淺埋偏壓清水2號隧道施工收斂性分析

袁 毅

(中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

山區公路隧道建設時常需要選在圍巖埋深較淺、風化程度較高的地點修建洞口。復雜的地質情況使得隧道出入口處的結構變形規律不同于常見的隧道主體段，其淺埋偏壓的特征會對隧道圍巖和支護結構的穩定性產生很大的影響[1]，所以在隧道施工中會要求監測人員對隧道進行全方位的監測。但隨著隧道掘進，監測人員的工作量顯著增加，給施工組織帶來了很大的難度。所以，亟需探索出淺埋偏壓隧道施工過程中襯砌的收斂變形規律，為現場施工預警最大風險出現的位置，降低監測人員的工作量。

目前，在這方面國內外學者針對淺埋、偏壓隧道圍巖穩定性方面已做了大量的研究和探討。盧光兆等[2]利用有限元軟件對淺埋偏壓隧道施工進行模擬，確定每次開挖控制在2 m內為最佳；李文韜等[3]通過現場實測與數值模擬確定了隧道上臺階開挖拱頂沉降值占總體沉降的80%以上；萬建國等[4]采用數理統計方法對淺埋偏壓隧道的襯砌病害進行分析；白皓等[5]等研究了偏壓隧道變形破壞機理；王凱等[6]基于強度理論對淺埋隧道穩定性進行了分析；盧偉等[7]采用雙強度折減法探究淺埋偏壓隧道的安全性以及破壞模式。

綜上，針對淺埋偏壓隧道受力變形已有較多研究，但相關研究大多是針對隧道受力穩定性而言，對隧道拱頂收斂規律的研究不多[8－9]。本文擬通過數值模擬的方法，將清水2號隧道進口段工程項目作為背景，以研究淺埋偏壓隧道施工襯砌結構穩定性[10]為出發點，利用Midas Gts Nx軟件建立數值模型，分析隧道施工中襯砌收斂變形規律[11]，確定施工過程中最大風險點出現的位置，從而指導現場監測工作，為類似隧道施工監測提供參考。

2 工程概況

國道G109工程作為北京連接河北的一條新線高速，建成后將大大緩解京西北、京西南地區的交通壓力，滿足京冀一體化的交通需求，帶動社會經濟發展。這條高速公路建成，將改善太行山革命老區及沿線其他地區交通條件，實現京冀貧困地區高等級公路全覆蓋，進一步帶動經濟社會發展，幫助精準脫貧。

清水2號隧道為G109高速公路重點控制性工程，所在地區地質構造復雜，主要為第四系坡洪基碎石及強風化侏羅系髫髻山組安山巖、角礫熔巖、火山碎屑巖等，地層節理裂隙發育，圍巖強度較低，圍巖等級為Ⅳ級，如圖1所示。

根據隧道工程地質條件、圍巖特征，遂采用三臺階法進行施工。

3 隧道施工收斂數值模擬

清水2號隧道入口段淺埋偏壓特征明顯，圍巖受力較為復雜，因此，從安全角度出發，利用Midas Gts Nx對淺埋偏壓隧道三臺階施工法進行有限元模擬[12]，并對施工過程中的襯砌收斂進行分析，為現場監測提供參考。

3.1 模型參數

對實際工程進行數值模擬計算，應使模擬采用的參數盡可能符合實際工程的尺寸、材料等真實數值，但為了計算方便，在不影響模擬分析結果的前提下可進行適度的簡化。本次模擬作以下假定:

(1)將圍巖視為各向同性的均勻連續介質。

(2)不考慮地下水的影響，只考慮自重引起的應力場。

基于以上假定，本模型圍巖采用摩爾－庫倫本構模型，襯砌和錨桿采用彈性本構模型。模型的頂部為自由面、四周添加水平約束、底部添加固定約束。隧道高10 m，寬15 m，施工進尺為2 m。本文建立的有限元模型如圖2所示。

隧道施工Ⅳ級圍巖、襯砌及錨桿的物理力學參數如表1。

3.2 模擬結果分析

本文重點關注上臺階開挖對淺埋偏壓隧道拱頂及拱肩的沉降變形，忽略中下臺階開挖對掌子面前方隧道拱頂及拱肩的沉降變形影響。為進一步分析上臺階開挖對其沉降變化的影響規律，分別提取出不同掘進深度時隧道拱頂及拱肩的收斂變化值，繪制圖形如圖3～圖4所示。

圖4 拱肩沉降值

由圖3可知，隨著隧道掘進，當隧道掘進深度小于20 m時，已開挖隧道拱頂的沉降變形趨勢較明顯，且距離掌子面越遠，沉降值越大；當隧道掘進深度大于20 m而小于40 m時，拱頂距離掌子面越遠，沉降值越大，但拱頂距離掌子面大于20 m外的地方，沉降值趨于平緩；當隧道掘進深度大于40 m后，拱頂沉降最大值出現在掌子面后方15 m左右的位置，拱頂沉降值從洞口到掌子面呈現出先增大后減小的趨勢。

由圖4可知，隧道掘進過程中，拱肩的沉降趨勢與拱頂大致相同，但右側拱肩沉降值要大于左側拱肩沉降值，卻小于拱頂沉降值。由于是淺埋偏壓隧道，施工時隧道受力不均勻，需對左右拱肩進一步分析，遂提取出部分隧道掘進深度下，以拱頂與拱肩的最大沉降值距離掌子面的距離為x軸繪制圖形如圖5所示。

圖5 最大沉降值位置

由圖5可知，當隧道掘進深度大于40 m之后，拱頂的最大沉降值出現在距離掌子面15 m左右的位置，而左右拱肩的最大沉降值出現在距離掌子面后方20 m的位置，可以得出左右拱肩的沉降最大值與拱頂的沉降最大值并不出現在同一截面，施工時需對這些位置進行重點監測。

由圖6可以看出，對于施工引起的隧道拱腰水平收斂變形，右側埋深高處的收斂值比左側埋深低處的收斂值要大，且隨著埋深的增加，其差值逐漸增加，直至到達拱腰收斂值最大處，拱腰收斂最大值出現在距離掌子面后方10 m的位置；相比于拱頂與拱肩處的沉降，拱腰的收斂值較小。

圖6 拱腰收斂

4 現場監測與模擬結果分析

然而對于實際情況，現場圍巖并不是簡單的均質體，其具有非常復雜的性質，同時在施工過程中會出現諸多不確定的因素，所以數值模擬得到的數據與現場施工實際情況，具有一定的差異性。為了驗證數值模擬的準確性，利用BJSD-6型隧道斷面掃描儀對洞口拱頂變形進行持續性監測，將監測結果與數值模擬結果繪制成圖7。

圖7 拱頂沉降曲線

由圖7可以看出，現場監測的數值比數值模擬的值要略大，這是由于模型參數來源于實驗室力學實驗，因實驗環境可控，而現場環境的不可控性，導致圍巖參數與試驗參數具有一定差異，但二者變形規律一致，這說明模型模擬存在一定的合理性，可以在一定程度上為本隧道施工提供參考建議。

5 結論

本文結合清水2號隧道工程，利用有限元軟件Midas Gts Nx模擬淺埋偏壓隧道的施工過程，研究了隧道襯砌的沉降變化與隧道掘進深度的關系，得到以下結論:

(1)當隧道掘進深度小于20 m時，隧道的沉降變形趨勢較明顯，且距離掌子面越遠，隧道沉降值越大；當隧道掘進深度大于20 m而小于40 m時，距離掌子面越遠，隧道沉降值越大，但距離掌子面大于20 m外的隧道，其沉降值變化趨于平緩；當隧道掘進深度大于40 m后，隧道沉降值從洞口到掌子面呈現出先增大后減小的趨勢，拱頂沉降最大值出現在掌子面后方15 m左右的位置，而拱肩沉降最大值位于隧道掌子面后方20 m處。

(2)隧道拱腰收斂變形最大值出現在掌子面后方10 m的位置。

(3)本文結合現場監測與數值模擬，預測了清水2號隧道現場施工時隧道變形最大值出現的位置，為現場監測工作提供指導，并為類似地質條件隧道施工監測提供參考。