仰拱滯后距離對大斷面淺埋隧道穩定性影響分析

謝鑫 XIE Xin；徐宇 XU Yu；王亞偉 WANG Ya-wei；王鑫堃 WANG Xin-kun

（中交第二公路工程局有限公司，西安 710065）

0 引言

近年來，隨著我國“一帶一路”建設進程的加快，越來越多的國內建筑企業走出國門，國外隧道項目逐步增多，遇到的地質情況更加復雜[1-6]。仰拱滯后距離對全斷面開挖的大斷面淺埋隧道圍巖穩定性有很大影響，中國鐵路隧洞工程施工安全技術規范中規定V 級圍巖中仰拱與掌子面的距離不能大于40m[7]。在隧道施工中，合理的仰拱滯后距離可以有效地控制淺埋大斷面隧道圍巖變形，因而確定仰拱滯后距離對隧道圍巖的穩定性十分重要。大量學者對此進行了研究：史繼堯[8]等人通過數值模擬初期支護變形分析，得出縮短仰拱滯后距離，能夠有效減小圍巖變形。王宇[9]等人通過數值模擬仰拱與襯砌封閉成環，得出仰拱施作越快，圍巖穩定性越好。劉加敏[10]模擬仰拱滯后距離分別為30m 和60m 時對圍巖的影響，得出滯后距離為30m時圍巖的變形更小。靳寶成[11]等人通過數值模擬得出控制仰拱滯后距離在30m 內，對圍巖穩定性更好。李建華[12]等人證明仰拱施作采用早高強混凝土可以提高隧道圍巖本身承載力。

上述研究雖對仰拱滯后距離做出了一定的評價，但隧道開挖方式多為臺階式開挖，且分析對象只針對隧道圍巖的變形，對于確定全斷面開挖淺埋軟弱圍巖隧道的仰拱滯后距離研究較少。本文依托格魯吉亞E60（F3）第二標段3005#高速公路隧道，采用FLAC3D進行數值模擬，通過分析大斷面淺埋隧道全斷面開挖時仰拱滯后距離對隧道圍巖的拱頂沉降、仰拱拱底隆起、仰拱頂面應力和噴射混凝土彎矩的影響，得出仰拱合理的滯后距離。

1 工程背景

格魯吉亞E60（F3）第二標段3005#高速公路隧道屬于“一帶一路”商業項目，位于格魯吉亞中部，地處山區地形?？辈靺^域的地質框架主要包括三個地質單元：①第四紀土壤，覆蓋火山巖和沉積巖單元；②覆蓋于中侏羅世結晶基底的噴出火山巖，節理表現從薄層到塊狀，主要特點為堅硬；③構成元古代結晶基底的侵入巖和變質巖，從弱風化到強風化、從較完整到嚴重破碎。隧道通過的地質單元綜合評定為Ⅴ級圍巖。

2 模型建立與分析

2.1 模型建立

本文采用FLAC3D建立三維計算模型，模型及隧道尺寸如圖1 所示。模型上邊界條件為自由邊界，其余邊界施加法向位移約束。

圖1 數值模型及隧道尺寸（單位：m）

2.2 數值模擬計算參數及工況

隧道圍巖采用實體單元摩爾庫倫模型；隧道開挖采用全斷面開挖，采用null 模型模擬開挖部分；仰拱采用實體單元彈性模型；初期噴射混凝土厚度20cm，采用shell 單元模擬，鋼拱架環向分布間距為0.8m，采用beam 單元進行模擬；徑向錨桿長度為3m，縱向間距為0.8m，環向分布間距為0.8m，錨桿采用cable 單元進行模擬。圍巖、噴射混凝土和仰拱的力學參數如表1 所示；錨桿和鋼拱架的力學參數分別如表2 和表3 所示。

表1 圍巖和初支的力學參數

表2 錨桿單元的力學參數

表3 鋼拱架單元的力學參數

為盡可能避免模型邊界效應，隧道開挖0～5m 并加強支護，隨后開挖的5～45m 段為對比分析段，對比分析段模擬工況如表4 所示。

表4 數值模擬工況

2.3 監測點布置

在對比分析段（5～45m）上共布置9（1～9）個特征斷面，如圖2 所示，9 個特征斷面依次對應y=5m，y=10m，y=15m，y=20m，y=25m，y=30m，y=35m，y=40m 和y=45m 處的斷面，各斷面位移及應力監測點布置如圖3 所示。

圖2 特征斷面布置

圖3 各特征斷面監測點布置

3 隧道圍巖穩定性分析

3.1 圍巖變形分析

根據模擬計算結果，得到四種工況下，當隧道開挖至45m 并計算穩定后，隧道各特征斷面監測點d1和d2的豎向位移，如圖4 所示。

圖4 四種工況下隧道圍巖豎向變形

由圖4 可知，當仰拱滯后距離不超過30m 時，各工況拱頂沉降量變化較小，當仰拱滯后距離為35m 時，隧道拱頂的沉降量顯著增加，拱頂最大沉降為83mm，拱底最大隆起49.9mm，與滯后距離30m 相比較，拱頂最大沉降增加了38%，拱底最大隆起增加了20%，對隧道底部圍巖和已施作仰拱均產生較大影響，說明仰拱滯后距離不宜大于30m。

3.2 仰拱頂面應力分析

隧道開挖至45m 并計算穩定后得到四種工況下1 號特征斷面仰拱頂面監測點s1～s11的水平和垂直應力值，如圖5 所示。

圖5 四種工況下1 號特征斷面仰拱頂面監測點水平和垂直應力

由圖5 可知，當仰拱滯后距離超過30m 時，1 號特征斷面仰拱頂面監測點垂直應力和水平應力在隧道邊墻處（監測點s1和s11處）顯著增加，滯后距離為35m 的仰拱頂面最大垂直應力達-9.25MPa，最大水平應力達-18.95MPa，與滯后距離30m 相比，仰拱頂面最大垂直應力和最大水平應力均增加了約100%，此時仰拱產生較大影響，因此宜控制仰拱滯后距離在20～30m 范圍內。

3.3 噴射混凝土受力分析

隧道開挖至45m 并計算穩定后，得到四種工況下噴射混凝土最大彎矩，如圖6 所示。

圖6 各工況噴射混凝土最大彎矩

由圖6 可知，隨著仰拱滯后距離的增加，噴射混凝土最大正彎矩逐漸增大，最大負彎矩先減小后增大，且當滯后距離大于30m 時，噴射混凝土最大彎矩的增大幅度變大，過大的彎矩使噴射混凝土產生較大的拉應力，對支護結構產生不良影響，因此仰拱的滯后距離為20～30m 較為合理。

4 結語

本文依托格魯吉亞E60（F3）第二標段3005#高速公路隧道，采用FLAC3D進行數值模擬，通過分析仰拱滯后距離對大斷面淺埋隧道穩定性影響可知：①隨著仰拱滯后距離的增大，隧道拱頂和拱底的位移值逐漸增大，當仰拱滯后距離大于30m 時，拱頂和拱底位移曲線上升趨勢更為突出。②當仰拱滯后距離大于30m 時，1 號監測斷面處仰拱頂面應力大小及其變化速率均較為明顯，對仰拱產生不利影響。③當仰拱滯后距離大于30m 時，噴射混凝土最大彎矩的增大幅度變大，對支護結構產生不利影響。綜上，提出仰拱滯后距離宜控制在20～30m，及時施作仰拱與上部襯砌封閉成環，能夠提高隧道圍巖的穩定性。