偏壓多孔小凈距隧道拱頂豎向位移規(guī)律計算分析

張 帆

(福建省交通規(guī)劃設計院有限公司，福建 福州 350004)

隨著交通建設的快速發(fā)展，受線形及工程地質(zhì)條件的限制，小凈距隧道位于淺埋偏壓等復雜地形、地層的情況日益增多。由于偏壓地形會產(chǎn)生不平衡推力，若設計和施工中未采取可靠的工程措施，偏壓地形將會導致隧道初支破壞，甚至引起滑坡等災害，給工程施工工期、施工風險控制帶來不利影響。因此，有必要對淺埋偏壓隧道的安全建設進行研究。

為掌握淺埋偏壓段小凈距隧道開挖期間圍巖變化、結(jié)構(gòu)安全等情況，國內(nèi)外學者對不同地質(zhì)、地形條件下，淺埋偏壓隧道的受力、變形等進行了研究[1-6]。但上述研究一般都針對雙孔小凈距隧道偏壓條件下的圍巖變形和安全，對偏壓條件下多孔小凈距隧道的施工圍巖穩(wěn)定和安全方面的研究相對較少。本文依托南安市酧嶺隧道，利用有限元軟件，對城市多孔小凈距隧道洞口段淺埋偏壓條件下，施工期間的隧道拱頂豎向位移規(guī)律進行計算研究，可為今后類似工程建設提供借鑒。

1 工程概況

為確保隧道洞口偏壓段開挖期間的穩(wěn)定，主洞隧道采用雙側(cè)壁導坑法開挖，輔洞隧道采用中隔壁法開挖，并采用注漿小導管進行中夾巖加固。主輔洞施工順序為：右側(cè)輔洞→右側(cè)主洞→左側(cè)輔洞→左側(cè)主洞，開挖支護順序施工步如圖1所示。

圖1 計算斷面施工工序

2 建立數(shù)值分析模型

2.1 計算模型

由于所選計算斷面圍巖等級為Ⅴ級，其中主洞埋深大于其荷載等效高度，輔洞埋深小于其荷載等效高度。因此，基于地層-結(jié)構(gòu)法進行隧道施工過程計算分析(圍巖及支護變形計算及主洞初期支護強度驗算)，基于荷載-結(jié)構(gòu)法進行隧道支護結(jié)構(gòu)計算分析(輔洞初期支護強度驗算)。

2.1.1 地層-結(jié)構(gòu)法

根據(jù)依托工程實際情況，采用MidasGTS軟件基于二維彈塑性有限元方法，將圍巖變形等簡化為平面應變問題，按地層-結(jié)構(gòu)法對選取洞口段的淺埋偏壓斷面進行計算。計算分析中進行如下假定：①僅考慮自重應力場；②不考慮超前支護；③開挖后立即施作初期支護，不考慮二次襯砌。④隧道開挖過程中荷載釋放系數(shù)根據(jù)《公路隧道設計細則》(JTG/T D70-2010)，按如下原則設定，對于Ⅴ級圍巖，當前圍巖開挖荷載釋放系數(shù)為20%，初期支護施作后荷載釋放系數(shù)為60%，由于計算模型中不考慮二次襯砌，在隧道全部完成后設置虛步，釋放剩余20%。

圍巖本構(gòu)關系采用基于莫爾-庫倫屈服準則的理想彈塑性本構(gòu)關系，圍巖采用四邊形及三角形單元進行模擬；支護結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)關系，噴射混凝土采用梁單元進行模擬，系統(tǒng)錨桿及中夾巖加固區(qū)僅考慮將相應地層的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ值提高20%，其余參數(shù)不變。選取計算斷面如圖2所示，建立模型如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.1.2 荷載-結(jié)構(gòu)法

臨床的藥品管理工作是護理管理中不可缺少的組成部分，[4]藥品的管理工作的優(yōu)劣直接影響藥品的質(zhì)量及患者的安全。積極的采用“6S”管理的制度來進行優(yōu)化的藥品管理，不僅節(jié)省了心血管內(nèi)科護士的護理人力支援，也加強完善了本科室的藥品管理的相關規(guī)章制度，很好的強化了護士管理藥品的規(guī)章制度。精簡了藥品的種類和數(shù)量，規(guī)范了藥品擺放位置，統(tǒng)一了醒目的標識，保證了藥品管理和使用安全，提高了護士工作效率。而且提升了護理工作質(zhì)量。護士既是臨床藥品的保管者也是藥品使用的直接責任者。[5]努力按要求做好藥品管理應是護士基本職責。

根據(jù)平面彈性有限元原理，將初期支護離散為由梁單元組成的平面桿系，圍巖對初期支護的約束作用采用只受壓不受拉的彈簧單元進行模擬，且初期支護荷載結(jié)構(gòu)法計算時不考慮臨時支護的作用。建立輔洞初期支護強度驗算模型，如圖4所示。

圖4 輔洞初支強度驗算模型

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，計算斷面圍巖物理力學參數(shù)取值見表1。

表1 圍巖物理力學參數(shù)

根據(jù)工程設計資料，計算斷面初期支護參數(shù)見表2，結(jié)構(gòu)材料物理力學參數(shù)見表3。

表2 初期支護和臨時支護參數(shù)

表3 初期支護和臨時支護物理力學參數(shù)

2.3 輔洞初期支護荷載計算

根據(jù)《公路隧道設計細則》相關規(guī)定，輔洞初支結(jié)構(gòu)采用綜合安全系數(shù)法進行結(jié)構(gòu)強度校核；荷載組合主要考慮永久荷載(結(jié)構(gòu)自重、圍巖松散壓力、混凝土收縮和徐變的影響)、偶然荷載(地震荷載)。

其中，結(jié)構(gòu)自重根據(jù)表2和表3中擬定的輔洞初期支護結(jié)構(gòu)厚度、計算寬度以及結(jié)構(gòu)材料重度等參數(shù)計算；輔洞圍巖松散壓力根據(jù)《公路隧道設計細則》和《公路隧道設計規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)中的淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖壓力計算方法計算；混凝土收縮和徐變的影響根據(jù)規(guī)定，在計算中按結(jié)構(gòu)整體降溫15 ℃考慮；由于隧址區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，抗震設防烈度為6度，不考慮地震荷載。

3 計算結(jié)果分析

3.1 地表橫坡對隧道拱頂豎向位移的影響分析

根據(jù)工程實際，選取計算斷面的地表為雙向坡度，其中左側(cè)主洞和輔洞地表橫坡為30°，右側(cè)主洞和輔洞地表橫坡為20°。為探明在淺埋條件下，地表偏壓程度對隧道圍巖豎向變形的影響，以選取計算斷面為基礎，保持右側(cè)地面橫坡不變，通過建立左側(cè)地表橫坡為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°和35°的數(shù)值模型，計算得到各工況條件下隧道開挖初期支護完成后的拱頂豎向位移(如圖5所示)，隧道拱頂豎向位移隨地表橫坡的變化曲線(如圖6所示)，30°工況條件下主輔洞初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)(見表4)。可以看出：

表4 隧道典型部位結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

圖5 不同橫坡隧道開挖完成后拱頂豎向位移云圖

圖6 隧道拱頂豎向位移隨橫坡變化曲線

(1)按設計支護參數(shù)和開挖工法施工，橫坡30°工況下主洞中左側(cè)主洞的拱頂沉降最大，為16.6 cm，輔洞中左側(cè)輔洞頂沉降最大，為3.0 cm；在施工階段，主、輔洞典型部位的初期支護安全系數(shù)均大于1.53，均滿足規(guī)范要求。說明實際工況條件下采用的支護參數(shù)和開挖工法安全可靠，設計主輔洞的預留變形量25 cm和10 cm滿足要求。

(2)在右側(cè)地表橫坡不變的情況下，當橫坡小于15°時，左側(cè)主、輔洞拱頂沉降隨橫坡的增大而減小；當坡度大于15°后，左側(cè)主、輔洞拱頂沉降隨橫坡的增大而增大，且橫坡超過25°后，增幅比較明顯，橫坡為35°時的拱頂沉降增幅達175%。而隨著左側(cè)地表橫坡的增加，右側(cè)主洞的拱頂沉降均呈現(xiàn)增大的趨勢。

說明對于淺埋隧道而言，在如計算斷面的地形條件下，當?shù)孛鏅M坡小于15°時，隧道拱頂沉降變形主要受拱頂豎向荷載影響；當?shù)孛鏅M坡大于15°時，隧道拱頂沉降受地表橫坡的影響更明顯。同時在隧道設計時應盡量避免隧道地形偏壓超過25°，當?shù)匦纹珘撼^25°時，應根據(jù)計算加強支護設計，嚴格控制隧道圍巖變形。

(3)對比主、輔洞拱頂位移可以看出，尤其是右側(cè)輔洞，在偏壓條件下，隧道初支施工完成后，拱頂并未發(fā)生沉降，反而出現(xiàn)了一定程度的上拱，與主洞隧道開挖拱頂變形存在差異。主要是因為在偏壓地形下，隨著主洞隧道的開挖引起圍巖出現(xiàn)應力重分布，加之輔洞上方覆土較小，導致輔洞上方圍巖向臨空面發(fā)生側(cè)向擠出變形，施工中應加強地表變形監(jiān)測，并需采取相應的工程控制措施，防止地表出現(xiàn)較大的隆起。

3.2 偏壓條件下主輔洞之間的相互影響分析

3.2.1 主洞開挖對輔洞拱頂豎向位移的影響

在主輔洞均開挖的基礎上，建立了相同橫坡條件下只開挖輔洞的計算模型，各工況下輔洞拱頂豎向位移及變化幅度見表5。其中變化量為只開挖輔洞時與主輔洞均開挖時輔洞拱頂豎向位移的差值，正值表示位移增大，負值表示位移減小，下同。可以看出：

表5 不同工況下輔洞拱頂豎向位移及變化幅度 cm

(1)在只開挖輔洞的情況下，左右輔洞拱頂均發(fā)生沉降，且左側(cè)輔洞拱頂沉降大于右側(cè)輔洞拱頂沉降。在左側(cè)地表橫坡小于25°時，左側(cè)輔洞的拱頂沉降隨橫坡的增大而減小，當橫坡大于25°時，左側(cè)輔洞的拱頂沉降隨橫坡的增大而增大；而隨著左側(cè)地表橫坡的增大，右側(cè)輔洞的拱頂沉降均呈現(xiàn)增大的趨勢。

(2)在主輔洞均開挖且地表橫坡不大于30°時，左右輔洞的拱頂沉降均小于只開挖輔洞時的拱頂沉降，且右側(cè)輔洞洞頂隨主洞開挖出現(xiàn)了拱頂上拱。從橫坡30°時兩種工況位移變形矢量也可看出，在主輔洞均開挖的情況下，右側(cè)輔洞拱頂上方出現(xiàn)了明顯的隆起，說明在偏壓多孔小凈距隧道開挖時，對于圍巖覆蓋層較薄的位置，隨著相鄰隧道的開挖，應力出現(xiàn)重分布，坡體出現(xiàn)側(cè)向位移。

3.2.2 輔洞開挖對主洞拱頂豎向位移的影響

在主輔洞均開挖的基礎上，建立了相同橫坡條件下只開挖主洞的計算模型，各工況下主洞拱頂位移及變化幅度見表6。可以看出：

表6 不同工況下主洞拱頂豎向位移及變化量 cm

(1)在右側(cè)地表橫坡不變的情況下，無論輔洞是否開挖，各橫坡條件下主洞拱頂均發(fā)生了沉降，且拱頂位移變化規(guī)律基本相同，均隨左側(cè)地表橫坡的增大而增大，但左側(cè)主洞拱頂沉降在地表橫坡超過25°后變化更明顯。

(2)與只開挖主洞的工況相比，主輔洞均開挖工況下主洞的拱頂豎向位移更大。其中，隨著左側(cè)橫坡的變化，右側(cè)輔洞開挖引起右側(cè)主洞拱頂沉降增幅一般在2%～3%之間，在橫坡35°時的增幅為6.29%，說明在左側(cè)地表橫坡變化下，右側(cè)輔洞開挖對右側(cè)主洞拱頂位移影響較小；左側(cè)主洞拱頂沉降增幅在橫坡小于15°時較小，一般在2%～3%之間，當橫坡大于15°后，增幅比較明顯，橫坡為35°時拱頂豎向位移增幅達32.14%，說明隨著地表橫坡的增大，左側(cè)輔洞的開挖對左側(cè)主洞的影響增大。

3.2.3 主輔洞開挖順序?qū)χ鞫垂绊斬Q向位移的影響

上述分析工況均采用先開挖山體外側(cè)的輔洞隧道、后開挖內(nèi)側(cè)的主洞隧道，為進一步分析多孔小凈距隧道在淺埋偏壓條件的拱頂豎向位移規(guī)律，建立了相同橫坡條件下先開挖主洞后開挖輔洞的計算模型，各工況下主洞拱頂位移及變化幅度見表7。可以看出：

表7 不同工況下主洞拱頂豎向位移及變化量 cm

(1)在右側(cè)地表橫坡不變的情況下，無論先開挖輔洞還是主洞，各橫坡條件下主洞拱頂均發(fā)生了沉降；且拱頂位移變化規(guī)律基本相同，均隨左側(cè)地表橫坡的增大而增大，但左側(cè)主洞拱頂沉降在地表橫坡超過25°后變化更明顯。

(2)與先開挖輔洞的工況相比，先開挖主洞工況下主洞的拱頂豎向位移更大。其中，隨著左側(cè)橫坡的變化，右側(cè)主洞拱頂沉降增量均小于3.0 cm，增幅在15%左右，說明在計算工況條件下，右側(cè)輔洞后開挖對主洞拱頂豎向位移的影響較小；而對左側(cè)主洞而言，當?shù)乇頇M坡小于25°時，左側(cè)輔洞后開挖對主洞拱頂豎向位移的影響也較小，增幅在15%左右，但當橫坡大于25°時，左側(cè)輔洞后開挖對主洞拱頂豎向位移影響明顯，當橫坡為35°時，增幅達33%。說明在地表橫坡大于25°時，對于偏壓小凈距隧道應首先考慮開挖外側(cè)洞室，并要控制相鄰兩個洞室掌子面的間距，盡量減小后行洞開挖對先行洞圍巖變形的影響。

4 結(jié)論

(1)當主洞隧道采用雙側(cè)壁導坑法開挖，輔洞隧道采用中隔壁法開挖時，根據(jù)設計的初期支護參數(shù)，主洞最大拱頂沉降量為16.6 cm，輔洞最大頂沉降量為3.0 cm；主、輔洞典型部位的初期支護安全系數(shù)均大于1.53，均滿足規(guī)范要求，說明實際工況條件下采用的支護參數(shù)和開挖工法安全可靠，設計主輔洞的預留變形量25 cm和10 cm滿足要求。

(2)在右側(cè)地表橫坡不變的情況下，當左側(cè)橫坡變化時左側(cè)主、輔洞拱頂沉降隨橫坡坡度的增大先后呈現(xiàn)減小-增大-明顯增大變化趨勢，這表明隧道拱頂沉降變形先后受拱頂豎向荷載和地表橫坡的影響更明顯。當?shù)匦纹珘撼^25°時，應加強支護、嚴格控制隧道圍巖變形。

(3)對于多孔小凈距隧道，在不同地表橫坡條件下，輔洞先挖對主洞拱頂豎向位移的影響均小于輔洞后挖對主洞拱頂豎向位移的影響；在地表橫坡大于25°時，對于偏壓小凈距隧道應首先考慮開挖外側(cè)洞室且斷面較小的隧道，控制好相鄰兩個洞室掌子面的間距，盡量減小后行洞開挖對先行洞圍巖變形的影響。