淺埋偏壓大斷面隧道施工力學分析及方案比選★

江 杰 劉剛伯 蒲 鷗 歐孝奪,2 趙建剛 謝規(guī)球

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004； 2.廣西大學工程防災與結構安全重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.廣西巖土力學與工程重點實驗室 桂林理工大學，廣西 桂林 541004； 4.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

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·橋梁·隧道·

淺埋偏壓大斷面隧道施工力學分析及方案比選★

江 杰1,2,3劉剛伯1蒲 鷗1歐孝奪1,2趙建剛4謝規(guī)球4

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004； 2.廣西大學工程防災與結構安全重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.廣西巖土力學與工程重點實驗室 桂林理工大學，廣西 桂林 541004； 4.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

結合南寧玉象隧道偏壓淺埋大斷面隧道工程實際，建立了偏壓淺埋大斷面隧道施工動態(tài)有限元數值模型，分別采用上下臺階法、CD法和雙側壁導坑法 3 種施工方案，模擬施工對圍巖變形和力學特性的穩(wěn)定性影響，對圍巖位移、應力、錨桿、初期支護軸力與二襯彎矩等進行對比分析，結果表明，雙側壁導坑法能較好地控制圍巖位移，應力分布與隧道支護結構內力分配較合理。

隧道，偏壓淺埋，大斷面，圍巖，應力

0 引言

依托工程為廣西玉象隧道，為四車道公路隧道，隧道單洞長為480 m，開挖跨度為21.545 m，屬于大斷面隧道，開挖高度為15.05 m，隧道最小、最大埋深分別為10 m，75 m。隧道穿越的山型高低起伏，有很大一部分位于淺埋偏壓區(qū)，圍巖為Ⅴ級，主要為全風化硅質砂巖。大斷面隧道有著開挖跨度大，施工工序多，且開挖與支護工作并行的特點，同時穿越淺埋、偏壓、軟弱圍巖地段，加大隧道支護結構受力與變形狀態(tài)的復雜程度，易導致坍塌事故[1，2]。

目前，大斷面隧道修建尚缺乏足夠的設計與施工經驗，且不同開挖方式會對隧道造成不同影響，開挖方式的選擇在一定程度上決定了隧道建設的成敗[3，4]。因此，研究不同開挖方式下圍巖與支護結構變形與力學特性，具有十分重要的意義。

1 隧道施工數值模擬

1.1 建立模型

采用MIDAS GTS有限元數值計算軟件，模型中圍巖采用Mohr-Coulomb本構模型，支護結構均采用彈性模型，其中錨桿采用植入型桁架單元、噴射混凝土初襯、二次襯砌、鋼支撐均采用梁單元模擬，強風化硅質砂巖采用面單元模擬；地應力場為自重應力場；左右邊界距洞口距離分別為3.5倍隧道跨度，下邊界距拱底為3倍洞高，拱頂到地表面距離30 m，坡度為1∶1.73的土體偏壓作用于隧道構件，尺寸為150 m×90 m；左、右邊界對水平方向約束，下邊界對豎直方向約束，計算模型網格圖如圖1所示。本文選取上下臺階法、CD法和雙側壁導坑法3種施工方案進行數值模擬，示意圖如圖2所示，圖中數字代表土體所在區(qū)域，開挖步按數字順序進行。

1.2 參數選取

數值模擬計算采用的各項計算參數見表1。

表1 圍巖及支護力學參數

2 計算結果分析

2.1 隧道圍巖應力分析

為分析開挖后圍巖受力情況，選擇隧道拱頂、拱底、左右拱肩及左右拱腰應力值最大處為關鍵分析點，將三種方案計算結果列于表2中。

表2 各工法關鍵點應力值 MPa

從上述結果看，三種方案均在左右拱腰處引起較大壓應力，有應力集中現象，采用臺階法引起拱腰處壓應力最大，為-2.17 MPa，比采用CD法與雙側壁導坑法分別高出38.7%和48.4%，施工過程中要特別關注拱腰處，做到早支護、早閉合；臺階法與CD法，在左右拱肩處產生受拉區(qū)，易導致襯砌結構受拉破壞，設計時應增加抗拉要求，采用雙側壁導坑法讓整個隧道襯砌處于受壓狀態(tài)，且引起較小應力，應力分布較合理。

2.2 隧道圍巖變形分析

如圖3～圖5所示給出了三種方案地表沉降、拱頂以及拱底曲線。

由數值結果可得，臺階法上部開挖引起較大豎向位移，引起的沉降占總沉降的87%，是由于開挖斷面過大，圍巖無法自穩(wěn)；其他兩種開挖工法隨著分部開挖進行，拱頂沉降和拱底隆起量值逐漸增加并趨于穩(wěn)定；臺階法與CD法引起隧道地表沉降較大，雙側壁導坑法能較好控制地表位移。

對比三種開挖方法，雙側壁導坑法引起圍巖位移最小，其中拱頂、拱底與地面沉降最大位移分別為-24.75 mm，30.47 mm，-16.5 mm，比臺階法小85.6%，82.8%，86.3%，比CD法小72.2%，59.9%，75.7%，是因為雖然開挖步驟多，但分部開挖面相對較小，且每個分部均能形成閉合支護，加之預留土支擋開挖面，減少圍巖位移，所以能有效地對圍巖位移進行控制。

采用臺階法和CD法引起圍巖位移過大，超過30 mm，而雙側壁導坑法能很好地控制圍巖位移。

2.3 支護結構受力分析

表3列出了錨桿最大軸力與初期支護在隧道控制點的最大軸力。

表3 錨桿軸力最大值與各個控制點初期支護軸力最大值 kN

由表3可得：臺階法引起的錨桿軸力值最大，是187.6 kN，出現在拱頂處，建議盡早進行初期支護；CD法最大軸力值也出現在拱頂附近，是176.5 kN；雙側壁導坑法引起錨桿最大軸力是156.05 kN，出現在拱頂部位，因為擾動土體程度相對較小，且形成閉合支護早。

臺階法引起初期支護軸力在拱頂與左右拱肩處較大，達到-3 827.1 kN，左右拱腰處較小，因為上臺階開挖造成擾動較大，初期支護需要承擔較多形變壓力；采用CD法施工，左側初期軸力相對右側大，達到-4 256.5 kN，因為CD法先進行左導洞開挖造成施工偏壓，與地形偏壓一起作用于左側初期支護上，使左側軸力比右側大約3倍；采用雙側壁導坑法對隧道左右拱腰引起初期軸力較大，最大值達到-5 360.3 kN，為三種開挖方式中最大，左右拱肩次之，拱頂處最小，為-1 029.1 kN，因為雙側壁法能較好控制圍巖位移，故而初期支護受到軸力最大，由上往下增加，因為隨著開挖斷面逐漸增大，初期支護對圍巖位移控制要求逐漸提高，逐漸釋放支護承載能力，這種逐步釋放支護承載能力的方式更為合理。 表4列出二次襯砌在隧道拱頂、左右拱肩與左右拱腰處彎矩最大值。

表4 各個控制點二次襯砌彎矩最大值 kN·m

由表4可以得知：采用臺階法施工彎矩較大地出現在左右拱肩處，為5 472.3 kN·m，拱頂與左右拱腰處彎矩較小，是因為進行二次襯砌施作時，圍巖變形壓力集中作用在隧道上部，對左右拱肩造成較大的彎矩集中；采用CD法施工，在左側引起彎矩較大，最大值為29 271.6 kN·m，相對于右拱肩、右拱腰而言相差較大，不利于二襯結構；采用雙側壁導坑開挖，除拱頂處有較大的彎矩集中，為6 975.6 kN·m，拱肩、拱腰處彎矩數值分布在1 000 kN·m～3 500 kN·m范圍內，較其他兩種方法小，是因為雙側壁導坑法初期支護承受了較大圍巖變形，能充分發(fā)揮二襯結構承載能力。

3 結語

通過對Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段大斷面公路隧道施工方案進行數值模擬，分析了臺階法、CD法與雙側壁導坑法3種施工方案的特點，得到如下結論：

1)采用雙側壁導坑法施工，圍巖應力分布合理，最大壓應力分別比臺階法與CD法小48.5%，15.8%。

2)采用雙側壁導坑法施工，對圍巖擾動較小，豎向位移量比臺階法小85%左右，比CD法小60%～75%，特別適用于對圍巖位移控制要求高的工程。

3)采用雙側壁導坑法施工，較其他兩種工法，引起的錨桿軸力最小，彎矩分布呈均布狀態(tài)。

4)施工過程中，需加強對應力拱頂、拱腰、拱肩等關鍵部位的監(jiān)控量測。

[1] 劉 會.偏壓淺埋隧道洞口施工技術[J].現代隧道技術,2008(4):44-47，60.

[2] 周丁恒,曹力橋,馬永峰,等.四車道特大斷面大跨度隧道施工中支護體系力學性態(tài)研究[J].巖石力學與工程學報,2010(1):140-148.

[3] 李云鵬,王芝銀,韓常領,等.不同圍巖類別小間距隧道施工過程模擬研究[J].巖土力學,2006(1):11-16，28.

[4] 秦 峰,吳存興.小凈距隧道開挖方法淺論[J].現代隧道技術,2003(6):39-42，49.

Constructively mechanical analysis and comparetive selection for shallow bias large section tunnels★

Jiang Jie1,2,3Liu Gangbo1Pu Ou1Ou Xiaoduo1,2Zhao Jiangang4Xie Guiqiu4

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniv.,Nanning530004,China; 2.SecurityKeyLaboratoryofDisasterPreventionandStructuralEngineering,GuangxiUniv.,Nanning530004,China; 3.GuangxiKeyLaboratoryofGeotechnicalMechanicsandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004，China; 4.CCCCFourthHighwayEngineeringBureauLtd，Beijing100022,China)

According to the living examples of shallow bias large section tunnels in Nanning Yuxiang, the article builds the dynamic finite element numerical model, simulates the constructive influence to the stabilities of surrounding rock deformation and mechanical properties, and comparatively analyzes three kinds of construction plans(up and down stairs method, CD method and double drift method) in the displacement and stress of surrounding rock, rock bolts, initial supporting axial forces and second lining bending moments. The result indicates that the double side drift method can better control the surrounding rock displacement, and the stress distribution and tunnel support structure internal force distribution are more reasonable.

tunnel, shallow bias， large section， surrounding rock, stress

1009-6825(2016)18-0138-03

2016-04-13★：國家自然科學基金資助(項目編號：51568006)；國家自然科學基金資助(項目編號：41372361)；廣西巖土力學與工程重點實驗室資助課題(課題編號：14-KF-03)

江 杰(1979- )，男，博士，碩士生導師，副教授； 劉剛伯(1991- )，男，在讀碩士

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