浅埋偏压大断面隧道施工力学分析及方案比选★

江 杰 刘刚伯 蒲 鸥 欧孝夺,2 赵建刚 谢规球

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004； 2.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室，广西 南宁 530004；3.广西岩土力学与工程重点实验室 桂林理工大学，广西 桂林 541004； 4.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)



·桥梁·隧道·

浅埋偏压大断面隧道施工力学分析及方案比选★

江 杰1,2,3刘刚伯1蒲 鸥1欧孝夺1,2赵建刚4谢规球4

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004； 2.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室，广西 南宁 530004；3.广西岩土力学与工程重点实验室 桂林理工大学，广西 桂林 541004； 4.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

结合南宁玉象隧道偏压浅埋大断面隧道工程实际，建立了偏压浅埋大断面隧道施工动态有限元数值模型，分别采用上下台阶法、CD法和双侧壁导坑法 3 种施工方案，模拟施工对围岩变形和力学特性的稳定性影响，对围岩位移、应力、锚杆、初期支护轴力与二衬弯矩等进行对比分析，结果表明，双侧壁导坑法能较好地控制围岩位移，应力分布与隧道支护结构内力分配较合理。

隧道，偏压浅埋，大断面，围岩，应力

0 引言

依托工程为广西玉象隧道，为四车道公路隧道，隧道单洞长为480 m，开挖跨度为21.545 m，属于大断面隧道，开挖高度为15.05 m，隧道最小、最大埋深分别为10 m，75 m。隧道穿越的山型高低起伏，有很大一部分位于浅埋偏压区，围岩为Ⅴ级，主要为全风化硅质砂岩。大断面隧道有着开挖跨度大，施工工序多，且开挖与支护工作并行的特点，同时穿越浅埋、偏压、软弱围岩地段，加大隧道支护结构受力与变形状态的复杂程度，易导致坍塌事故[1，2]。

目前，大断面隧道修建尚缺乏足够的设计与施工经验，且不同开挖方式会对隧道造成不同影响，开挖方式的选择在一定程度上决定了隧道建设的成败[3，4]。因此，研究不同开挖方式下围岩与支护结构变形与力学特性，具有十分重要的意义。

1 隧道施工数值模拟

1.1 建立模型

采用MIDAS GTS有限元数值计算软件，模型中围岩采用Mohr-Coulomb本构模型，支护结构均采用弹性模型，其中锚杆采用植入型桁架单元、喷射混凝土初衬、二次衬砌、钢支撑均采用梁单元模拟，强风化硅质砂岩采用面单元模拟；地应力场为自重应力场；左右边界距洞口距离分别为3.5倍隧道跨度，下边界距拱底为3倍洞高，拱顶到地表面距离30 m，坡度为1∶1.73的土体偏压作用于隧道构件，尺寸为150 m×90 m；左、右边界对水平方向约束，下边界对竖直方向约束，计算模型网格图如图1所示。本文选取上下台阶法、CD法和双侧壁导坑法3种施工方案进行数值模拟，示意图如图2所示，图中数字代表土体所在区域，开挖步按数字顺序进行。

1.2 参数选取

数值模拟计算采用的各项计算参数见表1。

表1 围岩及支护力学参数

2 计算结果分析

2.1 隧道围岩应力分析

为分析开挖后围岩受力情况，选择隧道拱顶、拱底、左右拱肩及左右拱腰应力值最大处为关键分析点，将三种方案计算结果列于表2中。

表2 各工法关键点应力值 MPa

从上述结果看，三种方案均在左右拱腰处引起较大压应力，有应力集中现象，采用台阶法引起拱腰处压应力最大，为-2.17 MPa，比采用CD法与双侧壁导坑法分别高出38.7%和48.4%，施工过程中要特别关注拱腰处，做到早支护、早闭合；台阶法与CD法，在左右拱肩处产生受拉区，易导致衬砌结构受拉破坏，设计时应增加抗拉要求，采用双侧壁导坑法让整个隧道衬砌处于受压状态，且引起较小应力，应力分布较合理。

2.2 隧道围岩变形分析

如图3～图5所示给出了三种方案地表沉降、拱顶以及拱底曲线。

由数值结果可得，台阶法上部开挖引起较大竖向位移，引起的沉降占总沉降的87%，是由于开挖断面过大，围岩无法自稳；其他两种开挖工法随着分部开挖进行，拱顶沉降和拱底隆起量值逐渐增加并趋于稳定；台阶法与CD法引起隧道地表沉降较大，双侧壁导坑法能较好控制地表位移。

对比三种开挖方法，双侧壁导坑法引起围岩位移最小，其中拱顶、拱底与地面沉降最大位移分别为-24.75 mm，30.47 mm，-16.5 mm，比台阶法小85.6%，82.8%，86.3%，比CD法小72.2%，59.9%，75.7%，是因为虽然开挖步骤多，但分部开挖面相对较小，且每个分部均能形成闭合支护，加之预留土支挡开挖面，减少围岩位移，所以能有效地对围岩位移进行控制。

采用台阶法和CD法引起围岩位移过大，超过30 mm，而双侧壁导坑法能很好地控制围岩位移。

2.3 支护结构受力分析

表3列出了锚杆最大轴力与初期支护在隧道控制点的最大轴力。

表3 锚杆轴力最大值与各个控制点初期支护轴力最大值 kN

由表3可得：台阶法引起的锚杆轴力值最大，是187.6 kN，出现在拱顶处，建议尽早进行初期支护；CD法最大轴力值也出现在拱顶附近，是176.5 kN；双侧壁导坑法引起锚杆最大轴力是156.05 kN，出现在拱顶部位，因为扰动土体程度相对较小，且形成闭合支护早。

台阶法引起初期支护轴力在拱顶与左右拱肩处较大，达到-3 827.1 kN，左右拱腰处较小，因为上台阶开挖造成扰动较大，初期支护需要承担较多形变压力；采用CD法施工，左侧初期轴力相对右侧大，达到-4 256.5 kN，因为CD法先进行左导洞开挖造成施工偏压，与地形偏压一起作用于左侧初期支护上，使左侧轴力比右侧大约3倍；采用双侧壁导坑法对隧道左右拱腰引起初期轴力较大，最大值达到-5 360.3 kN，为三种开挖方式中最大，左右拱肩次之，拱顶处最小，为-1 029.1 kN，因为双侧壁法能较好控制围岩位移，故而初期支护受到轴力最大，由上往下增加，因为随着开挖断面逐渐增大，初期支护对围岩位移控制要求逐渐提高，逐渐释放支护承载能力，这种逐步释放支护承载能力的方式更为合理。 表4列出二次衬砌在隧道拱顶、左右拱肩与左右拱腰处弯矩最大值。

表4 各个控制点二次衬砌弯矩最大值 kN·m

由表4可以得知：采用台阶法施工弯矩较大地出现在左右拱肩处，为5 472.3 kN·m，拱顶与左右拱腰处弯矩较小，是因为进行二次衬砌施作时，围岩变形压力集中作用在隧道上部，对左右拱肩造成较大的弯矩集中；采用CD法施工，在左侧引起弯矩较大，最大值为29 271.6 kN·m，相对于右拱肩、右拱腰而言相差较大，不利于二衬结构；采用双侧壁导坑开挖，除拱顶处有较大的弯矩集中，为6 975.6 kN·m，拱肩、拱腰处弯矩数值分布在1 000 kN·m～3 500 kN·m范围内，较其他两种方法小，是因为双侧壁导坑法初期支护承受了较大围岩变形，能充分发挥二衬结构承载能力。

3 结语

通过对Ⅴ级围岩浅埋偏压段大断面公路隧道施工方案进行数值模拟，分析了台阶法、CD法与双侧壁导坑法3种施工方案的特点，得到如下结论：

1)采用双侧壁导坑法施工，围岩应力分布合理，最大压应力分别比台阶法与CD法小48.5%，15.8%。

2)采用双侧壁导坑法施工，对围岩扰动较小，竖向位移量比台阶法小85%左右，比CD法小60%～75%，特别适用于对围岩位移控制要求高的工程。

3)采用双侧壁导坑法施工，较其他两种工法，引起的锚杆轴力最小，弯矩分布呈均布状态。

4)施工过程中，需加强对应力拱顶、拱腰、拱肩等关键部位的监控量测。

[1] 刘 会.偏压浅埋隧道洞口施工技术[J].现代隧道技术,2008(4):44-47，60.

[2] 周丁恒,曹力桥,马永峰,等.四车道特大断面大跨度隧道施工中支护体系力学性态研究[J].岩石力学与工程学报,2010(1):140-148.

[3] 李云鹏,王芝银,韩常领,等.不同围岩类别小间距隧道施工过程模拟研究[J].岩土力学,2006(1):11-16，28.

[4] 秦 峰,吴存兴.小净距隧道开挖方法浅论[J].现代隧道技术,2003(6):39-42，49.

Constructively mechanical analysis and comparetive selection for shallow bias large section tunnels★

Jiang Jie1,2,3Liu Gangbo1Pu Ou1Ou Xiaoduo1,2Zhao Jiangang4Xie Guiqiu4

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniv.,Nanning530004,China; 2.SecurityKeyLaboratoryofDisasterPreventionandStructuralEngineering,GuangxiUniv.,Nanning530004,China; 3.GuangxiKeyLaboratoryofGeotechnicalMechanicsandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004，China; 4.CCCCFourthHighwayEngineeringBureauLtd，Beijing100022,China)

According to the living examples of shallow bias large section tunnels in Nanning Yuxiang, the article builds the dynamic finite element numerical model, simulates the constructive influence to the stabilities of surrounding rock deformation and mechanical properties, and comparatively analyzes three kinds of construction plans(up and down stairs method, CD method and double drift method) in the displacement and stress of surrounding rock, rock bolts, initial supporting axial forces and second lining bending moments. The result indicates that the double side drift method can better control the surrounding rock displacement, and the stress distribution and tunnel support structure internal force distribution are more reasonable.

tunnel, shallow bias， large section， surrounding rock, stress

1009-6825(2016)18-0138-03

2016-04-13★：国家自然科学基金资助(项目编号：51568006)；国家自然科学基金资助(项目编号：41372361)；广西岩土力学与工程重点实验室资助课题(课题编号：14-KF-03)

江 杰(1979- )，男，博士，硕士生导师，副教授； 刘刚伯(1991- )，男，在读硕士

U455

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