淺埋偏壓隧道CD法施工圍巖變形規律研究

趙春鵬 朱軍

摘 要：在淺埋偏壓隧道施工過程中，由于地質條件復雜多變，地應力分布不均勻，使得施工過程中極容易發生重大災害問題。本文以廣東省某隧道淺埋偏壓段為例，采用數值模擬的方法分析了CD法開挖過程中各階段圍巖變形規律。研究結果表明：（1）淺埋偏壓隧道施工過程中圍巖的變形在大小和方向上呈現出明顯的非對稱性，在先行導洞開挖過程中，支護結構最大位移均在左拱腰處。（2）上臺階施工對于圍巖的位移影響大于下臺階施工，后行導洞施工對于地表位移的影響大于先行導洞施工。

關鍵詞：淺埋偏壓隧道;CD法;施工工藝

中圖分類號：U451.2 文獻標識碼：A

隨著交通強國重大戰略決策的實施，我國正逐漸從交通大國向交通強國邁進，對于基礎交通尤其是橋梁、隧道等重要結構物的要求也在逐漸的提高。隧道工程作為高速公路施工的關鍵性控制工程，保障其施工過程中圍巖的穩定和安全是重中之重[1-2]。在淺埋偏壓地段，隧道的受力和變形就變得尤為復雜，現場工作人員往往因為對于圍巖的變形規律不熟悉，因此不能準確的判斷圍巖的穩定狀態，從而導致事故的發生。

本文以廣東省某隧道為例，利用FLAC3d軟件分析在淺埋偏壓路段采用CD法施工時各個階段圍巖的變形規律，并對各個階段需要關注的施工重點進行了總結。

1 工程背景

1.1 工程地質

擬建隧道位于溝谷斜坡-丘陵地貌區，進口段山坡坡度10°～30°，中部一般30°～50°，出口段山坡坡度較陡，一般20°～40°。地質構造比較復雜，以斷裂構造為主，褶皺構造與斷裂相伴而生。

1.2 研究段落內支護參數

以隧道左線ZK63+400為例，該段落隧道埋深約為10 m，設計為Ⅴ級圍巖。超前支護采用Φ42超前小導管支護，長度為4.5 m，環向間距40 cm。初支支護采用I18鋼拱架，縱向間距75 cm，系統錨桿為Φ25中空注漿錨桿，長3.5 m，間距100×75 cm。

2 隧道施工建模

采用FLAC3d軟件模擬該隧道ZK63+400斷面，埋深為10 m，坡面與水平面的夾角為30°，縱向長度為2 m，隧道兩邊及底部各取30 m。初期支護采用shell單元模擬，同時將初期支護的工字鋼采用等效剛度的原則計算結構參數。開挖步驟為：先行導洞上臺階→先行導洞下臺階→后行導洞上臺階→后行導洞下臺階。計算模型參數根據地勘成果及相關規范確定。

3 計算結果分析

3.1 圍巖水平位移分析

隧道CD法開挖各個階段水平位移如圖1所示。從圖中可以看出在淺埋偏壓條件下隧道的水平變形與非偏壓條件下隧道的水平變形有著較大的區別。首先，圍巖的水平位移在方向和大小上均表現出明顯的非對稱性，以先行導洞上臺階開挖為例，圍巖的最大正水平位移為3.8 mm，位于左拱腰處，方向與邊坡坡面大致呈正交，最大負水平位移為6.5 mm，處于臨時支撐中部，且其位移量明顯大于最大正水平位移。這是由于對于淺埋偏壓隧道而言，初始最小主應力往往沿著坡面方向，最大主應力則與坡面近似垂直，這就使得隧道開挖后圍巖位移方向往往沿著最大主應力方向。另外，初期支護的半徑小于臨時支護的半徑，使得初期支護能更好的發揮拱結構的承載特性，因此其位移相對較小，約為臨時支護最大位移的58%。

其次，各個施工階段最大水平位移的變化量并不相同，分別為6.5 mm，7.6 mm，18.9 mm，20 mm，說明上臺階開挖對圍巖水平位移的影響較下臺階明顯更大。這是因為一方面上臺階開挖過程中圍巖壓力得到了一定的釋放，使得作用在支護上的力顯著增大;另一方面下臺階的開挖使得支護體系封閉呈環，極大的提高了支護體系的承載能力。

3.2 圍巖豎直位移分析

隧道CD法開挖各個階段豎直位移如圖2所示。圍巖豎直位移與水平位移有著相似的變形規律。首先，拱頂與隧底位移的大小和方向并不對稱，拱頂的沉降位移為11.4 mm，位于左拱腰，與最大水平正位移處于相同的位置，但其數值遠大于水平位移值3.8 mm。說明先導坑上臺階開挖過程中初期支護的位移主要以沉降為主。各個施工階段中拱頂位移值分別為11.4 mm、12.4 mm、34.7 mm、36.6 mm，同樣表現出上臺階開挖圍巖位移的變化量大于下臺階。先行導坑下臺階施工圍巖拱頂豎向位移增加1 mm，后行導洞下臺階施工圍巖拱頂豎向位移增加1.9 mm，總體位移變化量差距不大，后行導洞下臺階施工對圍巖位移的影響略大于先行導洞。以隧道拱頂上方地表的沉降為例，各個施工階段中地表沉降量分別為0.6 mm、0.7 mm、2.7 mm、2.9 mm，這說明先行導洞施工由于開挖面積不大，因此對于地表的沉降影響相對較小，而后行導洞的施工使得臨空面變大，使得地表沉降陡然增加。因此在施工過程中應著重關注后行導洞施工對地表沉降的影響。

4 結論

本文以廣東省某隧道為例，通過FLAC3d軟件進行建模分析，得出了如下主要結論。

（1）淺埋偏壓隧道施工過程中圍巖的變形在大小和方向上呈現出明顯的非對稱性，在先行導洞開挖過程中，支護結構最大位移均在左拱腰處，臨時支撐的水平位移大于支護結構的水平位移。

（2）上臺階施工對于圍巖的位移影響大于下臺階施工，后行導洞施工對于地表位移的影響大于先行導洞施工，因此應根據施工過程中圍巖變形的特點進行有針對性的監測與預警，保障隧道的施工安全。

參考文獻：

[1]韓立志.淺埋偏壓隧道雙側壁導坑法開挖數值模擬研究[J].公路，2020，65（05）：324-328.

[2]李文韜，張擁軍，劉思佳，等.山嶺隧道淺埋偏壓段塌方冒頂分析及工法優化[J].公路，2020，65（01）：309-314.