挖及支護;

f.深(淺)側隧道下臺階和仰拱開挖及支護。

2 計算結果分析

2.1 圍巖位移場、應力場分析

本文對圍巖位移進行分析，主要是對地表測點位移進行分析比較。地表測點布置示意圖如圖2所示?，F將圖2所示測點的地表位移值列成表2。

圖1 有限元模型

圖2 地表測點布置示意圖

表2 地表測點在開挖時的位移值 mm

表2列出了地表各個測點在每步開挖時的位移值，從中可以看出X方向各點位移值兩種施工順序相差不大，但是從Y方向各測點沉降值看幾乎都是先淺后深施工順序小于先深后淺施工順序。從控制地表沉降觀點出發考慮施工順序，當然是地表沉降值越小越好，經綜合對比分析兩種不同施工所對應的各測點沉降值發現先淺后深施工順序要優于先深后淺施工順序。

下面分析圍巖在每步開挖時的應力，現將圍巖在每步開挖時的應力列為表格形式，如表3所示。

表3 圍巖在每步開挖時的應力 MPa

從表3兩種施工順序圍巖應力的對比中可以知道，在開挖完成后圍巖的最終應力，除XY方向的剪應力先深后淺稍小于先淺后深外，其X，Y向應力，無論拉應力還是壓應力在數值上均是先深后淺施工順序大于先淺后深施工順序。

由上面的分析對比中可以知道，不論是從圍巖位移還是從圍巖應力來出發，先淺后深的施工順序較好，更有利于施工安全地進行。

2.2 初期支護位移場、應力場分析

初期支護位移分析時采用初支斷面上幾個典型的關鍵點對其進行位移分析。對于初期支護來說，拱頂下沉值是其判斷位移的重要指標之一，下面對初期支護拱頂下沉值進行對比分析，典型位移的關鍵點如圖3所示。表4是兩種不同施工順序每步開挖時各點的拱頂下沉值。

圖3 典型位置示意圖

表4 初期支護拱頂位移值 mm

表5 初期支護典型位置應力表 MPa

從表4可以看出單從X方向位移看較難判斷兩種施工順序的優劣。但從Y方向位移值看在step5時，先淺后深施工順序對應各點的沉降值為0.42 mm～3.14 mm，而先深后淺施工順序為1.46 mm～4.11 mm，前者數值均小于后者;在開挖完成時(step6)，各點沉降值范圍：先淺后深為1.86 mm～5.47 mm，先深后淺為1.87 mm～6.86 mm，前者均小于后者，故兩種不同施工順序比較，先淺后深施工順序即先開挖淺埋側后開挖深埋側施工順序較優。

表5是兩種不同施工順序初期支護典型位置的應力表。

從表5可以知道，在step6開挖完成后，先淺后深施工順序壓應力變化范圍為0.68 MPa～8.56 MPa，先深后淺施工順序壓應力變化范圍為1.25 MPa～7.40 MPa，除a點外其他各點壓應力均是先深后淺施工順序大于先淺后深施工順序。從初期支護應力對兩種施工順序進行對比分析可得出，先淺后深施工順序要優于先深后淺施工順序。

2.3 中墻位移場、應力場分析

為了分析不同施工順序對中墻位移的影響，取中墻的特征點對其進行對比分析，中墻特征點如圖4所示。

圖4 中墻特征點示意圖

如表6所示為中墻特征點在每步開挖時的位移。

從表6可知，在X方向上除4點外其他各點位移在數值上均是先淺后深小于先深后淺;在Y方向上除2點外其他幾個點位移在數值上均為先深后淺大于先淺后深。故綜合對比分析，先施工淺埋側要優于先施工深埋側。

下面把中墻應力在不同施工順序開挖下的應力列成表格形式，如表7所示。

從表7中可以知道，在step6開挖完成后，中墻應力在X方向上，無論壓應力還是拉應力先淺后深施工順序所對應數值均稍小于先深后淺;在Y方向上兩種不同施工順序對應的最小應力都為-0.84 MPa，最大應力是先淺后深稍小于先深后淺;在XY方向上兩種施工順序剪應力相等都為0.18 MPa。雖然兩種施工順序中墻最終應力值相差不大，但是綜合考慮中墻位移及應力，還是先淺后深施工順序要優于先深后淺施工順序。

表6 中墻特征點位移 mm

表7 中墻在各步開挖時的應力 MPa

3 結語

本文分別從圍巖位移、應力，初期支護位移、內力及中墻位移、應力對兩種不同施工順序進行了分析對比，從而得出對于淺埋偏壓連拱隧道先開挖淺埋側再開挖深埋側要優于先開挖深埋側再開挖淺埋側。

［1］ 姚振凱，黃運平，彭立敏.公路連拱隧道工程技術［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］ 關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］ JTG D70-2004，公路隧道設計規范［S］.

［4］ 胡興福.高速公路淺埋偏壓連拱隧道洞口段施工技術［J］.山西建筑，2010，36(12)：136-138.