不同偏压大断面浅埋隧道施工力学分析及优化

聂建春，郑文博，袁成海

(1．江西昌泰高速公路有限责任公司，江西吉安 343000;2．同济大学地下建筑与工程系，上海 200092;3．江西交通咨询公司，南昌 330008)

0 引言

随着我国公路事业的飞速发展，为了满足山地和丘陵地区的行车需要，同时兼顾克服高差、缩短里程、改善线形及保护生态环境等方面的要求，隧道的修建越来越多。目前，随着隧道设计及施工技术水平的提高，大断面隧道的数量越来越多。由于大断面隧道开挖跨度较大，施工工序繁多，开挖与支护交错进行，加大了隧道施工过程中变形和稳定控制的难度。同时，大多数的隧道位于浅埋地段，且围岩稳定性较差，围岩变形较大，易坍塌［1-3］。选择合适的施工方法对于控制围岩稳定性和隧道结构安全具有重要意义。

在大断面隧道修建的过程中，隧道穿越的地势起伏变化，所造成的地层偏压对隧道施工力学的影响往往较大［4］。对于隧道的浅埋偏压问题，已有许多学者进行了研究，如:汪宏等［5］分析了浅埋偏压隧道洞口坍方，并结合工程实际提出洞内加固、地表注浆加固及开挖控制的综合处治方法;柳雁玲等［6］结合工程实际，阐述了偏压隧道围岩受力变形特征;赵永国等［7］对浅埋、偏压隧道的开挖施工方案进行了数值仿真研究，得出的施工方案既符合隧道设计规范、又满足稳定性要求;王祥秋等［8］对崇遵高速公路龙井隧道进口段施工过程现场监测数据以及有限元分析结果进行对比研究，得出了在偏压作用下隧道施工过程中围岩位移的变化规律。

由于在不同的地层环境下，偏压往往不同，采取相适应的施工方式，对保证隧道施工安全、减少对围岩的扰动以及兼顾施工的便利和经济性尤为重要。然而，由于大断面隧道出现较晚，对大断面浅埋偏压隧道的研究，尤其是对不同偏压下大断面浅埋隧道的不同施工工况分析及优化的研究，仍然较为少见。

现阶段针对软弱围岩地段的大断面隧道，为维持洞顶围岩稳定，减小拱部围岩变形，施工方法常有双侧壁导坑法、台阶法和CRD法。双洞导坑法能够较好地控制周围围岩的变形，但施工工序较多，且多导洞开挖与支护，增加了工程造价并延长了工期［9］。台阶法施工施工工序简单，却容易对周围围岩造成较大的扰动［10］。伴随着对隧道研究的不断深入，产生了隧道施工方法CRD法［11］。与双侧壁导坑法相比，CRD法节省了一定的临时支护，造价较低，工期较短，围岩变形也能控制在一定范围内。本文采用一种改进的台阶法，与传统的台阶法及CRD法相比，该方法能使隧道上部较早成拱承受围岩压力，同时下部仰拱核心土开挖分为2步，能够较好地控制隧道变形，能比较好地适应大跨度隧道的开挖。

本文以某大断面浅埋隧道工程为依托，针对隧道穿越时的不同土层环境，采用有限元进行3种施工方法(双侧壁导坑法、改进的台阶法、CRD法)的全过程动态模拟，分析不同地表倾角下的各种施工方法的内力和位移结果，并综合考虑施工便利性及经济性，讨论与不同地表倾角相适应的施工方法。

1 工程概况

依托工程的隧道为双向分离式单洞四车道公路隧道，地貌单元为残丘区，地势起伏较大，局部发育冲沟，植被茂盛。该隧道按上下行分离式形式布置，当前设计的最大开挖宽度达21．47m，高度达13．56m，最大开挖面积达230 m2。隧道相对高差较大，隧道所处地貌单元属长期风化剥蚀丘陵地貌区，坡度为10～30°。隧道区主要分布第四系残坡积物，基岩为燕山期的花岗岩侵入体，岩性为二长花岗岩。本文所取工程岩体为Ⅴ级。

2 隧道施工动态数值模拟

2．1 模型的建立

隧道基本模型跨度为21．47m，高度为13．56m，隧道顶部埋深20 m。地表倾角为10°，20°，30°3种情况，如图1所示。依据隧道开挖的影响范围，模型尺寸为:左右边界分别取至隧道界限的3倍洞径，下边界取至隧道界限的3倍洞径，上边界取至地表。计算模型材料物理力学参数见表1。

图1 隧道模型示意图Fig．1 Model of tunnel

表1 模型材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of simulated material

由于隧道工程地质条件恶劣、隧道围岩应力场复杂，隧道围岩在施工过程中的破坏形式也具有多样性，如受拉破裂、脆性剪切破坏、塑性破坏等，这些隧道围岩破坏形式一般被认为是塑性破坏。因此，有限元计算中围岩选用理想弹塑性本构模型、Drucker-Prager屈服准则，在模拟过程中，围岩采用三节点三角形单元模拟。

支护结构采用复合衬砌形式，锚杆采用线弹性本构模型的全长粘结式二维杆单元模拟，初期支护、二次衬砌和临时支护采用线弹性本构模型的全长粘结式二维梁单元模拟，钢拱架通过刚度等效以提高支护的惯性矩来实现。同时，考虑到内、外衬之间有可能错动，在两者之间设立了接触面单元，允许二次衬砌内衬和初期支护外衬之间有一定的错动。模拟数值计算中支护结构参数取值如表2所示。

表2 支护结构参数表Table 2 Parameters of supporting structure

本文采用二维平面应变模型，左右边界设置为水平约束，底部为竖向约束，顶部为自由面。模型网格划分情况如图2所示。

图2 模型网格划分示意图Fig．2 Grids of model

2．2 施工方法动态模拟方案

目前针对公路与市政隧道施工的方法主要有台阶法、CRD法和双侧壁导坑法。本文在模拟计算中选取台阶法与CRD工法进行了优化比较，3种施工方法的模拟方案如下。

1)方案1:双侧壁导坑法。模拟计算过程中施工共分为8步:开挖左导坑上部分，施作初期支护—开挖右导坑上部分，施作初期支护—开挖左导坑下部分，施作初期支护—开挖右导坑下部分，施作初期支护—开挖上部核心土1部分，施作初期支护—开挖上部核心土2—挖下部核心土，施作初期支护—拆除临时支护，施作二次衬砌。

图3 方案1:双侧壁导坑法施工步Fig．3 Construction sequence of double side drift method

2)方案2:改进台阶法(以下简称台阶法)。模拟计算过程中台阶法施工共为4步:开挖上台阶，施作上台阶初期支护—开挖左下台阶，施作左下台阶初期支护—开挖右下台阶，施作右台阶初期支护—拆除临时支护，施作二次衬砌。

图4 方案2:改进的台阶法施工步Fig．4 Construction sequence of optimized bench method

3)方案3:CRD法。模拟计算过程中施工共分为5步:开挖左上部分，施作初期支护;开挖右上部分，施作初期支护;开挖左下部分，施作初期支护—开挖右下部分，施作初期支护—拆除临时支护，施作二次衬砌。

图5 方案3:CRD法施工步Fig．5 Construction sequence of CRD method

3 数值模拟分析

3．1 位移分析

隧道围岩位移大小与施工方法、施工过程密切相关，因此，隧道围岩位移大小可以反映施工方法的优劣。本文在数值计算中对隧道各主要特征点的位移进行了采集，见图6。

图6 位移采集示意图Fig．6 Displacement measurement

3．1．1 隧道拱顶围岩位移

隧道拱顶沉降是隧道围岩稳定和施工安全评价的重要指标。3种施工方案下隧道顶部洞轴线方向(图6中测线)围岩竖向位移如图7和图8所示。

由于隧道埋深较浅，隧道顶部地层基本呈现整体下沉的趋势。从图8来看，总体上，双侧壁导坑法最有利于控制隧道拱顶围岩的位移，而台阶法略优于CRD法。当地表倾角为10°时，方案1，2和3的拱顶位移分别为 7．92 mm，9．61 mm 和10．11 mm;当地表倾角为20°时，方案1的拱顶位移是11．54 mm，方案2的拱顶位移是11．43 mm，方案3的拱顶位移是12．61 mm，3种方案拱顶位移相近;当地表倾角为30°时，方案1的拱顶位移是15．20 mm，方案2的拱顶位移是13．75 mm，方案3的拱顶位移是16．60 mm，方案2的的拱顶沉降是最小的。

3．1．2 隧道拱腰部位围岩内水平位移

隧道左右侧拱腰部位围岩(图6中测线b和c)内水平位移如图9和图10所示。方案1在不同地表倾角下的拱腰部位围岩的水平位移变化规律基本一致，随着距隧洞拱腰部位距离的水平距离的增加，向隧道临空方向变形的水平位移逐渐减小，在距离隧道拱腰约2倍隧道宽度时水平位移趋近于0;对于不同地表倾角的方案2和方案3，其拱腰部位围岩的水平位移变化规律是:随着距洞壁距离的增加，洞壁围岩向隧道临空方向变形的位移先减小至0(距拱腰位置约10 m时)，接着围岩节点水平位移开始背离隧道临空面方向，当距离增大到一定范围时，围岩节点水平位移又开始向隧道临空方向发展，并且随距离增大，水平位移逐渐减小至0。

对比不同地表倾角下的隧道拱腰的水平位移(图9—12)，当地表倾角为10°，20°和30°时，方案1 左右拱腰的水平位移最小，方案2与方案1相近，方案3的最大，约比方案1的大1倍。

3．1．3 地表沉降

不同地表倾角下3种施工方案下隧道地表沉降如图13所示。可以看到，随着距中轴线距离的增加，地表沉降逐渐较小。采用3种方案进行施工时，随着地表倾角增加，地层偏压现象所引起的地表不均匀沉降逐渐明显。以方案2距隧道中轴线水平距离为90 m的左右2个地表特征点为例，当地表倾角为10°时，左右特征点的沉降分别为0．5，0．3 mm;当地表倾角为20°时，左右特征点的沉降分别为1．1，0．4 mm，当地表倾角为30°时，左右特征点的沉降分别为1．7，0．4mm。

图13 地表沉降比较Fig．13 Ground surface settlement

对比3种方案下的地表沉降值，可以看到当地表倾角为10°和20°时，采用方案2和方案3施工时的地表沉降相近，比方案1的略大;当地表倾角为30°时，采用方案1的地表沉降最小，方案2的次之，方案3的最大。

因此，考虑隧道顶部围岩竖向变形、边墙水平变形及地表沉降变形控制，同时兼顾施工经济性便利性等因素，当地表倾角是0～10°时，宜采用台阶法施工，当地表倾角是20°或30°时，宜采用双洞导坑法施工。

3．2 力学形态分析

在隧道施工过程中，不同的施工方式对隧道围岩应力、初期支护及二次衬砌支护结构内力所产生的影响也互不相同;因此，有必要从隧道围岩应力及衬砌受力角度对不同施工方法进行比较和分析。

3．2．1 围岩应力

3种方案在不同地表倾角下的塑性区如图14所示。由图可知，塑性区都发生在隧道开挖区附近，在隧道开挖区的±45°斜向方向塑性区的范围较大。当地表倾角为10°时，3种方案的塑性区范围相近，塑性区只发生在隧道附近;当地表倾角为20°时，塑性区沿着±45°斜向方向扩大，方案2和方案3的塑性区进一步扩大，方案1的塑性区基本不变;当地表倾角为30°时，3种方案的塑性区均有了较大的扩大，方案2和方案3的塑性区沿着45°斜向方向扩大至坡脚，方案1的塑性区为最小，方案2略小于方案3。可见，对隧道开挖围岩扰动的控制，方案1要优于方案2，方案3是最不利的。

图14 不同倾角3种方案的塑性区比较Fig．14 Comparison and contrast among plasticized zones of three cases under different ground surface inclination angles

3．2．2 支护内力

1)锚杆内力。由表3可知:当地表的倾角是10°时，此时的方案1的锚杆最大内力最小，方案3的次之，方案2的最大(183．65kN)，约比方案1大34%;当地表倾角是20°时，此时仍是方案1的最小，方案3比方案2略小，方案2的最大，约比方案1大46%;当地表倾角是30°时，此时最大的是方案3(318．1 kN)，方案2的次之，方案1最小，方案3约比方案2大17%。

表3 不同倾角下3种方案的锚杆最大轴力Table 3 Maximum axial forces of bolts of three cases under different ground surface inclination angles kN

2)初期支护及二次衬砌内力。在隧道衬砌各主要特征点上布置内力监测点，如图15所示。表4与表5分别给出了3种方案下初期支护各特征点的轴力与弯矩，二次衬砌的弯矩值。

图15 衬砌内力监测点示意图Fig．15 Monitoring points of internal force of lining

从表4与表5可以看到，随着地表倾角的增大，初期支护的轴力和弯矩也变大。采用方案1施工的支护拱腰处内力值明显大于另外2种方案，这是由于双侧壁导坑工法能够更好地控制拱腰围岩的水平变形，从而导致支护结构会承受较大的荷载;采用方案2施工的拱顶初期支护内力比另外2种方案大20%以上，这是由于方案2一次性开挖上台阶土层，从而导致拱顶承受着较大的荷载。总体而言，方案2和方案3的初期支护内力要小于方案1，且随着地表倾角的增加，方案1的初期支护内力的增加要大于方案2及方案3。

对于二次衬砌，当地表倾角为10°时，方案1拱腰弯矩最小，其拱顶弯矩略大于方案2，方案2的拱腰弯矩最大，方案3的内力居于方案1及方案2之间;当地表倾角为20°或30°时，也呈现出相似的受力情况。总体而言，方案2的二次衬砌弯矩最大，方案3的次之，方案1的最小，这是由于方案1能较好地控制围岩位移，其二次衬砌的支护内力较小。

通过对支护结构内力的比较分析可知，采用方案2和方案3施工较方案1对支护结构的受力比较有利，但这种相对有利是以牺牲围岩稳定性来实现的。对于浅埋大跨度隧道而言，由于地层稳定性较差，围岩变形以整体下沉和向临空面变形为主，因此适当地控制围岩的位移对于确保隧道的安全，同时充分发挥支护的承载能力，显得尤为重要。当地表倾角为0～10°时，地层偏压现象不严重，采用台阶法施工经济便利，能较好地控制隧道围岩的变形及塑性区的范围，同时可以发挥支护的承载作用;当地表倾角为20～30°时，地层偏压比较严重，采用台阶法或CRD法施工会产生较大围岩变形，塑性区范围也较大，此时宜采用双侧壁导坑法施工;当地表倾角为10～20°时，优先选择台阶法，同时加强支护并及时监测。

表4 初期支护的轴力和弯矩比较Table 4 Comparison and contrast among three cases in terms of axial force and bending moment of primary support

表5 二次衬砌弯矩比较Table 5 Comparison and contrast among three cases in terms of bending moment of secondary lining kN·m

4 结论与讨论

1)与台阶法和CRD法相比，双侧壁导坑法在施工过程中分部施工且尺寸较小，可以有效地控制围岩的变形，但其支护内力较大;台阶法和CRD法允许地层发生一定的变形，发挥了地层的承载作用，支护内力较小，但位移较大。

2)在偏压地层中，相比于CRD法，台阶法对于控制隧道顶部围岩的竖向位移、拱腰位置的水平位移以及地表沉降量较为有利。双侧壁导坑法能够很好地控制拱腰两侧围岩的变形，有利于保证大跨度浅埋隧道临空面的稳定。

3)随着地表倾角的增大，隧道围岩变形、围岩塑性区范围及支护内力呈增大趋势。当地表倾角为10°时，3种方案的塑性区范围相近;当地表倾角为20°和30°时，方案2和3的塑性区范围沿着45°方向扩展至坡脚，方案1的塑性区的扩展范围较小。

4)综合考虑隧道安全、发挥地层承载作用及施工经济便利性等因素，当地表倾角为0～10°时，宜采用台阶法;当地表倾角为20～30°时，宜采用双侧壁导坑法;当地表倾角为10～20°时，优先选择台阶法，同时加强支护并及时监测。

5)本文的有限元模拟是建立在理想状态下的，其将岩土体考虑成均质、连续、各向同性的理想弹塑性材料。而实际岩土介质性质是十分复杂的，往往还需要考虑时间与空间因素的影响。因此，本文的计算数值并不代表实际工程的绝对数值，其目的是便于在相对合理的参数条件下，基于相同的条件，分析和研究问题的规律性。

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