偏壓隧道開挖工序優化研究

摘要：本文以中鐵十七局集團城市建設有限公司承建的上坪園隧道開挖工程為研究背景，利用有限元軟件 ABAQUS 模擬環形開挖留核心土法的施工過 程，分析隧道開挖對其自身結構及周邊圍巖的影響。結果表明：隧道開挖會引起周邊圍巖及隧道結構產生一定的變形;合理的隧道開挖工序可有效降低施 工擾動對周邊環境的影響。研究成果可為今后類似工程提供借鑒。

關鍵詞：山嶺隧道;有限元;環形開挖留核心土法;隧道開挖工序

引言

線路在設計可能會使山體走向與隧道軸線斜交，使隧道兩面承受的載 荷不一致，造成山體對隧道形成偏壓。隧道在開挖時，圍巖與支護結構受 力不均勻，容易引起大變形，影響隧道安全[1-2]。故開挖工序不合理可能對 隧道及圍巖變形產生嚴重影響 [3]。本文依托上坪園隧道工程，采用 ABAQUS 軟件模擬了不同開挖工序下圍巖的受力與變形，分析了環形開挖留核心土 法不同開挖工序對隧道的影響程度，對今后類似工程具有一定借鑒價值。

1 工程概況

上坪園隧道位于 G351 湖北省恩施州咸豐縣小村鄉荔木村附近，該隧道 為單洞開挖隧道，開挖跨度 12m，開挖面積約 100m2。洞身主要穿越志留系 龍馬溪組砂質頁巖，地層分布較穩定，圍巖級別為Ⅴ級。隧道下穿小李線 （5m 寬水泥路），該既有路施工期為周邊村莊居民出行通道。隧道采用環 形開挖留核心土法施工，采用超前小導管進行超前支護。

2 有限元模型的建立

2.1 模型概況

采用 ABAQUS 軟件建立上坪園隧道的二維平面應變模型，計算模型遵 照彈塑性理論影響范圍，基于圣維南原理[4] ，取模型范圍為橫向 150m，豎 向 60m。計算模型左、右邊界施加水平約束，底部邊界施加法向約束，邊 坡及地表為自由邊界，不受任何約束。整體有限元模型如圖 1 所示。

2.2 模型參數

模型中所有部件均采用 CPE4 單元，其中圍巖采用摩爾-庫倫本構，其 它結構體均采用彈性本構。計算參數如表 1 所示。

2.3 分析工況

為了分析環形開挖留核心土法不同開挖工序對隧道及圍巖的影響，如 圖 1 所示，設置工況一的開挖工序為 1-2-3-4-5-6，工況二的開挖工序為 3-2-1-4-6-5。本次模擬共 8 個施工步，主要涉及巖體開挖、隧道支護等過 程。施工步 1 為初始應力場分析;施工步 2 至施工步 4 為開挖上側環形導 坑，并施作上側初期支護;施工步 5 是開挖中部核心土;施工步 6 至施工 步 7 是開挖下臺階，并施作下側初期支護;施工步 8 為施作二次襯砌。

3 數值仿真結果分析

3.1 應力分析

在隧道圍巖中取 8 個監測點（圖 1），分析隧道開挖圍巖的應力情況。圍巖各監測點的應力值大小如圖 2 所示。

由圖 2 可知，兩種工況下圍巖的應力最大值均出現在監測點 7，即圍 巖左拱腰的位置，工況一的應力最大值為 0.69MPa，工況二的應力最大值 為 0.88MPa。且除了監測點 8 外，工況二其余監測點的應力值均比工況一 大，表明工況一下圍巖整體比工況二更加穩定。說明在偏壓隧道中，改變 隧道開挖的工序可以有效增加隧道的穩定性。環形開挖留核心土法隧道上 側初支和下側初支施作的時間存在先后性，這就涉及到隧道初支受力體系 的轉換，而圍巖的應力前期主要靠隧道初支來承擔，故在上側初支與下側 初支銜接的地方容易產生應力集中，施工過程中應對此位置特別關注。

3.2 圍巖變形

圍巖位移隨施工步的變化情況如圖 3 所示。

由圖 3 可知，隧道的施工開挖會引起圍巖的拱頂沉降變形和拱底隆起 變形，圍巖的最大變形值即為拱頂的-2.55mm 和拱底的 2.38mm。開挖過程 中，在開挖步 2 至開挖步 4，拱頂的沉降變形量增長迅速，之后趨于平穩，這是由于隧道開挖采用的是環形開挖預留核心土法，開挖步 2 至開挖步 4 時恰好是在開挖隧道上側巖體，而開挖步 6 至開挖步 7 則是在開挖隧道下 側巖體，拱底的隆起隨著開挖的進行一直在增加也是此原因。圍巖拱腰處 的變形值也較大，且在開挖步 2 至開挖步 4 工況一和工況二左右拱腰處的 沉降變化有較大差異。這主要是因為工況一是先開挖左側，再開挖右側，故工況一左拱腰沉降變化先快后慢，右拱腰沉降變化先快后慢，而工況二 時則正好相反。隧道側墻位置的變形量最小，受開挖工序的影響也最小。

3.3 地表及邊坡變形

選取地表及邊坡的幾個監測點（圖 1），分析隧道施工開挖的影響，見圖 3。

圖 4 可以看出，和隧道圍巖變形一樣，邊坡及地表在開挖步 2 至開挖 步 4 一直在發生沉降變形，之后的變形則相對較緩。相比與其他位置的變 形量，監測點 E 和 F 的沉降值非常小，即隧道開挖對坡底的影響最小。隧 道開挖對監測點 C 和 D 的影響最大，此處在邊坡的邊坡點附近，最大沉降 值為 1.34mm。監測點 A 所在位置為隧道上方的小李線，沉降僅為 0.6mm，影響較小。隧道開挖的影響程度主要是隧道與邊坡的相對位置所決定的。工況一時地表及邊坡的變形量明顯比工況二要小，表明合理的隧道開挖工 序可有效降低對周邊環境的影響。

4 結論

（1）隧道開挖會引起圍巖拱底的隆起與拱頂的沉降，邊坡與地表也會 產生一定的沉降，其影響程度與隧道和邊坡的相對位置有關。

（2）合理的隧道開挖工序可有效降低施工擾動對周邊環境的影響。

參考文獻：

[1]楊彥亮，李錫波，毛洪錄.高地應力條件下深埋隧道開挖方式數值優 選及工程應用[J].隧道建設，2013，33（09）：735-740.

[2]孫洋，陳建平，余莉，等.淺埋偏壓隧道軟巖大變形機理及施工控制 分析[J].現代隧道技術，2013，50（5）：169-174.

[3]王薇，鄒江海，潘文碩，等.不同施工順序對陡坡偏壓小凈距隧道圍 巖穩定性的影響研究[J].中國安全生產科學技術，2016，12（8）：28-33.

[4]牟智恒，嚴濤，田明杰，張佳鑫.鄰路基變坡條件下淺埋偏壓隧道施 工工法及合理開挖工序研究[J].土木工程學報，2017，50（S2）：203-208.

作者簡介：韓苗（1985-） ，男，本科，工程師。研究方向：隧道及地 下工程。