浅埋偏压隧道CD法施工围岩变形规律研究

赵春鹏 朱军

摘 要：在浅埋偏压隧道施工过程中，由于地质条件复杂多变，地应力分布不均匀，使得施工过程中极容易发生重大灾害问题。本文以广东省某隧道浅埋偏压段为例，采用数值模拟的方法分析了CD法开挖过程中各阶段围岩变形规律。研究结果表明：（1）浅埋偏压隧道施工过程中围岩的变形在大小和方向上呈现出明显的非对称性，在先行导洞开挖过程中，支护结构最大位移均在左拱腰处。（2）上台阶施工对于围岩的位移影响大于下台阶施工，后行导洞施工对于地表位移的影响大于先行导洞施工。

关键词：浅埋偏压隧道;CD法;施工工艺

中图分类号：U451.2 文献标识码：A

随着交通强国重大战略决策的实施，我国正逐渐从交通大国向交通强国迈进，对于基础交通尤其是桥梁、隧道等重要结构物的要求也在逐渐的提高。隧道工程作为高速公路施工的关键性控制工程，保障其施工过程中围岩的稳定和安全是重中之重[1-2]。在浅埋偏压地段，隧道的受力和变形就变得尤为复杂，现场工作人员往往因为对于围岩的变形规律不熟悉，因此不能准确的判断围岩的稳定状态，从而导致事故的发生。

本文以广东省某隧道为例，利用FLAC3d软件分析在浅埋偏压路段采用CD法施工时各个阶段围岩的变形规律，并对各个阶段需要关注的施工重点进行了总结。

1 工程背景

1.1 工程地质

拟建隧道位于沟谷斜坡-丘陵地貌区，进口段山坡坡度10°～30°，中部一般30°～50°，出口段山坡坡度较陡，一般20°～40°。地质构造比较复杂，以断裂构造为主，褶皱构造与断裂相伴而生。

1.2 研究段落内支护参数

以隧道左线ZK63+400为例，该段落隧道埋深约为10 m，设计为Ⅴ级围岩。超前支护采用Φ42超前小导管支护，长度为4.5 m，环向间距40 cm。初支支护采用I18钢拱架，纵向间距75 cm，系统锚杆为Φ25中空注浆锚杆，长3.5 m，间距100×75 cm。

2 隧道施工建模

采用FLAC3d软件模拟该隧道ZK63+400断面，埋深为10 m，坡面与水平面的夹角为30°，纵向长度为2 m，隧道两边及底部各取30 m。初期支护采用shell单元模拟，同时将初期支护的工字钢采用等效刚度的原则计算结构参数。开挖步骤为：先行导洞上台阶→先行导洞下台阶→后行导洞上台阶→后行导洞下台阶。计算模型参数根据地勘成果及相关规范确定。

3 计算结果分析

3.1 围岩水平位移分析

隧道CD法开挖各个阶段水平位移如图1所示。从图中可以看出在浅埋偏压条件下隧道的水平变形与非偏压条件下隧道的水平变形有着较大的区别。首先，围岩的水平位移在方向和大小上均表现出明显的非对称性，以先行导洞上台阶开挖为例，围岩的最大正水平位移为3.8 mm，位于左拱腰处，方向与边坡坡面大致呈正交，最大负水平位移为6.5 mm，处于临时支撑中部，且其位移量明显大于最大正水平位移。这是由于对于浅埋偏压隧道而言，初始最小主应力往往沿着坡面方向，最大主应力则与坡面近似垂直，这就使得隧道开挖后围岩位移方向往往沿着最大主应力方向。另外，初期支护的半径小于临时支护的半徑，使得初期支护能更好的发挥拱结构的承载特性，因此其位移相对较小，约为临时支护最大位移的58%。

其次，各个施工阶段最大水平位移的变化量并不相同，分别为6.5 mm，7.6 mm，18.9 mm，20 mm，说明上台阶开挖对围岩水平位移的影响较下台阶明显更大。这是因为一方面上台阶开挖过程中围岩压力得到了一定的释放，使得作用在支护上的力显著增大;另一方面下台阶的开挖使得支护体系封闭呈环，极大的提高了支护体系的承载能力。

3.2 围岩竖直位移分析

隧道CD法开挖各个阶段竖直位移如图2所示。围岩竖直位移与水平位移有着相似的变形规律。首先，拱顶与隧底位移的大小和方向并不对称，拱顶的沉降位移为11.4 mm，位于左拱腰，与最大水平正位移处于相同的位置，但其数值远大于水平位移值3.8 mm。说明先导坑上台阶开挖过程中初期支护的位移主要以沉降为主。各个施工阶段中拱顶位移值分别为11.4 mm、12.4 mm、34.7 mm、36.6 mm，同样表现出上台阶开挖围岩位移的变化量大于下台阶。先行导坑下台阶施工围岩拱顶竖向位移增加1 mm，后行导洞下台阶施工围岩拱顶竖向位移增加1.9 mm，总体位移变化量差距不大，后行导洞下台阶施工对围岩位移的影响略大于先行导洞。以隧道拱顶上方地表的沉降为例，各个施工阶段中地表沉降量分别为0.6 mm、0.7 mm、2.7 mm、2.9 mm，这说明先行导洞施工由于开挖面积不大，因此对于地表的沉降影响相对较小，而后行导洞的施工使得临空面变大，使得地表沉降陡然增加。因此在施工过程中应着重关注后行导洞施工对地表沉降的影响。

4 结论

本文以广东省某隧道为例，通过FLAC3d软件进行建模分析，得出了如下主要结论。

（1）浅埋偏压隧道施工过程中围岩的变形在大小和方向上呈现出明显的非对称性，在先行导洞开挖过程中，支护结构最大位移均在左拱腰处，临时支撑的水平位移大于支护结构的水平位移。

（2）上台阶施工对于围岩的位移影响大于下台阶施工，后行导洞施工对于地表位移的影响大于先行导洞施工，因此应根据施工过程中围岩变形的特点进行有针对性的监测与预警，保障隧道的施工安全。

参考文献：

[1]韩立志.浅埋偏压隧道双侧壁导坑法开挖数值模拟研究[J].公路，2020，65（05）：324-328.

[2]李文韬，张拥军，刘思佳，等.山岭隧道浅埋偏压段塌方冒顶分析及工法优化[J].公路，2020，65（01）：309-314.