淺埋偏壓小凈距隧道施工力學效應模擬分析

陳佐洪 白乾本 牟明俊 陳 強

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100070）

0 前言

隨著城鎮化進程的加快，我國高速公路建設規模在不斷擴大。高速公路多處于山嶺地區，經常會穿越小型坡體的淺埋偏壓隧道，是山嶺隧道中常見的一種隧道類型。由于淺埋偏壓隧道圍巖分布壓力極為復雜，這就導致雙洞或單洞隧道的襯砌結構內力分布不均勻，因此在隧道施工中容易出現山體開裂、襯砌開裂等問題，大大增加施工難度和工程成本。

國內很多學者對具有淺埋、偏壓、小凈距等特征的隧道進行研究，例如王春國[1]采用 FLAC3D 有限差分數值模擬軟件對小凈距隧道施工中的應力應變變化規律和施工方法進行分析；黎成[2]利用FLAC3D系統對小凈距隧道施工階段受力變化進行了分析；劉正剛等[3]對淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力進行探討，并分析不同斜坡坡度、不同埋深、不同凈距對圍巖壓力的影響。這些研究分別對淺埋偏壓小凈距隧道淺埋、偏壓以及小凈距等特征進行分析，但是對隧道施工中的襯砌開裂、巖體開裂等問題研究較少。

因此，該文依托某淺埋偏壓小凈距段隧道施工，采用有限差分軟件，對該類型的淺埋偏壓小凈距隧道施工力學效應進行了模擬分析。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

擬建隧道穿越山嶺地區而建設，隧道區屬構造剝蝕丘陵地貌，呈南東～北西向。左洞起止里程樁號為ZK11K84+175～ZK11K85+263，設計長度1088 m，進、出口隧道路面設計高程分別為120.32 m、138.63 m，最大埋深約125.5 m；隧道右洞起止里程樁號為K84+178～K85+241，設計長度1063 m，進、出口隧道路面設計高程分別為120.32 m、138.09 m，中心最大埋深約133.2 m；為分離式長隧道。

隧道凈空為14.75m×5.00m，左右洞之間的凈距約為9.70m，為淺埋偏壓小凈距隧道。隧道的圍巖性質較差，均為Ⅴ級圍巖，且因為左右洞之間凈距較小，導致后開挖的隧道對先行開挖的隧道存在很大影響，增加了隧道施工難度。

1.2 水文地質條件

1.2.1 水文條件

擬建隧道區域地表水體不發育，主要為溝谷洼地雨季匯水，水量受大氣降水補給影響，洞身段基巖由細砂巖等構成，屬相對隔水層，但遇節理裂隙發育等破碎帶聯通地下裂隙，對隧道洞身施工有影響。地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，其中松散巖類孔隙水主要接受大氣降雨垂直分散滲入補給，其次是基巖裂隙水的側向補給，水量有限且動態不穩定，受季節性影響比較明顯；基巖裂隙水則主要接受大氣降雨垂直分散滲入補給，其次是松散巖類孔隙水滲入補給，具有徑流途徑短、水力坡度大、受季節影響明顯等特點。這就導致隧道區地下水較為豐富，對隧道的施工影響較大。

1.2.2 地質條件

根據工程地質調繪、鉆探及工程物探等結果顯示，擬建隧址區地層結構較為簡單，上覆為第四系殘坡積（Q4el+dl）粉質黏土、碎石等，下伏為寒武系水口群中亞群（∈sh2）細砂巖、頁巖。節理裂隙較為發育，偶見炭質頁巖夾層，層間結合較差，粉質黏土容易引起淺層滑動問題，砂巖和頁巖對隧道襯砌結構受力影響較大。

2 偏壓小凈距隧道施工方法

受擬建隧道地形條件、地質條件的影響，隧道出現嚴重的偏壓情況。為控制山體滑動、減小襯砌結構受力，采取多種工程措施。為保障擬建隧道施工安全，減小襯砌結構受力，在隧道施工中采取預應力錨索加固山體、低預應力中空注漿錨桿加強支護以及小導管環向注漿加固的措施。

具體施工方法如下：1）分別在左線和右線隧道的右側設置偏壓耳墻。2）針對山體變形情況，采用預應力錨索加固山體。3）采用φ25mm的低預應力中空注漿錨桿對中間巖柱進行加固，以增強中間巖柱的結構受力。4）采用φ42mm×4mm小導管對隧道拱部軟弱圍巖以及松散、無黏結土層、自穩能力差的砂層進行環向注漿加固[5]。5）對左右線隧道之間的巖柱采用鋼花管進行注漿加固。此外，為防止淺層滑坡，在右洞的洞頂設置植草防護。

擬建隧道設計為左線先行開挖，待左線洞身襯砌強度滿足設計要求后，再從右線出口開始采用預留核心土法進行開挖，開挖循環進尺小于1 m，施工工序如圖1所示。

圖1 預留核心土法施工工序

3 力學數值模擬方法

3.1 選擇計算參數

根據擬建隧道工程的勘察資料以及相關試驗數據，得到模型中不同地層和支護的物理力學參數，見表1。

表1 不同地層和支護的物理力學參數

3.2 建立數值模型

為了直觀地模擬擬建隧道的地質以及實際開挖情況，采用摩爾庫侖分析模型對隧道開挖過程進行分析，并采用彈性模型，由此可知，隧道支護[4]模型的最上層為粉質黏土，中間層為砂巖，最下層為中風化頁巖，隧道斷面寬度B=15.4 m，洞高H=10.85 m，兩隧道凈距L=9.7 m，隧道偏壓為15°，所建三維數值計算模型如圖2所示。

圖2 擬建隧道三維數值計算模型

3.3 監測數據驗證

以隧道左線ZK11K84+75處和ZK11K84+155兩處為例，拱頂沉降隨開挖步變化數值模擬和現場監測數據的對比曲線圖如圖3和圖4所示。

從圖3、圖4曲線的趨勢可以看出，隧道左線兩處拱頂沉降變化的現場監測數據與數值模擬計算結果基本一致，都是在掌子面開挖接近監測儀器時，拱頂沉降的變化量增大，隨著掌子面開挖越來越遠離監測儀器，拱頂沉降的曲線逐漸趨于平穩。

圖3 隧道左線 ZK11K84+75拱頂沉降隨開挖步變化曲線

圖4 隧道左線 ZK11K84+155拱頂沉降隨開挖步變化曲線

4 結果分析

4.1 應變分析

4.1.1 地表沉降

在隧道中心線左右兩側分別設置10個地表沉降觀測點，觀測結果曲線圖如圖5所示。

從圖5曲線變化趨勢可以看出，在隧道開挖過程中，右線地表沉降變化幅度要遠大于左線，且隨著右線開挖撐子面越接近監測點，地表沉降變化幅度越大，逐漸形成“W”形狀。當左洞開挖完成后，監測到左右洞正上方地表沉降分別為3.4mm、2.2mm；當右洞開挖完成后，監測到左右洞正上方地表沉降分別為7.0mm、6.6mm。由上述地表沉降監測結果分析可知，右洞開挖引起左洞正上方的地表沉降變化量占左洞正上方的地表沉降總變化量的67%，由此可見，后行開挖的右洞對先行開挖左洞的地表沉降有較大影響。

圖5 地表沉降變化曲線圖

4.1.2 隧道沉降

待隧道開挖完成后，總體觀察發現右線隧道略向右傾斜，其原因是先行左線隧道的支護結構對后行右線隧道的開挖起到一定的穩定作用。當左線開挖完成后，監測到左右線正上方地表沉降分別為2.71mm、1.93mm，左右線拱頂沉降分別為6.02mm、0.45mm；當右線開挖完成后，監測到左右線正上方地表沉降分別為5.21mm、5.72mm，左右線拱頂沉降分別為8.16mm、9.32mm，沉降數值均在隧道施工的允許沉降范圍以內。從隧道沉降監測結果來看，由右線開挖引起的左線正上方地表沉降變化量約占總變化量的66%，由右線開挖引起的左線拱頂沉降變化量約占總變化量的55%。由此可見，后行開挖的右線第先行開挖的左線正上方地表沉降和拱頂沉降影響都比較大，但是右線開挖對左線地表沉降的影響要遠大于對左線拱頂的影響，出現這種現象的原因是在右線開挖時，地表未采取任何工程措施，而拱頂則進行了支護施工。

4.2 應力分析

在應力模擬分析中，選取隧道特征部位的主應力最值進行分析，具體分析結果見表2。

從表2相關數據中可以得到以下應力分析結論：1）隨著左線隧道的開挖，圍巖的應力場重分布，兩線隧道拱腰、拱頂以及夾巖處的最大主應力和最小主應力均出現了大幅度增加。例如，左線拱腰主應力最大值由開挖前的0.68MPa增加到右線開挖完成后的1.20 MPa；與此同時，受隧道偏壓的影響，左線拱腰、拱頂的主應力均略大于右線。2）隨著右線隧道的開挖，夾巖的豎向主應力在不斷增大，增大到1.70MPa，略大于左線開挖完成后的主應力，由此可以看出，先行開挖左線隧道的支護結構對后行開挖的右線隧道也起到一定的穩定作用，最大主應力1.70 MPa小于巖石的最低抗拉強度2.0 MPa，因此不會造成破壞。3）在隧道開挖過程中，左線隧道拱腰的最大主應力和最小主應力均出現了小幅度的增加，由此可見，由于左右線隧道的開挖造成的應力重分布，左右線隧道的拱頂和拱腰處的主應力呈增加趨勢，隨之也會增加隧道襯砌結構的剪應力，進而增加左右線隧道間夾巖的主應力和剪應力，最終導致左右線隧道拱腰處應力比較集中。

表2 隧道特征部位的主應力最值 （單位：MPa）

4.3 受力分析

在受力模擬分析中，選取隧道襯砌結構特征部位的彎矩和軸力進行分析，見表3。

表3 隧道襯砌結構特征部位的彎矩和軸力

從表3的相關數據中可以得到以下結論：1）隨著左線隧道的開挖，圍巖的應力場重分布，左線隧道拱腰和拱頂處的彎矩和軸力均出現了大幅度增加，且因為右線隧道的拱腰更靠近左線隧道，所以在左線隧道開挖過程中對右線拱腰的影響要大于拱頂，但受力相對較小。2）隨著右線隧道的開挖，左線隧道拱腰和拱頂的彎矩和軸力大幅度增加增加，如左線隧道拱腰的彎矩增幅達到了41%，左線隧道拱頂的彎矩增幅達到了22%；左線隧道拱腰的軸力增幅為3.6%，左線隧道拱頂的軸力增幅為6.8%，通過計算可知，左線隧道軸力的變化量要小于彎矩的變化量。由此可見，右線隧道的開挖對左線隧道彎矩的影響大于軸力的影響。3）受隧道偏壓和左線先行開挖的影響，左線隧道拱腰、拱頂的受力情況均大于右線，因此在開挖施工中要加強左線相關部位的監測，必要時采取相應的加固措施。

5 結論

該文采用有限差分軟件建立數值模型，對以某淺埋偏壓小凈距段隧道施工工程為背景的淺埋偏壓小凈距隧道在施工擾動下的力學行為進行了分析，并通過現場監測對模型數據的正確性進行了驗證，得出以下結論：1）在隧道偏壓的影響下，左線隧道的沉降、應力和受力等情況均比右線隧道的大，因此在隧道開挖施工中要加強對左線隧道的監測。2）在隧道開挖后，左右線隧道拱腰、拱頂以及夾巖的主應力均出現了大幅度增加，導致隧道襯砌結構和夾巖的剪應力也增大了，最終表現為左右線隧道拱腰處應力集中。3）與左線隧道軸力的變化量相比，右線隧道的開挖對左線隧道彎矩的影響大于軸力的影響。