基于數值模擬的偏壓隧道開挖順序的研究

竇斌強

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030006)

0 前 言

近些年來，我國的交通事業取得了令世人矚目的發展，隧道作為公路的重要組成部分，不僅隧道建設數量與日俱增，隧道擬建位置的地質條件也日益復雜，黃土地區的偏壓進洞的工況也越來越常見。目前，偏壓隧道在設計進洞方式大多依然采用“從外到內”進行，即將偏向山體外側的隧道作為先行洞施工，待先行洞施工完成，再開挖向內一側的隧道。在開挖內側隧洞時，大多設計方案依然遵循“從外到內”的原則，然而由于存在偏壓因素的影響，此類開挖工法仍然存在一定的問題，從而導致了隧道洞口段山體滑坡、開裂及坍塌等安全事故。因此，仍需要進一步研究在偏壓工況下的隧道合理的開挖步序，從而對此類工況下的隧道設計有實際的指導意義。

1 工程概況

山西省呂梁市某煤業集團運煤專線項目東江隧道設計速度80 km/h，建筑限界為10.25 m×5.00 m(0.75+0.5+3.75+3.75+0.75+0.75 m)，兩洞相距7 m，隧道位于黃土丘陵區，地形溝壑縱橫，隧道進口右側存在溝谷，左側隧洞頂部土層厚度為12 m，右側隧洞頂部土層厚度為4 m，上部土體易發生滑動從而威脅隧道穩定性。

圖1 隧道地形示意圖

針對該隧道特殊的偏壓地形，首先將隧道右側溝谷回填至溝底標高與隧道頂部持平，即回填高度為3 m，然后開始隧道開挖施工。將隧洞1作為先行洞，施工方法為三臺階預留核心土；將隧洞2作為后行洞，待先行洞施工完成后，后行洞方可進行開挖施工，后行洞采用單側導洞開挖方法，剩余部分用兩臺階工法進行開挖。在后行洞的開挖順序上提出了兩種方案，方案一為按照“從外到內”進行施工，即將側導洞置于向外一側，方案二則將側導洞置于向內一側。

2 數值模擬分析

2.1 建立模型與參數選取

據工程具體情況，將洞身圍巖簡化為均質新黃土，依據圣維南原理，結合地形地貌，模型邊界設置寬度為160 m，，下邊界為深度30 m，建立數值模型如圖2所示，模型共102 512個單元，107 272個節點。模擬過程中假定材料為均質，連續且各向同性的；圍巖符合摩爾庫倫本構關系；圍巖的初始應力只考慮自重應力。錨桿的設置依據工程實際進行布設，初期支護采用有限差分軟件內置的shell結構單元，錨桿采用cable錨桿單元進行模擬。圖3為先行洞開挖示意圖，圖4為后行洞開挖示意圖。

圖2 數值模型示意圖

圖3 先行洞開挖示意圖

圖4 后行洞(方案2)開挖示意圖

結合現場的工程數據，考慮到隧道地區的材料特性，材料的具體參數選取見表1。

表1 材料參數選取表

2.2 數值模擬結果分析

(1)豎向位移

圖5 方案1豎向位移云圖

圖6 方案2豎向位移云圖

兩方案先行洞豎向位移大小與位置基本一致，位移均主要集中于兩側拱肩與仰拱處，拱肩位移均為左側下沉右側上移，方案2中的位移數值略大于方案1。方案1中，先行洞拱肩位移主要集中于隧洞上方較小范圍內，洞頂其他位置豎向位移較小；方案2中，先行洞左側拱肩位移較大，且沿山坡一定范圍內均有微小位移。

兩方案后行洞由于施工順序不同，豎向位移分布差別較大，主要體現在：方案1中，由于優先對隧道右側進行開挖，較好的保護了中部圍巖，幾乎沒有發生豎向位移，對隧道剩余部分開挖后，豎向位移主要集中于隧洞頂部一定范圍，對山體擾動較少；方案2中，由于側導洞位于隧道右側，在依次對側導洞與隧洞剩余部分開挖后，兩洞中部圍巖產生了一定豎向位移。且洞頂豎向位移分布于洞頂偏左側一定范圍內，對于山體有可能產生擾動。

(2)水平位移

圖7 方案1水平位移位移云圖

圖8 方案2水平位移位移云圖

兩方案先行洞水平位移分布基本一致，位移均主要集中于兩側拱肩與右側仰拱處，隧洞上部整體向右移動。方案1中的水平位移無論其分布范圍及數值大小均小于方案2。

兩方案后行洞水平位移分布與數值差別較大，主要體現在：方案1中，由于優先對隧道右側進行開挖，較好的保護了中部圍巖，其發生了輕微的向右的水平位移，且對先行洞影響較小，對隧道剩余部分開挖后，后行洞水平位移較小，對山體擾動較少；方案2中，由于側導洞位于隧道右側，在依次對側導洞與隧洞剩余部分開挖后，兩洞中部圍巖產生了明顯水平位移。且洞頂存在向右位移的趨勢，隧洞其他位置兩洞基本一致。

(3)數值模擬結果分析

從兩方案豎向與水平位移云圖中可知，兩種方案隧道位移都受到山體地應力分布的影響，在先行洞開挖完成后，其主要位移必然會地應力保持一定的一致性，這與位移云圖分析一致。然而由于兩方案隧洞2的側導洞位置不同，隧洞2的位移分布存在較大差距。在方案1開挖過程中，由于側導洞位于隧道右側，隧道開挖整體上依照從外到內的原則開挖，圍巖釋放的應力主要由未開挖部分及側導洞襯砌承擔，所以后續開挖對已完成施工的結構擾動較小，這也是方案一中先行洞位移基本不受隧洞2開挖影響以及隧道2的位移主要集中在側導洞左側部分的原因。

在方案2開挖過程中，先行洞開挖完成后，開始對位于隧洞2左側的側導洞進行開挖，由位移云圖中可以得出，側導洞左側產生了較小的水平與豎向位移，說明圍巖壓力主要由側導洞襯砌承擔，而后開始采用兩臺階工法開挖隧洞2剩余部分，側導洞左側圍巖由于導洞開挖已實現局部穩定(從云圖中可以看出此時隧洞2位移值小于方案1的情況)，此時圍巖壓力主要來自隧洞2頂部，從位移云圖中可以得出，此時隧洞2頂部及其右側部分都存在較大的位移，說明在隧洞2剩余部分開挖支護后的圍巖應重分布的過程中，由于襯砌支護的存在，導致隧洞2頂部一定區域內的圍巖產生較大的向右下的位移，最終導致方案2中隧洞1左側拱肩產生較大的位移。

3 結 論

(1)側導洞在隧洞2右側時，對先行洞干擾較少，較好的保護了隧洞頂部右側圍巖的穩定性，同時保證了隧道中部圍巖的穩定性。側導洞在隧洞2左側時，隧道后續施工對山體內部擾動較少，圍巖位移主要產生在隧洞2右側及隧洞1左側部分。

(2)總體而言，應注意隧道先行洞拱肩、后行洞拱頂處的施工及支護，對山體內側的支護參數應適當加強。

(3)綜合上述分析，當偏壓隧道頂部圍巖厚度較小時或山體存在較大的滑動趨勢時，推薦方案2作為施工方案，且應對向外一側隧洞的襯砌適當加強，并應采取措施保證隧道中部圍巖的穩定性；當偏壓隧道頂部圍巖厚度較大時或山體穩定性較高時，推薦方案1作為施工方案，且適當加強隧道最后開挖部分的襯砌。

(4)在本項目中，由于隧洞2頂部土層厚度為12 m，其產生的圍巖壓力較大，故推薦方案1作為施工方案。