大跨徑淺埋偏壓隧道進(jìn)洞方式數(shù)值模擬研究

歐陽璐

摘要：文章以廣西某大跨徑淺埋偏壓隧道為研究背景，建立隧道洞口段明挖施工法和明洞暗做、護(hù)拱蓋挖施工法兩種不同進(jìn)洞方式的地層-結(jié)構(gòu)法數(shù)值計算模型，對這兩種進(jìn)洞方式的施工全過程進(jìn)行分析對比，選擇更適合本項目隧道的進(jìn)洞方式，并針對分析計算結(jié)果，對施工提出相應(yīng)的建議，確保隧道安全進(jìn)洞，也為類似工程提供相應(yīng)的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：偏壓隧道;有限元分析;明洞暗做;護(hù)拱蓋挖;明挖

With a largespan shallowburied bias tunnel in Guangxi as research background，this article establishes the value calculation model by stratigraphicstructural method for two different tunneling methods：open excavation construction method and opencut tunnel darkoperation support arch cover excavation construction method at tunnel entrance section，analyzes and compares the whole construction process of both tunneling modes，selects the tunneling method more suitable for the tunnel of this project，and proposes the corresponding suggestions regarding the analysis calculation results，to ensure the safe tunneling，which can also provide the experiences for similar projects.

Biased tunnel;Finite element analysis;Dark operation of opencut tunnel;Support arch coverexcavation;Open excavation

0 引言

受地形、地貌等因素的影響，在山嶺丘陵區(qū)修建的高速公路隧道洞口段很難避免復(fù)雜地質(zhì)條件、淺埋偏壓等問題。在設(shè)計和施工過程中，如何采用更加合理的進(jìn)洞方案，一直以來都是淺埋偏壓隧道的一大難題。目前已有的研究只是單純針對進(jìn)洞方案進(jìn)行比較，文獻(xiàn)[10]結(jié)合工程實例定性分析對比了偏壓隧道洞口進(jìn)洞方式（偏壓隧道明挖施工法，明洞暗做、護(hù)拱蓋挖進(jìn)洞等）;文獻(xiàn)[11]對常規(guī)拉槽方案、常規(guī)護(hù)拱方案、異形護(hù)拱與反壓擋墻三種方案進(jìn)行綜合對比分析。但尚未見對不同進(jìn)洞方案進(jìn)行量化比較的研究。因此，本文以廣西某大跨徑淺埋偏壓高速公路隧道為依托，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行定量分析，對比不同進(jìn)洞方式（偏壓隧道明挖施工法和明洞暗做、護(hù)拱蓋挖進(jìn)洞法）的可行性，并在此基礎(chǔ)上，選取最佳進(jìn)洞方式，確保隧道安全進(jìn)洞，也為類似工程提供相應(yīng)的經(jīng)驗。

1 工程概況

該隧道設(shè)計時速100 km/h，全長441 m（取雙洞平均值），建筑限界凈寬13.25 m，凈高5.0 m，開挖面積約152 m3，屬大跨徑短隧道，如圖1所示。

隧道洞口段的覆蓋層為第四系崩積碎石土，圍巖主要為石炭系中統(tǒng)黃龍段石灰?guī)r。塊石厚度不均，充填碎石及黏土，工程地質(zhì)穩(wěn)定性較差;石灰?guī)r呈細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，巖體表層節(jié)理裂隙較發(fā)育，較破碎～較完整，隧道洞口與等角線斜交嚴(yán)重，地勢陡峭。

進(jìn)洞方式的選取，應(yīng)遵循“安全、環(huán)保、和諧”的原則，盡量避免破壞山體植被，保持原生態(tài)和原有植被環(huán)境，并通過回填及防護(hù)等措施消除工程開挖所造成的不良地質(zhì)隱患，使工程融入自然且美化環(huán)境。本文采用MIDAS GTS-NX軟件對隧道洞口段明挖施工法（見圖2）和明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法（見圖3）兩種進(jìn)洞方式進(jìn)行數(shù)值模擬分析，選取最佳進(jìn)洞方式。

2 進(jìn)洞方式數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS GTS-NX軟件建立二維典型斷面模型。由于隧道在開挖時，只考慮隧道開挖洞室一定范圍內(nèi)的圍巖壓力影響，應(yīng)考慮消除模型邊界效應(yīng)，水平尺寸取75 m（5B，B為開挖寬度），下部邊界取60 m（4B），隧道上部至地表。約束條件為左右施加水平約束，底部施加豎向約束，頂部為自由邊界。由于隧道為淺埋偏壓隧道，初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，如圖4和圖5所示。明挖法和明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法的施工階段如下頁表3和表4所示。

圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004），結(jié)合實際工程地勘報告及計算經(jīng)驗選取。

巖土體、洞頂回填土石采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)單元采用彈性本構(gòu)模型，偏壓擋墻及護(hù)拱等采用平面應(yīng)變單元，噴混、鋼拱架采用梁單元，錨桿、框架錨桿采用桁架單元，如表1和表2所示。

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 位移分析（見圖6～13）

由圖6可知，明挖法在開挖邊坡時右側(cè)一級邊坡中間處出現(xiàn)最大水平位移29.52 mm（向左）。由圖8可知，右側(cè)邊坡坡腳處出現(xiàn)最大豎向位移27.54 mm（向上隆起），拱頂產(chǎn)生最大沉降值5.28 mm。施工時應(yīng)注意右側(cè)邊坡處的防護(hù)，及時噴錨掛網(wǎng)支護(hù)和土石回填，平衡偏壓力，控制水平和豎向位移。

由圖10可知，明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法施工完成后右側(cè)拱腰處出現(xiàn)最大水平位移15.66 mm（向左）。由圖12可知，右側(cè)拱腳處出現(xiàn)最大豎向位移12.01 mm（向上隆起），右側(cè)拱肩（護(hù)拱落腳處）產(chǎn)生最大沉降值7.56 mm。施工時應(yīng)注意右側(cè)拱腳和拱肩位置的防護(hù)，初期支護(hù)鋼拱架及時閉合，噴錨及時施作，控制圍巖變形。模型的最大位移皆遠(yuǎn)小于預(yù)留變形量120 mm，結(jié)構(gòu)是安全的。

明挖法施工工序簡單，但對原生態(tài)保護(hù)較差，邊坡刷方量較大，施工中巖土體最大水平、豎向位移皆大于明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法;后者雖施工工序較復(fù)雜，但對原生態(tài)保護(hù)較好，邊坡刷方量較少，拱肩沉降值較前者稍大，護(hù)拱施工時應(yīng)注意護(hù)拱與巖土體的連接，嚴(yán)格把控鎖腳錨桿的施工質(zhì)量，確保二者形成一種協(xié)同變形體。

2.2.2 塑性區(qū)分析（見圖14～17）

由圖14～17分析計算可以發(fā)現(xiàn)：明挖法開挖邊坡時塑性區(qū)范圍明顯大于明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法開挖時的塑性區(qū)范圍，主要集中在坡腳處。實際施工開挖后應(yīng)及時對邊坡（尤其是坡腳處）進(jìn)行噴錨防護(hù)，錨桿的施工質(zhì)量應(yīng)得到保證，控制圍巖變形和塑性區(qū)的發(fā)展，待穩(wěn)定后再進(jìn)行下一步施工作業(yè)。而明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法隨著隧道開挖，塑性區(qū)逐漸由右側(cè)拱肩位置擴(kuò)散到右側(cè)拱腳，易形成滑動面，但塑性區(qū)發(fā)展程度不大。在實際施工過程中，為了圍巖穩(wěn)定，右側(cè)導(dǎo)洞開挖前應(yīng)進(jìn)行小導(dǎo)管超前注漿，對地層進(jìn)行預(yù)支護(hù)和預(yù)加固，隧道開挖后及時施作噴錨支護(hù)，控制塑性區(qū)的發(fā)展，控制圍巖變形。

2.2.3 噴混層及鋼拱架應(yīng)力分析（見圖18～24）

由圖18分析計算可知，明挖法施工時噴混最大的壓應(yīng)力為3.57 MPa，位于右側(cè)邊坡坡腳處，遠(yuǎn)小于C25混凝土容許彎曲及偏心受壓應(yīng)力9.6 MPa，結(jié)構(gòu)安全儲備系數(shù)為2.68，結(jié)構(gòu)是安全的。

經(jīng)過分析計算可以發(fā)現(xiàn)：采用明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法開挖左側(cè)導(dǎo)洞時，主洞噴混最大的壓應(yīng)力為0.34 MPa（見圖19），位于導(dǎo)洞拱頂位置;隨著右側(cè)導(dǎo)洞的開挖，左側(cè)導(dǎo)洞下部出現(xiàn)最大壓應(yīng)力為2.50 MPa（見圖21）;隨著初期支護(hù)的完成，隧道噴混最大壓應(yīng)力僅為1.50 MPa（見圖21），遠(yuǎn)小于C25混凝土容許彎曲及偏心受壓應(yīng)力9.6 MPa。結(jié)構(gòu)安全儲備系數(shù)為3.84，結(jié)構(gòu)是安全的。

經(jīng)過分析計算可以發(fā)現(xiàn)：采用明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法開挖左側(cè)導(dǎo)洞時，鋼拱架最大彎曲應(yīng)力為10.57 MPa（見圖22），位于左側(cè)導(dǎo)洞拱頂;隨著右側(cè)導(dǎo)洞的開挖，左側(cè)導(dǎo)洞拱頂最大彎曲應(yīng)力達(dá)到最大值23.89 MPa（見圖23）;隨著初期支護(hù)封閉成環(huán)，鋼拱架彎曲應(yīng)力逐漸減小，最大值降至10.14 MPa（見圖24），出現(xiàn)在右側(cè)上導(dǎo)洞右側(cè)落底處。整個開挖過程中，鋼拱架彎曲應(yīng)力皆小于容許應(yīng)力180 MPa，結(jié)構(gòu)安全儲備系數(shù)為7.53，結(jié)構(gòu)是安全的。分析還表明右側(cè)導(dǎo)洞的開挖，造成了左側(cè)導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)受力的不穩(wěn)定性，因此，在右側(cè)導(dǎo)洞開挖時，應(yīng)盡量控制對左側(cè)導(dǎo)洞的擾動，采用人工開挖，將擾動降至最低。

2.2.4 襯砌及反壓墻應(yīng)力分析（見圖25～28）

經(jīng)過分析計算可以發(fā)現(xiàn)：明挖法開挖時襯砌及反壓墻第一主應(yīng)力極值為1.38 MPa（見圖25），出現(xiàn)在偏壓擋墻底部與襯砌相接處，小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。施工時應(yīng)注意將擋墻與襯砌一起澆筑，保障結(jié)構(gòu)的整體性。第三主應(yīng)力極值為-3.03 MPa（見圖26），出現(xiàn)在右側(cè)拱腰內(nèi)側(cè)位置，小于C30混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，結(jié)構(gòu)是安全的。

經(jīng)過分析計算可以發(fā)現(xiàn)：明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法施工時襯砌及反壓墻第一主應(yīng)力極值為2.55 MPa（見圖28），出現(xiàn)在左側(cè)護(hù)拱處，大于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，這是由于拆除雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時鋼拱架時連接點處兩側(cè)應(yīng)力差造成的。施工中應(yīng)加強(qiáng)此處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)控量測，絕大部分襯砌及反壓墻處于受壓狀態(tài)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的。第三主應(yīng)力極值為-4.17 MPa（見圖28），出現(xiàn)在右側(cè)護(hù)拱外側(cè)位置，小于C30混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，結(jié)構(gòu)是安全的。

3 結(jié)語

通過MIDAS GTS-NX軟件對隧道洞口段明挖施工法和明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法兩種進(jìn)洞方式進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，對于本項目隧道而言，明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法進(jìn)洞更為合理，分析對比結(jié)果如下：

（1）明挖法施工工序簡單，但對原生態(tài)保護(hù)較差，邊坡刷方量較大，施工時最大水平位移29.52 mm（向左），最大豎向位移27.54 mm（向上隆起），拱頂產(chǎn)生最大沉降值5.28 mm;而明洞暗做、護(hù)拱蓋挖施工工序較復(fù)雜，對原生態(tài)保護(hù)較好，邊坡刷方量較少，施工時最大水平位移為15.66 mm（向左），最大豎向位移為12.01 mm（向上隆起），右側(cè)拱肩（護(hù)拱落腳處）產(chǎn)生最大沉降值7.56 mm，最大水平、豎向位移皆小于明挖法施工，但拱肩附近沉降大于明挖法施工。這是因為剛性的護(hù)拱與松散的巖體的連接是通過錨桿實現(xiàn)的，錨桿對巖土層的錨固作用，通過自身的應(yīng)力和應(yīng)變，將二者形成一種協(xié)同變形體，連接牢固與否是此法成功的關(guān)鍵。

（2）明挖法施工時圍巖塑性區(qū)范圍較大，厚度約3 m，施工過程中若防護(hù)不到位，易產(chǎn)生邊坡滑動面;而明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法施工時圍巖塑性區(qū)明顯小于明挖法，厚度約1～2 m，在錨桿加固范圍內(nèi)，不易產(chǎn)生滑動面。

（3）明挖法噴混最大的壓應(yīng)力為3.57 MPa，襯砌及反壓墻第一主應(yīng)力極值為1.38 MPa，第三主應(yīng)力極值為-3.03 MPa，皆滿足結(jié)構(gòu)受力容許值。明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法施工時隨著右側(cè)導(dǎo)洞的開挖，左側(cè)導(dǎo)洞下部噴混層出現(xiàn)最大壓應(yīng)力2.50 MPa，較明挖法施工小;襯砌及反壓墻第一主應(yīng)力極值為2.55 MPa，這是由于拆除雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時鋼拱架時連接點處兩側(cè)應(yīng)力差造成的，絕大部分襯砌及反壓墻處于受壓狀態(tài)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的;第三主應(yīng)力極值為-4.17 MPa，結(jié)構(gòu)是安全的;雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖過程中，臨時鋼拱架最大彎曲應(yīng)力達(dá)到最大值23.89 MPa，遠(yuǎn)小于鋼拱架受力容許值，結(jié)構(gòu)是安全的。

綜上，對于本項目隧道而言，通過采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行定量分析，明洞暗做、護(hù)拱蓋挖法進(jìn)洞更為合理，隧道能安全進(jìn)洞。希望本文研究能為類似工程提供相應(yīng)的經(jīng)驗。

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