浅埋偏压洞口段不同施工方法位移和受力分析

文/新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 张永达

隧道开工进洞时，经常会遇到浅埋偏压地段，许多专家、学者结合大量的实际工程，研究了隧道浅埋偏压的情况，并从中总结了大量的符合施工需要的相关资料。本文以某高速公路长大隧道浅埋偏压地段的施工为例，模拟了实际地层的三维数值。通过台阶法和CD法分析哪种开挖方法更适合浅埋偏压隧道的实际地质情况，同时分别模拟了CD法开挖顺序的数值，并借此分析比较了隧道的开挖顺序。

隧道计算模型和参数的选择

隧道情况简介

某高速公路隧道为分离式长大隧道，岩体以砂岩为主，洞口段洞顶浅埋，左右侧压力不对称，存在较为明显的偏压情况，隧道顶部覆盖不足5m，很薄。隧道右侧同样存在覆盖薄，坡度较大（45。以上）等问题。此外，隧道上表面覆有黏土层，植被茂盛，向下是风化程度不同的砂岩地层，洞口段岩层中含水量匮乏，施工中可不必过多关注含水量变化。

计算模型范围：根据圣维南原理，隧道开挖的影响范围为隧道的3倍至5倍，沿隧道轴线方向取40m，隧道右侧坡度接近实际地形情况，右侧洞径约40m，下边界约30m。模型左边界、右边界、后边界，以及前面隧道开挖面以下部分边界均施加法向约束，底部边界施加3个方向的约束。隧道开挖断面以上至地表均为自由边界。

围岩的物理力学参数及计算工程状况

岩体的物理力学参数，参照相应规范中围岩力学指标，围岩材料采用摩尔库伦模型。围岩参数既要参考隧道设计中的相关说明，还要参照规范中的相关规定，并综合相关说明、规定确定参数。实际上，钢拱架与喷射混凝土是紧密联系在一起的，共同变形、共同受力，所以根据钢筋混凝土计算原理，钢拱架采用等效截面计算，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土。

该隧道的浅埋偏压段围岩级别为V级，分别采用台阶法和CD法开挖支护隧道。台阶法开挖时，上下台阶保持8m的开挖步距；CD法开挖则分为浅埋侧先开挖和浅埋侧后开挖。浅埋侧先开挖时，上下台阶相距6m，左右侧开挖距离为12m。浅埋侧先后开挖时，上下台阶的错距保持不变，从而不会对施工分析产生不必要的影响。

计算结果分析

隧道施工过程中，围岩位移分布可直接反映隧道是否安全，岩体是否稳定，支护体系是否符合实际需求，这对安全施工和合理设计非常重要。同时，围岩位移与变形也可直接体现围岩力学的变化，一旦位移超出所准许的范围，将发生支护系统、围岩的失稳塌方。

位移分析

用台阶法开挖时，比较隧道拱顶和拱脚的位移，可发现拱顶处位移值远大于拱脚处位移，主要是由于隧道开挖后，在覆盖层自身重量的影响下，拱顶处不断产生位移并积累。同时，隧道处于浅埋偏压地段，造成开挖初始阶段，隧道左右侧的拱脚处位移值存在很大偏差，且压力大的一侧位移变化较大。随着开挖深度的加大，经过偏压施工地段后，左右拱脚处的位移会逐渐一致，最终收敛稳定。

比较台阶法和CD法开挖后拱脚处的位移值，可看出后开挖的部分，台阶法开挖后的拱脚位移值与CD法开挖的拱脚位移值相比明显减小。此外，在开挖支护后，CD法拱脚位移比台阶法更快稳定，而且台阶法相对来说需要时间更长。

但CD法开挖的工序较为繁琐，每次施工都会对围岩和支护造成一定程度的扰动，并对中隔墙产生影响。

应力分析

通过CD法开挖，比较浅埋偏压段隧道拱腰、拱顶处的应力显示，不论是先开挖浅埋侧还是后开挖浅埋侧，先开挖的拱顶应力都比后开挖的实际拱顶应力大。下台阶开挖后，先开挖侧的应力水平会有很大提升，另一侧开挖支护后，应力水平会逐渐趋于稳定并回落降低。

各个部分先后开挖支护的过程，应力水平迅速增大，其余部分未开挖前，临时支护的中隔墙所受压力将增长较快。待其余部分开挖支护后，中隔墙受力会不断减小。

结语

通过数值模拟分析浅埋偏压隧道的位移受力特征可知，浅埋偏压隧道的开挖施工工序是先开挖隧道浅埋一侧。当开挖深度超过浅埋偏压地段后，隧道各部分的受力位移差异将缩小，偏压效应也会逐渐减弱直至消失。