火鳳山隧道人行橫通道開挖進尺研究

作者簡介：

蒲國偉（1982—），高級工程師，主要從事工程建設管理工作。

摘要：文章以重慶火鳳山隧道為依托，采用FLAC 3D軟件模擬人行橫通道的開挖過程，并研究在無支護狀態下采用不同進尺時隧道的位移變形、圍巖應力和塑性區等特征，比選出適宜的開挖進尺。結果表明：（1）隨著開挖進尺的增加，隧道拱頂沉降有增加的趨勢，但隧道拱底隆起和隧道左右邊墻收斂均呈現出變小的趨勢，差值lt;0.1 mm；（2）隨著開挖進尺的增加，隧道豎向應力有微小的增大趨勢，圍巖應力集中范圍有微弱的減小趨勢，人行橫通道的水平應力整體而言較小；（3）不同開挖進尺下，圍巖破壞類型和分布范圍相似，不同破壞類型塑性區體積差距lt;1%。

關鍵詞：公路工程；隧道；數值計算；橫通道；施工方法

中圖分類號：U455.1文獻標識碼：A 31 105 3

0 引言

隨著我國城市化進程的快速推進，各大城市的公路建設速度越來越快，由于西南地區地形起伏、山巒眾多，公路隧道十分常見。作為穿越山嶺地形的有利途徑，公路隧道可以很好地避免盤山公路所帶來的負面影響，但同時，由于隧道深埋地下和狹長的特性，公路隧道內交通事故發生的風險更高，危害更加嚴重，救援難度更大。故依據規范要求，每隔一段距離，就要用人行橫通道連接兩個鄰近的隧道，便于發生事故時的人員逃生和救援。但人行橫通道的開挖斷面較小，大型機械無法進入，施工作業難度大，故人行橫通道施工的施工方法和施工參數與主洞隧道不同，需要特別設計，為此研究人員展開了大量的研究。

黃平［1］采取數值模擬和理論計算相結合的方法，對橫通道施工過程中的結構變形進行分析，并對安全系數進行驗算，認為施作襯砌后能有效減少車行橫通道豎向變形，施工完成后結構整體安全性較好，但薄弱環節需根據現場情況進一步加強；廖博華［2］介紹了在隧道現場使用定型組合鋼模澆筑橫通道二次襯砌混凝土的施工技術和定型組合鋼模的使用；羅彥斌等［3］針對隧道斜交橫通道施工對主隧道襯砌結構產生的影響，采用現場實測和三維有限元數值模擬的方法，對橫通道施工階段主隧道襯砌結構的變形規律和受力特性進行研究，結果表明橫通道施工導致交叉口附近一定范圍內的主隧道襯砌產生變形和應力集中，其影響范圍在交叉口銳角一側為1.82D（D為主隧道洞跨），在交叉口鈍角一側為1.32D，橫通道的開挖破壞了主隧道原有的成拱效應，使交叉口處的襯砌產生應力集中；張志強等［4］通過數值模擬橫通道的施工過程，得出橫通道施工將導致交叉部開口一側結構變形不對稱增加，圍巖拉應力區顯著增大以及交叉連接部兩側應力集中的施工受力特征；王彬［5］以廣清高速公路擴建工程天坪嶺新老隧道拼接人行橫通道施工為例，對隧道工程開挖施工爆破地震波的振動監測方法及控制技術進行研究，通過對爆破振動速度和襯砌受力聯合監測及結果分析來綜合判斷老隧道性能，并根據實際經驗提出控爆措施；蔡亦來［6］利用Midas GTS軟件建立三維數值模型，系統開展了新建隧道橫通道鉆爆法施工工況下既有隧道的靜動力分析和振動響應研究，并結合現場監控量測對計算結果加以驗證。可見針對橫通道施工對主線隧道的影響、橫通道的設計等方面已有研究，但缺乏人行橫通道施工開挖進尺的研究。王景春等［7］利用Midas GTS軟件對隧道連接處的施工方法及受力特征進行模擬分析，著重對比大包法和小包法施工引起的圍巖位移、應力分布及塑性區范圍，并進一步對小包法施工全過程進行動態力學行為研究；王蒙等［8］建立摩擦土層及黏性土層等多種工況下的三維數值模型，從主線隧道中心線上方土體位移、地表沉降及主線隧道襯砌內力等方面，研究分析了橫通道開挖對隧道結構的影響作用；鄭賀斌等［9］采用現場監測、理論分析和數值模擬方法，對π型雙橫通道6導洞CRD工法開挖引起的地表沉降變形特性進行研究，結果表明：豎井左右兩側橫通道開挖引起的地表變形規律基本一致，橫通道由弧形段進入直線段約4倍洞徑范圍為地表沉降最大區域，地層損失率也隨著開挖斷面的增加而近似成比例增大，隨著右中部導洞和右下部導洞的開挖，地層損失率也相應減小；師亞龍等［10］通過現場實測和數值模擬的方法分析了橫通道施工時隧道正洞支護結構的變形規律和受力特性，認為襯砌結構發生變形和開裂的主要原因是橫通道開挖時造成襯砌附近產生較大應力，應力最大位置集中在橫通道同側的墻腳與拱腳附近。

本文依托重慶火鳳山公路隧道，通過三維數值計算模擬施工過程，研究人行橫通道不同開挖進尺下隧道的位移變形、圍巖應力和塑性區等因素，比選適宜的施工參數。

1 工程概況

火鳳山隧道位于重慶市曾家巖北延伸通道項目二標段，設計為雙線六車道公路隧道，隧道主線的建筑限界寬度為13.25 m，并設計為分岔隧道。隧道上覆巖土體主要為砂巖、泥巖。依據規范在左右主線間、主線與連接線間設置人行橫通道，橫通道的縱向間距為460～470 m。現場人行橫通道采用水磨鉆開挖的方式進行。

2 數值計算

2.1 三維模型

采用FLAC 3D軟件模擬人行橫通道的開挖過程，并研究在無支護狀態下采用不同進尺時隧道的位移變形、圍巖應力和塑性區等因素。

考慮到邊界效應的影響，建立的人行橫通道模型長×寬×高為22.84 m×40 m×45 m，橫洞寬為3.3 m，洞高為4.36 m，坡度為11.32%，模型頂部即為地表，如圖1所示。隧道圍巖應力-應變特性按照彈塑性材料處理，土體破壞模式采用Mohr-Coulomb準則，計算參數如表1所示。模型的邊界條件設置為左、右、前、后四個邊界面限制垂直于平面方向的位移，底面限制垂直于平面和平行于平面方向的位移。橫通道開挖采用全斷面法開挖，隨著縱坡由低到高依次開挖。計算工況為不同的開挖進尺（如表2所示）。

3 結果分析

3.1 隧道圍巖位移變化對比分析

分別提取人行橫通道圍巖變形受開挖的變形值，綜合對比不同開挖進尺下隧道的水平位移和豎向位移變化情況，如圖2所示。在FLAC 3D軟件中，位移的正值代表向右、向上的變形，位移的負值代表向左、向下的變形。

人行橫通道開挖的豎向位移分布如圖2（a）、圖2（c）和圖2（e）所示。整體而言，無支護情況下進行人行橫通道開挖，均會使拱頂產生一定的沉降，拱底產生一定的隆起，而邊墻位置的豎向沉降則很小。在開挖進尺為0.6 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向沉降處于拱頂處，達到4.20 mm，而拱底處隆起了2.38 mm。在開挖進尺為0.8 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向沉降處于拱頂處，達到4.21 mm，而拱底處隆起了2.37 mm。在開挖進尺為1.0 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向沉降處于拱頂處，達到4.25 mm，而拱底處隆起了2.35 mm。人行橫通道開挖的水平位移分布如圖2（b）、圖2（d）和圖2（f）所示。整體而言，無支護情況下進行人行橫通道開挖，均會使邊墻產生一定的收斂，而拱頂拱低位置的水平位移均很小。在開挖進尺為0.6 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平位移處于右邊墻處，達到2.52 mm。在開挖進尺為0.8 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平位移處于右邊墻處，達到2.50 mm。在開挖進尺為1.0 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平位移處于右邊墻處，達到2.50 mm。

綜上可知，隨著開挖進尺的增加，隧道拱頂沉降有增加的趨勢，但隧道拱底隆起值呈現出減小趨勢，隧道邊墻收斂隨著開挖進尺的增加也呈現出變小的趨勢。

3.2 圍巖應力分析

提取不同工況下人行橫通道圍巖受力云圖，綜合對比3種工法下人行橫通道圍巖受力情況，如圖3所示。

人行橫通道開挖圍巖的豎向應力分布如圖3（a）、圖3（c）、圖3（e）所示。整體而言，無支護情況下進行人行橫通道開挖，均會使距離左右邊墻一定距離外產生應力集中。在開挖進尺為0.6 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向應力處于距離左右邊墻1.6～3 m，達到-1.68 MPa，而拱頂和拱腳處還會產生小量值的拉應力，達到71.38 kPa。在開挖進尺為0.8 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向應力處于距離左右邊墻1.5～2.8 m，達到-1.68 MPa，而拱頂和拱腳處還會產生小量值的拉應力，達到65.83 kPa。在開挖進尺為1.0 m情況下開挖人行橫通道，其最大豎向應力處于距離左右邊墻1.4～2.7 m，達到-1.68 MPa，而拱頂和拱腳處還會產生小量值的拉應力，達到62.25 kPa。

人行橫通道開挖圍巖的水平應力分布如圖3（b）、圖3（d）和圖3（f）所示。整體而言，無支護情況下進行人行橫通道開挖，均會使拱頂部位產生一定的應力集中，但整體量值很小。在開挖進尺為0.6 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平應力達到-1.19 MPa，拱頂應力集中范圍大約為5.9 m左右。在開挖進尺為0.8 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平應力達到-1.18 MPa，拱頂應力集中范圍大約為5.9 m左右。在開挖進尺為1.0 m情況下開挖人行橫通道，其最大水平應力達到-1.16 MPa，拱頂應力集中范圍大約為6 m左右。

綜上可知，隨著開挖進尺的增加，隧道豎向應力有很微小的增大趨勢，整體量值在-1.68 MPa左右，但應力集中范圍也有微小的減小趨勢，人行橫通道的水平應力整體而言小，最大值僅為-1.19 MPa。

3.3 圍巖塑性區分析

提取人行橫通道中間斷面的圍巖塑性區分布狀態，如圖4所示。

由圖4可見，在不同的開挖進尺下，位移塑性區的分布規律相似，圍巖破壞均主要分布在左右邊墻和拱底部位，且均為剪切破壞。

提取不同破壞類型的塑性區體積如表3所示。由表3可見，隨著開挖進尺的增大，不同破壞類型的塑性區體積逐漸增大。

4 結語

本文通過數值模擬手段探究了水磨鉆開挖人行橫通道過程中（無支護狀態下）的應力特征及圍巖變形特征。通過考慮不同開挖進尺情況下圍巖應力及變形特征，提出人行橫通道開挖參數優化。主要結論如下：

（1）對于人行橫通道而言，隨著開挖進尺的不斷增加，隧道拱頂沉降有增加的趨勢，但隧道拱底隆起和隧道左右邊墻收斂均呈現出變小的趨勢，整體而言三種工況位移差值lt;0.1 mm。

（2）通過分析圍巖受力特征可知，隨著開挖進尺的增加，隧道豎向應力有微小的增大趨勢，但增幅lt;0.1 MPa，整體量值在-1.68 MPa左右，圍巖應力集中范圍有微弱的減小趨勢，人行橫通道的水平應力整體而言較小，最大值僅為-1.19 MPa。

（3）通過分析圍巖塑性區分布特征可知，不同開挖進尺下，圍巖破壞類型和分布范圍相似，不同破壞類型塑性區體積差距lt;1%。

綜合上述圍巖變形和受力特征和經濟性考慮，推薦采用開挖進尺為0.8 m進行人行橫通道的開挖。

參考文獻

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