大跨径浅埋偏压隧道进洞方式数值模拟研究

欧阳璐

摘要：文章以广西某大跨径浅埋偏压隧道为研究背景，建立隧道洞口段明挖施工法和明洞暗做、护拱盖挖施工法两种不同进洞方式的地层-结构法数值计算模型，对这两种进洞方式的施工全过程进行分析对比，选择更适合本项目隧道的进洞方式，并针对分析计算结果，对施工提出相应的建议，确保隧道安全进洞，也为类似工程提供相应的经验。

关键词：偏压隧道;有限元分析;明洞暗做;护拱盖挖;明挖

With a largespan shallowburied bias tunnel in Guangxi as research background，this article establishes the value calculation model by stratigraphicstructural method for two different tunneling methods：open excavation construction method and opencut tunnel darkoperation support arch cover excavation construction method at tunnel entrance section，analyzes and compares the whole construction process of both tunneling modes，selects the tunneling method more suitable for the tunnel of this project，and proposes the corresponding suggestions regarding the analysis calculation results，to ensure the safe tunneling，which can also provide the experiences for similar projects.

Biased tunnel;Finite element analysis;Dark operation of opencut tunnel;Support arch coverexcavation;Open excavation

0 引言

受地形、地貌等因素的影响，在山岭丘陵区修建的高速公路隧道洞口段很难避免复杂地质条件、浅埋偏压等问题。在设计和施工过程中，如何采用更加合理的进洞方案，一直以来都是浅埋偏压隧道的一大难题。目前已有的研究只是单纯针对进洞方案进行比较，文献[10]结合工程实例定性分析对比了偏压隧道洞口进洞方式（偏压隧道明挖施工法，明洞暗做、护拱盖挖进洞等）;文献[11]对常规拉槽方案、常规护拱方案、异形护拱与反压挡墙三种方案进行综合对比分析。但尚未见对不同进洞方案进行量化比较的研究。因此，本文以广西某大跨径浅埋偏压高速公路隧道为依托，采用数值模拟方法进行定量分析，对比不同进洞方式（偏压隧道明挖施工法和明洞暗做、护拱盖挖进洞法）的可行性，并在此基础上，选取最佳进洞方式，确保隧道安全进洞，也为类似工程提供相应的经验。

1 工程概况

该隧道设计时速100 km/h，全长441 m（取双洞平均值），建筑限界净宽13.25 m，净高5.0 m，开挖面积约152 m3，属大跨径短隧道，如图1所示。

隧道洞口段的覆盖层为第四系崩积碎石土，围岩主要为石炭系中统黄龙段石灰岩。块石厚度不均，充填碎石及黏土，工程地质稳定性较差;石灰岩呈细晶结构，中厚层构造，岩体表层节理裂隙较发育，较破碎～较完整，隧道洞口与等角线斜交严重，地势陡峭。

进洞方式的选取，应遵循“安全、环保、和谐”的原则，尽量避免破坏山体植被，保持原生态和原有植被环境，并通过回填及防护等措施消除工程开挖所造成的不良地质隐患，使工程融入自然且美化环境。本文采用MIDAS GTS-NX软件对隧道洞口段明挖施工法（见图2）和明洞暗做、护拱盖挖法（见图3）两种进洞方式进行数值模拟分析，选取最佳进洞方式。

2 进洞方式数值模拟

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS GTS-NX软件建立二维典型断面模型。由于隧道在开挖时，只考虑隧道开挖洞室一定范围内的围岩压力影响，应考虑消除模型边界效应，水平尺寸取75 m（5B，B为开挖宽度），下部边界取60 m（4B），隧道上部至地表。约束条件为左右施加水平约束，底部施加竖向约束，顶部为自由边界。由于隧道为浅埋偏压隧道，初始应力场按自重应力场考虑，如图4和图5所示。明挖法和明洞暗做、护拱盖挖法的施工阶段如下页表3和表4所示。

围岩及支护结构的物理力学参数根据《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004），结合实际工程地勘报告及计算经验选取。

岩土体、洞顶回填土石采用摩尔-库伦本构模型，结构单元采用弹性本构模型，偏压挡墙及护拱等采用平面应变单元，喷混、钢拱架采用梁单元，锚杆、框架锚杆采用桁架单元，如表1和表2所示。

2.2 计算结果分析

2.2.1 位移分析（见图6～13）

由图6可知，明挖法在开挖边坡时右侧一级边坡中间处出现最大水平位移29.52 mm（向左）。由图8可知，右侧边坡坡脚处出现最大竖向位移27.54 mm（向上隆起），拱顶产生最大沉降值5.28 mm。施工时应注意右侧边坡处的防护，及时喷锚挂网支护和土石回填，平衡偏压力，控制水平和竖向位移。

由图10可知，明洞暗做、护拱盖挖法施工完成后右侧拱腰處出现最大水平位移15.66 mm（向左）。由图12可知，右侧拱脚处出现最大竖向位移12.01 mm（向上隆起），右侧拱肩（护拱落脚处）产生最大沉降值7.56 mm。施工时应注意右侧拱脚和拱肩位置的防护，初期支护钢拱架及时闭合，喷锚及时施作，控制围岩变形。模型的最大位移皆远小于预留变形量120 mm，结构是安全的。

明挖法施工工序简单，但对原生态保护较差，边坡刷方量较大，施工中岩土体最大水平、竖向位移皆大于明洞暗做、护拱盖挖法;后者虽施工工序较复杂，但对原生态保护较好，边坡刷方量较少，拱肩沉降值较前者稍大，护拱施工时应注意护拱与岩土体的连接，严格把控锁脚锚杆的施工质量，确保二者形成一种协同变形体。

2.2.2 塑性区分析（见图14～17）

由图14～17分析计算可以发现：明挖法开挖边坡时塑性区范围明显大于明洞暗做、护拱盖挖法开挖时的塑性区范围，主要集中在坡脚处。实际施工开挖后应及时对边坡（尤其是坡脚处）进行喷锚防护，锚杆的施工质量应得到保证，控制围岩变形和塑性区的发展，待稳定后再进行下一步施工作业。而明洞暗做、护拱盖挖法随着隧道开挖，塑性区逐渐由右侧拱肩位置扩散到右侧拱脚，易形成滑动面，但塑性区发展程度不大。在实际施工过程中，为了围岩稳定，右侧导洞开挖前应进行小导管超前注浆，对地层进行预支护和预加固，隧道开挖后及时施作喷锚支护，控制塑性区的发展，控制围岩变形。

2.2.3 喷混层及钢拱架应力分析（见图18～24）

由图18分析计算可知，明挖法施工时喷混最大的压应力为3.57 MPa，位于右侧边坡坡脚处，远小于C25混凝土容许弯曲及偏心受压应力9.6 MPa，结构安全储备系数为2.68，结构是安全的。

经过分析计算可以发现：采用明洞暗做、护拱盖挖法开挖左侧导洞时，主洞喷混最大的压应力为0.34 MPa（见图19），位于导洞拱顶位置;随着右侧导洞的开挖，左侧导洞下部出现最大压应力为2.50 MPa（见图21）;随着初期支护的完成，隧道喷混最大压应力仅为1.50 MPa（见图21），远小于C25混凝土容许弯曲及偏心受压应力9.6 MPa。结构安全储备系数为3.84，结构是安全的。

经过分析计算可以发现：采用明洞暗做、护拱盖挖法开挖左侧导洞时，钢拱架最大弯曲应力为10.57 MPa（见图22），位于左侧导洞拱顶;随着右侧导洞的开挖，左侧导洞拱顶最大弯曲应力达到最大值23.89 MPa（见图23）;随着初期支护封闭成环，钢拱架弯曲应力逐渐减小，最大值降至10.14 MPa（见图24），出现在右侧上导洞右侧落底处。整个开挖过程中，钢拱架弯曲应力皆小于容许应力180 MPa，结构安全储备系数为7.53，结构是安全的。分析还表明右侧导洞的开挖，造成了左侧导洞结构受力的不稳定性，因此，在右侧导洞开挖时，应尽量控制对左侧导洞的扰动，采用人工开挖，将扰动降至最低。

2.2.4 衬砌及反压墙应力分析（见图25～28）

经过分析计算可以发现：明挖法开挖时衬砌及反压墙第一主应力极值为1.38 MPa（见图25），出现在偏压挡墙底部与衬砌相接处，小于C30混凝土抗拉强度设计值。施工时应注意将挡墙与衬砌一起浇筑，保障结构的整体性。第三主应力极值为-3.03 MPa（见图26），出现在右侧拱腰内侧位置，小于C30混凝土抗压强度设计值，结构是安全的。

经过分析计算可以发现：明洞暗做、护拱盖挖法施工时衬砌及反压墙第一主应力极值为2.55 MPa（见图28），出现在左侧护拱处，大于C30混凝土抗拉强度设计值，这是由于拆除双侧壁导坑法临时钢拱架时连接点处两侧应力差造成的。施工中应加强此处结构的应力监控量测，绝大部分衬砌及反压墙处于受压状态，可以认为结构是安全的。第三主应力极值为-4.17 MPa（见图28），出现在右侧护拱外侧位置，小于C30混凝土抗压强度设计值，结构是安全的。

3 结语

通过MIDAS GTS-NX软件对隧道洞口段明挖施工法和明洞暗做、护拱盖挖法两种进洞方式进行数值模拟。经分析发现，对于本项目隧道而言，明洞暗做、护拱盖挖法进洞更为合理，分析对比结果如下：

（1）明挖法施工工序简单，但对原生态保护较差，边坡刷方量较大，施工时最大水平位移29.52 mm（向左），最大竖向位移27.54 mm（向上隆起），拱顶产生最大沉降值5.28 mm;而明洞暗做、护拱盖挖施工工序较复杂，对原生态保护较好，边坡刷方量较少，施工时最大水平位移为15.66 mm（向左），最大竖向位移为12.01 mm（向上隆起），右侧拱肩（护拱落脚处）产生最大沉降值7.56 mm，最大水平、竖向位移皆小于明挖法施工，但拱肩附近沉降大于明挖法施工。这是因为刚性的护拱与松散的岩体的连接是通过锚杆实现的，锚杆对岩土层的锚固作用，通过自身的应力和应变，将二者形成一种协同变形体，连接牢固与否是此法成功的关键。

（2）明挖法施工时围岩塑性区范围较大，厚度约3 m，施工过程中若防护不到位，易产生边坡滑动面;而明洞暗做、护拱盖挖法施工时围岩塑性区明显小于明挖法，厚度约1～2 m，在锚杆加固范围内，不易产生滑动面。

（3）明挖法喷混最大的压应力为3.57 MPa，衬砌及反压墙第一主应力极值为1.38 MPa，第三主应力极值为-3.03 MPa，皆满足结构受力容许值。明洞暗做、护拱盖挖法施工时随着右侧导洞的开挖，左侧导洞下部喷混层出现最大压应力2.50 MPa，较明挖法施工小;衬砌及反压墙第一主应力极值为2.55 MPa，这是由于拆除双侧壁导坑法临时钢拱架时连接点处两侧应力差造成的，绝大部分衬砌及反压墙处于受压状态，可以认为结构是安全的;第三主应力极值为-4.17 MPa，结构是安全的;双侧壁导坑开挖过程中，临时钢拱架最大弯曲应力达到最大值23.89 MPa，远小于钢拱架受力容许值，结构是安全的。

综上，对于本项目隧道而言，通过采用数值模拟方法进行定量分析，明洞暗做、护拱盖挖法进洞更为合理，隧道能安全进洞。希望本文研究能为类似工程提供相应的经验。

参考文献：

[1]夏永旭，王永东.隧道结构力学计算[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]贾艳领，张 臻，许 东.特大跨度公路隧道支护结构稳定性分析[J].西部交通科技，2014（5）：39-43.

[3]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[4]JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范[S].

[5]JTG/T D70-2010，公路隧道设计细则[S].

[6]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范[S].

[7]王 敏.山区高速公路隧道偏压浅埋洞口段施工技术探讨[J].工程建设与设计，2014（8）：149-150.

[8]秦柳江，赵 琳.复杂条件下偏压隧道出洞施工技术[J].隧道建设，2010，30（ S1）：451-453.

[9]李豐果.山体偏压隧道洞口施工技术[J].隧道建设，2009，29（ S2）：99-103.

[10]白国权. 偏压隧道洞口进洞方式实践与探讨[J].铁道标准设计，2017，61（1）：94-98，99.

[11]孟伶俐，邓 凡，黄国勇. 异型套拱与反压挡墙综合工艺在偏压隧道洞口的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2013（2）：172-173.