淺埋偏壓隧道環形預留核心土開挖數值分析

閆立群

（山西長興路橋工程有限公司，山西 長治 046000）

環形開挖預留核心土法因為具有預留核心土和分部分開挖的特點，能夠有效控制隧道開挖過程中的圍巖變形，所以在一定程度上能夠解決淺埋偏壓隧道圍巖受力不對稱、開挖環境較復雜和易發生坍塌的問題。

一、工程概況

某公路隧道工程隧道起訖里程DK124+206～DK124+895，全長689m，為雙線單洞。隧址區位于中低山地區，隧道穿越的山體陡峻、流水侵蝕嚴重、地形起伏較大，為丘陵-低山地貌。綜合該工程區的地貌及標高和切割深度，認定隧址區屬于低山地貌，圍巖破碎、整體性差，圍巖等級為Ⅴ級。

該工程采用的環形開挖預留核心土法，因為預留核心土的存在，給予掌子面反向推力，有利于開挖過程中圍巖變形，常用于較破碎的IV級和V級圍巖。主要施工步驟：開挖上部斷面環形土，預留核心土→施作上部斷面錨桿，噴射混凝土→開挖核心土→開挖下部土，剩余部分初支施作。

二、隧道模型建立

假定圍巖性質為連續、均質及各向同性，初始地應力場為自重應力，即采用摩爾—庫倫屈服準則。初期支護中噴射混凝土采用2D板單元模擬，錨桿采用1D植入式桁架單元模擬，巖體采用3D實體單元模擬。

計算區域選取約5倍洞徑左右，橫向60m、縱向30m，隧道淺埋側為36m，深埋側為48m。模型方向規定隧道開挖方向為Y軸正向，豎直向下為Z軸正向，隧道掘進橫斷面向左方向為X軸正向。

模型邊界X、Y方向位移面施加約束，底部邊界Z方向位移面施加約束。隧道圍巖土體為軟巖，圍巖等級為Ⅴ級，采用噴錨支護的方式，錨桿采用2×1.8m間距布置。

根據《公路隧道設計細則（JTG/T D70-2010）》，隧道的圍巖參數如表1所示，支護參數如表2所示。

表1 模型計算土層物理力學指標

表1 模型計算土層物理力學指標

表2 噴錨支護材料參數

表2 噴錨支護材料參數

三、圍巖位移及塑性變形分析

如圖1所示，淺埋偏壓隧道開挖完成后，圍巖豎向位移整體分布因為偏壓而未沿隧道中心軸對稱。因為隧道右側埋深更深，拱頂豎向位移分布整體往右偏移一定距離，底部隆起位移分布整體往左偏移了一定距離。圍巖拱頂沉降最大值位于拱頂偏右一定距離靠近右側拱肩處，最大值為-2.07mm，底部隆起位移最大值位于底部偏左一定距離靠近左側拱腳處，最大值為2.27mm。

圖1 隧道圍巖豎向位移分布圖

同理，圍巖的水平位移分布也未沿隧道中心軸對稱，在開挖S2上部土后隧道深埋側拱肩處及隧道淺埋側拱腳處均出現了位移較大值，最大位移分別為-0.256mm和0.275mm。

隨著隧道開挖，開挖對地表位移影響范圍也逐漸擴大，在開挖完成之后圍巖水平位移較大位置均位于隧道深埋側拱肩、拱腳靠近拱腰處，淺埋側拱腳和拱肩靠近拱腰處。

四、圍巖應力分析

隧道開挖完成后圍巖應力發生應力重分布，應力分布未沿隧道中心軸對稱。

圍巖水平應力S-XX主要集中在隧道底部及頂部，拱頂處水平應力分布偏向深埋側，此時圍巖水平最大拉應力為1.23×102kN/m2，位于隧道底部偏淺埋側；最大壓應力為-6.63×102kN/m2，位于隧道深埋側拱腳處。此外，在隧道深埋側拱肩及淺埋側拱腳處均出現了應力集中現象，最大水平應力值為-73.35kN/m2。

同理，隧道頂部、底部豎向應力整體分布也分別往深埋側、淺埋側偏移，且頂部及底部出現拉應力，最大拉應力值為33.29kN/m2，最大壓應力值為-1.56×103kN/m2，位于隧道深埋側拱腳處，圍巖受壓能力較強。

五、支護受力分析

如圖2所示，因為偏壓的存在，噴混結構受力不對稱，最大主應力整體分布向隧道深埋側一定距離發生了偏移，最大主應力中最大拉應力并不位于隧道拱頂，而位于拱頂右側一定距離靠近拱肩處，最大拉應力為1.404×103kN/m2。

圖2 開挖完成后噴混結構最大主應力分布圖

同時，如圖3所示，因為錨桿限制圍巖向洞內變形，絕大多數錨桿處于受拉狀態，錨桿軸力由桿頭至桿尾逐漸增大。隧道偏壓導致深埋側錨桿軸力整體大于淺埋側錨桿軸力，軸力最大的錨桿位于深埋側隧道拱肩處，軸力最大值為14.25kN。

圖3 開挖完成后錨桿軸力圖

六、結語

在隧道開挖過程中，隧道深埋側拱肩處及隧道淺埋側拱腳處均出現了位移較大值，應針對性地加強對隧道深埋側拱肩及淺埋側拱腳處的圍巖變形監控。

隧道開挖完成后，在隧道深埋側拱肩及淺埋側拱腳處均出現了應力集中現象。又因為偏壓，噴混結構受力不對稱，最大拉應力位于拱頂右側一定距離靠近拱肩處。所以，在針對偏壓隧道支護設計時，除了注重拱頂及底部的圍巖支護，還需要加強深埋側拱肩及底部淺埋側拱腳的支護。