浅埋偏压土层隧道施工安全性浅析

李扬 费维水 陈光杨 汪伟伟 薛挥杰 费建文

(昆明理工大学 昆明 650000)

0 引言

随着城市人口规模不断增加，城市地面交通的压力越来越大，建设地下公路隧道已经成为大中城市解决交通拥堵的有效手段之一。但城市地下空间开发的限制条件较多，很多时候必须要穿越一些地质条件特殊的地区，构筑物也常常会因此而承受复杂的外力作用[1]。

浅埋偏压小净距土层隧道较一般隧道施工更为复杂，目前针对此类隧道有多种施工方式。选用哪种开挖方式施工，才能够有效改善偏压，使施工过程安全进行，这是重点问题中较为突出的一个。较常用的开挖方式有：三台阶七步开挖法、留核心土法、CD法、CRD法等；其中三台阶七步开挖法与留核心土法类似，CD法与CRD法类似。本文通过建立二维及三维数值计算模型，对比分析不同施工方式下隧道的围岩变形、衬砌内力，分析采用三台阶七步开挖法及CRD法施工的安全性，为后续浅埋偏压隧道施工的研究提供参考。

1 工程概况

该道路为城市主干路，双向六车道，设计行车速度为50 km/h。沿线隧道布置情况见表1。

表1 隧道布置情况

本次计算分析主要针对隧道部分，隧道左线长3.979 km，右线长3.948 km，隧道净宽13.25 m。该隧道在施工过程中发现地质情况复杂，初支及地表沉降和位移超标，属场地条件复杂工程。该段隧道处于粘聚力仅有3 kPa的素填土层中，最不利断面隧道完全埋置于六级围岩中，并存在浅埋、偏压、小净距等情况，设计和施工难度大[2]。

2 模型概况

2.1 模型设置

本文采用Midas GTS NX有限元程序进行模拟分析，考虑到边界效应产生的计算误差，模型范围取为：左右边界为4倍洞径宽度，上边界到地面。计算模型根据实际的地形建立，以便真实反映隧道周边环境和地形情况。模型如图1所示。

(a)三台阶七步开挖法模型

2.2 计算参数选取

本模型的围岩采用摩尔-库伦本构模型，初期支护和二次衬砌等支护结构采用线弹性模型；初期支护(喷层+钢架)采用梁单元模拟；围岩应力释放根据工程类比和计算经验，在开挖+初期支护阶段释放50%，二次衬砌施作后，应力完全释放；初始应力场仅考虑自重应力场。

通过提高土体力学参数的方法模拟超前小导管注浆及隧道基底高压旋喷桩对周围土体的加固作用。

根据《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)[3]、勘察报告及文献资料[4-5]，确定物理力学计算参数如表2所示。

表2 模型物理力学计算参数

2.3 计算工况

2.3.1 加固方式

隧道采用Ⅵ级衬砌，预支护措施采用超前小导管。加固措施如图2所示。

(a)横断面示意

初期支护采用C25喷射混凝土，内置双层φ8钢筋网以及工25b钢架，锁脚锚杆采用小导管；二次衬砌采用C35钢筋混凝土。

对于隧道底部为土层的部分，采用直径1 m的高压旋喷桩进行基础加固，旋喷桩间距3 m×3 m梅花形布置，高压旋喷桩在洞内基础底设置，实施时间为初期支护成环后[6]，如图3所示。

图3 隧道地基加固(单位：m)

2.3.2 开挖工法

在加固及支护方式相同的前提下，本文分析了三台阶七步开挖法及CRD法两种开挖方式，施工工序如图4所示。

(a)三台阶七步法增设临时仰拱开挖工序

(1)三台阶七步开挖法

施工采用三台阶七步开挖法以减小开挖高度，并在中台阶处增设两道临时仰拱。临时仰拱采用喷锚+型钢拱架进行临时支护，开挖出来的掌子面应及时喷射混凝土封闭。

(2)CRD法

CRD法左右导坑分别设置上、中、下三台阶开挖，并在中台阶设置临时仰拱，上台阶由于机械操作空间问题不设临时仰拱，临时中隔壁及临时仰拱采用喷锚+型钢拱架进行临时支护。

3 模型数值分析

3.1采用不同施工方式时隧道围岩变形及应力分析

(1)隧道围岩变形分析

采用不同施工方式时隧道围岩竖向位移情况如表3所示。对比表中数据可以看出，CRD法能更好的控制围岩的变形。与台阶法相比，CRD法的拱顶位移减小了约300 mm，边墙及拱脚的围岩竖向位移减小200 mm左右，仰拱的变形由下沉变为了更有利于隧道受力的隆起。采用不同施工方式时隧道围岩变形分布如图5、图6所示。

图6 采用不同施工方式时隧道围岩竖向位移折线

表3 隧道围岩竖向位移值统计表 mm

(a)台阶法

不同施工方式下隧道围岩竖向位移折线表明，从多个角度看，CRD法控制围岩变形的能力都优于台阶法。且如果采用台阶法开挖，隧道围岩变形不能满足《铁路隧道监控量测技术规程》(Q/CR 9218—2015)的要求[7]。

(2)隧道围岩应力分析

采用不同施工方式时隧道围岩最大、最小主应力统计如表4、表5所示，围岩最大、最小主应力云图如图7所示。

表4 隧道围岩最大主应力统计表 kPa

表5 隧道围岩最小主应力统计表 kPa

(a)台阶法隧道围岩最大主应力

对比采用不同开挖方式时隧道围岩最大主应力可知，台阶法施工时隧道的最小主应力为1 332.9 kPa的压应力，远小于混凝土的抗压强度[8]；最大主应力为200.5 kPa的拉应力，虽然不大，但是对于围岩及衬砌的受力是不利的。而CRD法施工时的隧道最大、最小主应力均为压应力，且远小于混凝土抗压强度。因此，CRD法开挖时隧道围岩的应力更加合理。

3.2 采用不同施工方式时隧道初期衬砌内力分析

不同施工方式下隧道初期支护喷层内力统计如表6所示。

表6 隧道初期支护喷层内力最大值统计

通过对比表中数据可以看出，采用台阶法与CRD法两种方法开挖，隧道初期支护的内力也有较大差距。轴力相差约150 kN，弯矩相差约200 kN·m，剪力相差约80 kN。总的来说，采用CRD法开挖时隧道初期支护的内力更小更有利。

4 结语

(1)采用三台阶七步开挖法时隧道围岩的变形远远大于采用CRD法开挖，从围岩变形的角度来看，在此类土体中采用三台阶七步开挖法不太适合，比较不安全。

(2)从隧道围岩应力的数值上看，采用三台阶七步开挖法或CRD法开挖隧道的围岩应力都是满足要求的，但三台阶七步开挖法的隧道围岩应力中出现了拉应力，这是比较不利的，因此CRD法更加合理。

(3)比较三台阶七步开挖法与CRD法的隧道初期衬砌内力可知，两种方法的隧道初期衬砌内力都是满足要求的，但CRD法的初期衬砌内力更加合理。

(4)在此类土体中对浅埋偏压土层隧道进行施工时，采用三台阶七步开挖法虽然工期短、成本低，有一定的可行性，但是具有较高的风险，CRD法相对更合适，安全性更高。