淺埋、偏壓條件下某超大跨隧道受力分析研究

錢文斐

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

淺埋、偏壓條件下超大跨隧道與通常情況下的隧道在設計、施工等方面存在一定的差異，筆者在某項目的設計中遇到了這樣的問題。為此，本文擬以某隧道為例，通過模擬其施工工程，提出了在設計、施工方面的要點，在為本工程提供相關技術支持的同時，希望為類似工程提供借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

某隧道為西南地區某城市的控制性工程之一，隧址區環境地形總體呈北高南低，隧道從地勢較高的山嶺穿過。山體上植被總體發育良好。隧道主要通過的地層有第四系（Q）、安順組二段（Ta2）、安順組三段（Ta3）、大冶組（Td）等。不良地質現象主要為巖溶。區域內地下水類型分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散含水層孔隙水。

1.2 隧道淺埋、偏壓情況

隧道左線長500 m,右線長380 m，由于左、右線的進、出口不在同一個斷面上，而存在錯幅，因此右線路基段的開挖將導致左線隧道一側出現臨空面，從而形成了偏壓（見圖1、圖2）。隧道中心線處隧道洞頂面覆土厚度在20～50 m范圍，地面橫坡約為1∶1.7。

1.3 隧道內輪廓

圖1 隧道平面圖

圖2 隧道淺埋偏壓段橫斷面

本項目中隧道開挖內輪廓（見圖3）跨度達19.378 m，考慮到初期支護、二次襯砌、預留變形量的尺寸，實際開挖尺寸將接近22 m，在我國新奧法施工隧道工程界，處于領先地位。

圖3 隧道內輪廓圖（單位：mm）

1.4 偏壓段概念性設計

深埋側隧道由于右側路基段開挖后形成了臨空面，因此處于偏壓狀態，在巖土作用下存在向右擠出的趨勢，為此在路基靠近隧道側設置了抗滑樁，以平衡深埋側隧道的所受的不平衡力。

2 模擬建模

新奧法隧道施工過程中，初期支護主要起充分利用圍巖自穩能力及承受圍巖壓力的作用，施工中初期支護結構體系在不斷變化，因此其安全性直接影響隧道施工過程的安全性，鑒于本論文研究的目的，因此本次模擬僅模擬初期支護中的噴射混凝土（鋼支撐作用已綜合考慮）作用，鋼筋網、錨桿則作為安全儲備。圍巖本構模型采用摩爾—庫倫模型（見表1），初期支護采用彈性模型（見表2）。

表1 圍巖物理力學參數表

表2 初期支護力學參數表

對于大斷面隧道的施工工法，比較成熟的主要有CD、CRD、雙側壁導坑等，鑒于本隧道超大斷面，且存在淺埋、偏壓等不利因素，故采用雙側壁導坑法進行施工。施工工序見圖4。

圖4 雙側壁導坑法施工工序圖（先淺側后深側）

先淺側后深側施工工序為：（1）淺側導坑上臺階開挖；（2）淺側導坑上臺階初期支護(包含臨時支護)；（3）淺側導坑下臺階開挖；（4）淺側導坑下臺階初期支護(包含臨時支護)；（5）深側導坑上臺階開挖；（6）深側導坑上臺階初期支護(包含臨時支護)；（7）深側導坑下臺階開挖；（8）深側導坑下臺階初期支護(包含臨時支護)；（9）中導坑上臺階開挖；（10）中導坑上臺階初期支護；（11）中導坑下臺階開挖；（12）中導坑下臺階初期支護；（13）臨時支護拆除。

對于先深側后淺側施工工序為深埋側導洞→淺埋側導洞→中導洞，即只需將淺側導坑、深側導坑的工序進行互換，故不再贅述。

3 分析研究結果[1-5]

3.1 合理工序的選擇

本文對先淺后深、先深后淺兩種不同工序進行了模擬計算，鑒于初期支護的受力性能是能否保證施工過程安全的主要因素，因此從主洞初期支護的結構受力性能方面進行比較，以確定相對合理的施工順序。初期支護各點應力（拉正壓負）橫斷面布置見圖5，不同施工順序各點應力對比情況見圖6。

圖5 初期支護各點橫斷面布置圖

圖6 不同施工順序各點最不利應力對比情況表

考慮到初期支護處于抗壓受力狀態優于抗拉受力狀態，由圖6可以看出以下規律：（1）先深后淺施工工序工況下，3點處初期支護應力值較之不利（拉應力值達到8.7 MPa,較之增大約73%），而在先淺后深施工工序工況下，11點處初期支護較之不利（拉應力值達到2.5 MPa,較之增大約173%）；（2）1、10 點處初期支護應力存在一定差距，但考慮初期支護的抗壓能力強，因此不會影響其結構安全性；（3）其余各點處則相差不大。

綜上，從有利于初期支護受力狀態的因素出發，采用先淺后深工序相對有利，故后續分析結果均是在先淺后深的工序下，不再贅述。

3.2 永久初期支護內力分析

由圖6可以看出：

（1）3、5、11、16 點初期支護處于較大的受拉應力狀態，因此施工中需加強對以上各點的觀測，避免出現拉裂性破壞。

（2）與無偏壓情況的隧道相比，拱頂中心1點、仰拱中心9點的初期支護最不利應力值較小，而深埋側拱腰3點、淺埋側仰拱16點的初期支護最不利應力值較大，因此成為結構受力的薄弱點。經分析，這是因為由于偏壓的存在，圍巖的最大主應力方向出現了偏轉的原因。

3.3 臨時支護內力分析

臨時支護在施工過程中同樣決定著施工過程的安全，因此需對其在施工過程中的受力性狀進行分析。

由圖7可以看出：淺埋側導洞臨時支護的11點始終處于較不利的受拉狀態；16點在施工步2～9（淺埋側導洞開挖支護、深埋側導洞開挖支護、中導洞上臺階開挖）處于較有利的受壓狀態，在施工步10～12（中導洞上臺階支護、中導洞下臺階開挖支護）處于較不利的受拉狀態；18點在施工步2～3（淺埋側上臺階開挖支護、下臺階開挖）處于較有利的受壓狀態，在施工步4～12（淺埋側下臺階支護、深埋側導洞開挖支護、中導洞開挖支護）處于較不利的受拉狀態。

圖7 淺埋側導洞臨時支護最不利應力變化圖

由圖8可以看出：深埋側導洞臨時支護的8點始終處于較不利受拉狀態；3、17點在施工步6～9（深埋側導洞開挖、支護階段及中導洞上臺階開挖）處于較有利受壓狀態，在施工步10～12（中導洞上臺階支護、下臺階開挖支護）處于較不利受拉狀態。

通過圖7、圖8可以得出以下結論：

（1）中導洞上臺階支護、下臺階開挖支護階段，深、淺埋側導洞臨時支護均處于較不利的受拉狀態，應加強此段施工過程對臨時支護的監測工作。

圖8 深埋側導洞臨時支護最不利應力變化圖

（2）深埋側臨時支護下端與主洞支護交接處（8點）、淺埋側臨時支護上端與主洞支護交接處（11點）始終處于較不利的受拉狀態，應加強上述兩交接處的施工質量，避免出現受拉破壞。

（3）深埋側臨時支護的最不利應力值大于淺埋側臨時支護（較之大約80%），因此設計中應加強深埋側臨時支護設計，避免出現結構性破壞，影響施工安全。

3.4 主洞拱頂位移

主洞拱頂位移是一直隧道施工過程中監測的“重中之重”，因此其重要性不言而喻。

由圖9可以看出，在施工步9～10(即中導洞上臺階開挖支護)階段，形成了明顯的“跳臺”臨界點（水平位移值增大了114%，豎向位移值增大了1445%）：（1）在施工步 1～9（即兩側導洞開挖、支護）階段，位移值相對較小；而在施工步10～13（即中導洞開挖、支護、拆除臨時支護階段）位置值相對較大；但兩段變化值均不大。（2）在施工步1～9階段，水平位移值大于豎向位移值；在施工步10～13階段，豎向位移值大于水平位移值。

圖9 主洞拱頂豎向、水平向位移值

由此得出以下結論：

（1）中導洞上臺開挖支護階段是施工過程中的“核心”階段，應特別加強對拱頂位移值的監測。

（2）通常對于拱頂位移值的監測數據僅為豎向位移，但對于大跨度、淺埋、偏壓情況必須增加其水平位移的監測。

3.5 導洞拱腳水平位移收斂

考慮到本隧道采用雙側壁導坑法施工，施工中需對導洞的拱腳水平位移進行監測。

由圖10可以看出，對于深埋側導洞，施工步1～8時，拱腳處水平位移收斂值變化不大，施工步9～12時，拱腳處水平位移收斂值出現階梯式增長（施工步10相對于施工步9增長了95%，施工步12相對于施工步11增長了65%）；對于淺埋側導洞，施工步4、12時，拱腳處水平位移收斂值增長幅度大，相對于前一個施工步分布增大了230%、300%。

圖10 深、淺埋側導洞拱腳處水平位移收斂值

由此得出以下結論：

（1）中導洞的開挖、支護施工過程對深埋側導洞的影響很大，需要加強此施工期間的監控量測工作。

（2）深埋側導洞、中導洞的開挖支護施工過程對淺埋側導洞的影響較大，需要加強此施工期間的監控量測工作。

（3）中導洞上臺階開挖支護做為臨界點，在臨界點之前，淺埋側導洞拱腳處水平位移值相對較大，而臨界點之后，深埋側導洞拱腳處水平位移值相對較大。但二者最終水平位移收斂值基本一致。

3.6 圍巖最大主應力

圖11為圍巖最在主應力云紋圖。

圖11 圍巖最大主應力云紋圖

由圖11可以看出：

（1）相對于無偏壓隧道而言，圍巖最大主應力方向由豎直方向向深埋側發生了偏轉，偏轉角度約45°，因此對于超前支護設置范圍而言，以往按照隧道中心線兩側一定范圍內對稱設置將不盡合理，而應隨最大主應力方向一起向深埋側偏轉45°。

（2）由于圍巖最大主應力方向的偏轉，整個隧道的受力體系模式同樣發生了偏轉。

（3）由于圍巖最大主應力方向的偏轉，隧道淺埋側隅角位置圍巖最大主應力值減小，而相應深埋側圍巖最大主應力值增大，因此設計中對圍巖的加固范圍應重點考慮在隧道深埋側隅角，而無需對淺埋側進行不必要的加固。

4 結論

通過對以上的分析，可以得出以下有意義的結論：

（1）淺埋、偏壓條件下某超大跨隧道采用雙側壁導坑法施工時，應優先采用先開挖淺埋側導坑的施工工序。

（2）中導洞的開挖支護階段是雙側壁導坑法施工過程中的核心階段，此階段應加強臨時支護的內力、拱頂位移、臨時支護水平位移收斂的監控工作。

（3）對于偏壓狀態下的隧道，對于隧道拱頂的位移監測，除了進行沉降監測外，尚應增加水平向位移監測工作。

（4）深埋側導洞臨時支護相對于淺埋側而言，其受力性能更為不利，因此應加強其結構設計，保證相應的強度、剛度性能；從監控量測的角度出發，對其監測的頻率要大于淺埋側。

（5）相對于無偏壓情況，隧道處于偏壓狀態時將會導致圍巖最大主應力方向的偏轉，從而整個隧道的受力體系模式同樣發生了偏轉，因此應按照偏轉后的受力模式有針對性的進行設計、施工，切勿盲目照搬既有的設計、施工經驗。

5 結語

本隧道目前正在施工中，根據現場監控量測的數據反映，施工過程安全可靠。筆者將繼續關注本工程的進展，希望從現場施工的監測數據中得出更為有意義的結論、經驗，與各位同行分享。

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