浅埋偏压小净距隧道的力学特性及方案比选研究

张学富，袁理中，苏佳园

（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

引言

随着我国公路建设的蓬勃发展，浅埋偏压小净距隧道越来越多地受到众多学者的关注。隧道埋深浅且出现偏压将使围岩位移及力学性能发生显著变化。隧道的修建过程将使围岩多次被扰动、围岩应力多次重分布，结构受力复杂，施工中稍有不慎将出现塌方等严重事故[1]，目前已建或在建公路隧道，在隧道围岩变形与应力分布、结构受力等方面采用数值模拟、理论分析、现场监测等多种手段进行了大量研究工作，取得了一定的成果[2-4]，但涉及浅埋偏压小净距隧道的研究相对较少。本文通过四种不同开挖方法对比分析，并结合重庆南山隧道出口端浅埋偏压段工程实例中存在的偏压问题进行探讨，分析隧道偏压产生的影响指导施工，并为类似工程建设提供参考。

1 工程概况

南山隧道工程为重庆市江南大道中线重庆茶园新城区东西干道（一期）工程的重要组成部分，隧道西洞口位于南岸区上新街，东洞口位于瓦房子社，位于主线里程桩号K0+405-K3+230m处，分为左右两线，各长约2825m，隧道属于城市公路长隧道，为小净距隧道。隧道净宽10.8m，净高6.8m，隧道轴线间距35.5m，设计行车速度60km/h；隧道冲沟浅埋偏压段均为软质岩覆盖，土层厚度一般0.5～1.8m，基岩面倾角5～10O左右，其围岩类别为Ⅳ级。台阶法施工，开挖方法采用工况二（见图3）。

2 隧道施工过程的动态仿真数值模拟研究

2.1 基本原理[1，5]

隧道开挖过程包括围岩分步开挖及支护结构的分步设置等，用以模拟不同施工阶段力学性态的有限元方程为：

式中，M为施工阶段总数，[K0]为开挖前岩体的初始总刚度矩阵；[△Ki]为施工过程中岩体和支护结构刚度的增量或减量，其值为挖去岩体单元及设置或拆除支护结构单元的刚度；{△Fir}为由开挖释放产生的边界增量结点力列阵，初次开挖由岩体自重、地下水荷载、地面超载等确定，其后各开挖步由当前应力状态决定；{△Fia}为施工过程中增加的结点荷载列阵；{△δi}为任一施工阶段产生的结点增量位移列阵。

任一施工阶段的位移{δi}、应变{εi}和应力{σi}为：

式中，{σ0}为初始应力，{△σj}为各施工阶段的增量应力。

当介质材料假设为弹塑性体时，上述计算可采用增量初应力法，在施工过程的动态仿真数值模拟分析中，我们是以不同的开挖阶段（同一开挖阶段也可以包括若干个施工亚阶段）来进行模拟的，分部卸载由开挖面向前推进而引起，计算时可依据经验或由现场量测位移分别在同一开挖阶段选取不同的地应力释放系数，据此以反映不同施工阶段的变化。

2.2 模型的建立

由ANSYS所建立的二维有限元分析基本模型如图1所示。

图1 二维弹塑性有限元分析模型

参考以往工程经验，对隧道左右两侧及下方岩体选用三倍洞径作为有限元分析范围，位移边界条件采用两侧限制水平方向位移，顶部为自由边界，底部施加竖向约束。利用ANSYS中单元的“生”和“死”模拟隧道的开挖支护过程，隧道的开挖过程是通过杀死开挖部分的单元实现的，即把死单元相关的刚度和荷载变为一极小值[6]；隧道的衬砌支护通过激活单元来实现。土体采用Plane42实体单元和平面应变模式，隧道衬砌采用Beam3单元，锚杆采用Link8单元，屈服准则采用Drucker-Prager准则，Ⅳ级围岩、锚杆及衬砌支护物理力学参数见表1。

表1 数值计算中材料物理力学参数

隧道左洞埋深20m，右洞埋深12m，偏压角从左至右依次约为46°、15°、8°，模型中有节点1315个，单元1529个。 分四种开挖方法进行对比分析，如图2-图5。

图3 第二种开挖方法（工况二）

图4 第三种开挖方法（工况三）

图5 第四种开挖方法（工况四）

2.3 数值计算结果分析

计算分别模拟重力场和隧道开挖施工过程。通过对重庆南山隧道出洞口冲沟浅埋偏压段工程实例模拟计算，对比分析了隧道施工力学响应行为，得到以下一些主要结论。

2.3.1 围岩位移特征

位移能够真实的反映施工变化，是现场监控量测和数值模拟计算中最直观的参量指标。本文主要对不同开挖顺序下隧道拱顶地表沉降、洞内周边收敛和拱顶下沉位置进行位移分析。四种工况隧道拱顶地表沉降、洞内拱顶下沉和周边收敛位移变化数据见表2。

由此，我们不难发现，原本是为了公平正义、为学生着想的轮流座位，其实是一种变相的“吃大锅饭”的行为，是对部分家长的应付、迎合，甚至是讨好。

表2 模拟累积变化量与实测累积变化量对比（单位：mm）

偏压情况下隧道左洞（即深埋侧隧道）的地表沉降量和洞内拱顶下沉量均大于右洞，但右洞洞内周边收敛量大于左洞。开挖顺序的变化对隧道位移影响较明显，若先开挖右洞，工况二位移变化量最大，地表沉降量最终能达到20.02mm，洞内拱顶下沉量最终达到31.54mm，同一开挖方法左洞（即深埋侧隧道）的地表沉降量和洞内拱顶下沉量比右洞约大20%；若先开挖左洞，工况四位移变化量最大，地表沉降量最终达到29.61mm，洞内拱顶下沉量最终达到51.91mm，同一开挖方法左洞（即深埋侧隧道）的地表沉降量和洞内拱顶下沉量比右洞约大70%。故知，偏压小净距隧道先开挖深埋侧隧道对洞内周边收敛比较有利；先开挖浅埋侧隧道对洞内拱顶下沉和地表沉降比较有利。

左、右洞开挖顺序不同，右洞地表沉降和洞内拱顶下沉累积量总小于左洞，洞内周边收敛累积量则反之；左、右洞开挖顺序相同，同一位置位移累积量几乎相等。

由于深埋侧隧道施工工程中受扰动较大，故分析深埋侧隧道地表沉降、洞内拱顶下沉和周边收敛量随模拟开挖荷载步变化如图6-图8。得知隧道对围岩的扰动主要发生在上台阶开挖阶段，隧道未开挖之前，邻近隧道开挖对其围岩扰动较自身开挖对围岩扰动小得多。

图6 地表沉降随荷载步变化图

图7 拱顶下沉随荷载步变化图

图8 周边收敛随荷载步变化图

2.3.2 隧道开挖应力特征

通过对不同开挖顺序进行数值模拟，当采用工况四的施工工艺时，隧道在整个施工过程中受力最佳，最大第一主应力值为1.61MPa，最大第三主应力值为-2.33MPa，均发生在隧道左洞下台阶左侧拱脚初支悬空部位，且表现为应力集中（见图9-图10）。

图10 第三主应力

因此，在施工过程中，必要时应加强压应力集中区域围岩抗压强度（如对于拱脚部分，应加强锁脚锚杆及混凝土注浆加固等措施，以提高局部承载能力）。浅埋偏压隧道开挖过程中，隧道两侧围岩压力呈不对称分布，深埋侧受压程度比浅埋侧大。故在进行隧道断面结构设计时，应充分考虑支护结构能够抵抗偏压作用引起的不均匀变形。

由于工况四隧道在整个施工过程中受力最佳，因此在施工中应采用工况四的施工工艺，现考虑在工况四下，通过分别取左洞锚杆长度分别为3m、3.5m、4m、4.5m来考察锚杆的受力情况。

（1）左洞上台阶初支和锚杆施作完后，进行下台阶左侧开挖时，上台阶左侧拱脚局部锚杆轴力突变最大，当左洞锚杆长度为3.5m时，左洞拱脚锚杆拉力突变最大达到576.8kN，且锚杆长度越长拉力越大，因此，施工进行此工序时应注意防止坍塌，及时施作下台阶左侧初支。不同锚杆长度左洞锚杆轴力分布如图11。

图11 左洞锚杆轴力分布图

（2）左洞锚杆长度为3m和3.5m时，施作二衬后最终轴力未出现受拉情况，左洞锚杆长度为4m和4.5m时，施作二衬后最终轴力出现了受拉情况，且锚杆长度越长拉力越大。说明前者二衬与初支共同受力抵抗围岩压力，后者相对较小；且锚杆长度越长最终二衬受力越小，二衬安全储备越高。

（3）左洞锚杆长度为4.5m时，隧道施工过程中，左侧拱脚初支悬空部位围岩受力比较均匀，未出现受拉情况，右侧拱脚部位出现应力集中，集中拉力为3.28MPa，初支右拱腰位置第三主应力最大达到-9.49MPa。由此可见，当左洞锚杆长度由3m增至4.5m时，围岩最大拉力由左侧拱脚初支悬空部位转移到右侧拱脚部位，最大压力由左侧拱脚初支悬空部位转移到初支右拱腰部位，提高了左侧拱脚初支悬空部位的施工安全性，但在施工工程中应防止初支右拱腰部位出现喷射混凝土开裂、剥离现象。

3 现场实测结果分析

通过对南山隧道冲沟浅埋偏压段ZK2+734断面进行一个月的观测，得到地表沉降、拱顶下沉和周边收敛量测结果累积变化量如表2所示。

由于开挖是引起围岩位移变化的主要因素，而监测工作往往是滞后于开挖工作的，开挖初期释放掉的部分位移未能在监测数据里反映出来，导致模拟计算值相对偏大，但二者基本相符，反映了计算模型和参数选取的合理性。

4 结论

通过对二维有限元的弹塑性计算在偏压情况下的小净距隧道不同开挖方法的位移场和应力场特性对比分析，并与部分实测数据对比验证了其结果的可靠性，得出以下结论：

（1）偏压小净距隧道先开挖深埋侧隧道对洞内周边收敛比较有利，最大累积量为30.81mm；先开挖浅埋侧隧道对洞内拱顶下沉和地表沉降比较有利，最大累积量分别为-31.54mm和-20.02mm。故在偏压小净距隧道施工时，应根据不同环境选择合理的开挖方法。

（2）采用工况一施工工艺时，隧道围岩位移累积量最佳，最大地表沉降累积量为-19.84mm、洞内周边收敛累积量为34.20mm、洞内拱顶下沉累积量为-31.44mm。采用工况四施工工艺时，隧道在整个施工过程中局部受力最佳，最大第一主应力值为1.61MPa，最大第三主应力值为-2.33MPa，应力集中现象较小。

（3）左洞上台阶初支和锚杆施作完后，进行下台阶左侧开挖时，上台阶左侧拱脚局部锚杆轴力突变较大，最大可达576.8kN。因此，施工进行此工序时应注意防止坍塌，及时施作下台阶左侧初支。

（4）随着左洞锚杆长度的增加，初支受力逐渐增大，二衬受力逐渐减小，即锚杆长度越长最终二衬受力越小，二衬安全储备越高；隧道施工过程中，左侧拱脚初支悬空部位施工安全性得到提高。

[1]孙钧.地下工程设计理论与实践[M].上海：上海科学技术出版社，1996：121-133.

[2]赵阳，王伟笔，杨昌能.偏压浅埋连拱隧道施工过程的三维数值模拟[J].中南公路工程，2005，30(2):181-184.

[3]申玉生，赵玉光.偏压连拱隧道围岩变形的现场监测与分析研究[J].公路，2005(4):194-198.

[4]王磊，傅钢，汪振伟，等.关于浅埋偏压隧道合理开挖进尺的讨论[C].//第二届全国岩土与工程学术大会论文集，2006.

[5]朱合华，丁文其.地下结构施工过程的动态仿真模拟分析[J].岩石力学与工程学报，1999，18（5）：558-562.

[6]郑余朝.深圳地铁重叠隧道三维数值模拟分析[D].成都:西南交通大学，2000.