偏压隧道开挖工序优化研究

摘要：本文以中铁十七局集团城市建设有限公司承建的上坪园隧道开挖工程为研究背景，利用有限元软件 ABAQUS 模拟环形开挖留核心土法的施工过 程，分析隧道开挖对其自身结构及周边围岩的影响。结果表明：隧道开挖会引起周边围岩及隧道结构产生一定的变形;合理的隧道开挖工序可有效降低施 工扰动对周边环境的影响。研究成果可为今后类似工程提供借鉴。

关键词：山岭隧道;有限元;环形开挖留核心土法;隧道开挖工序

引言

线路在设计可能会使山体走向与隧道轴线斜交，使隧道两面承受的载 荷不一致，造成山体对隧道形成偏压。隧道在开挖时，围岩与支护结构受 力不均匀，容易引起大变形，影响隧道安全[1-2]。故开挖工序不合理可能对 隧道及围岩变形产生严重影响 [3]。本文依托上坪园隧道工程，采用 ABAQUS 软件模拟了不同开挖工序下围岩的受力与变形，分析了环形开挖留核心土 法不同开挖工序对隧道的影响程度，对今后类似工程具有一定借鉴价值。

1 工程概况

上坪园隧道位于 G351 湖北省恩施州咸丰县小村乡荔木村附近，该隧道 为单洞开挖隧道，开挖跨度 12m，开挖面积约 100m2。洞身主要穿越志留系 龙马溪组砂质页岩，地层分布较稳定，围岩级别为Ⅴ级。隧道下穿小李线 （5m 宽水泥路），该既有路施工期为周边村庄居民出行通道。隧道采用环 形开挖留核心土法施工，采用超前小导管进行超前支护。

2 有限元模型的建立

2.1 模型概况

采用 ABAQUS 软件建立上坪园隧道的二维平面应变模型，计算模型遵 照弹塑性理论影响范围，基于圣维南原理[4] ，取模型范围为横向 150m，竖 向 60m。计算模型左、右边界施加水平约束，底部边界施加法向约束，边 坡及地表为自由边界，不受任何约束。整体有限元模型如图 1 所示。

2.2 模型参数

模型中所有部件均采用 CPE4 单元，其中围岩采用摩尔-库伦本构，其 它结构体均采用弹性本构。计算参数如表 1 所示。

2.3 分析工况

为了分析环形开挖留核心土法不同开挖工序对隧道及围岩的影响，如 图 1 所示，设置工况一的开挖工序为 1-2-3-4-5-6，工况二的开挖工序为 3-2-1-4-6-5。本次模拟共 8 个施工步，主要涉及岩体开挖、隧道支护等过 程。施工步 1 为初始应力场分析;施工步 2 至施工步 4 为开挖上侧环形导 坑，并施作上侧初期支护;施工步 5 是开挖中部核心土;施工步 6 至施工 步 7 是开挖下台阶，并施作下侧初期支护;施工步 8 为施作二次衬砌。

3 数值仿真结果分析

3.1 应力分析

在隧道围岩中取 8 个监测点（图 1），分析隧道开挖围岩的应力情况。围岩各监测点的应力值大小如图 2 所示。

由图 2 可知，两种工况下围岩的应力最大值均出现在监测点 7，即围 岩左拱腰的位置，工况一的应力最大值为 0.69MPa，工况二的应力最大值 为 0.88MPa。且除了监测点 8 外，工况二其余监测点的应力值均比工况一 大，表明工况一下围岩整体比工况二更加稳定。说明在偏压隧道中，改变 隧道开挖的工序可以有效增加隧道的稳定性。环形开挖留核心土法隧道上 侧初支和下侧初支施作的时间存在先后性，这就涉及到隧道初支受力体系 的转换，而围岩的应力前期主要靠隧道初支来承担，故在上侧初支与下侧 初支衔接的地方容易产生应力集中，施工过程中应对此位置特别关注。

3.2 围岩变形

围岩位移随施工步的变化情况如图 3 所示。

由图 3 可知，隧道的施工开挖会引起围岩的拱顶沉降变形和拱底隆起 变形，围岩的最大变形值即为拱顶的-2.55mm 和拱底的 2.38mm。开挖过程 中，在开挖步 2 至开挖步 4，拱顶的沉降变形量增长迅速，之后趋于平稳，这是由于隧道开挖采用的是环形开挖预留核心土法，开挖步 2 至开挖步 4 时恰好是在开挖隧道上侧岩体，而开挖步 6 至开挖步 7 则是在开挖隧道下 侧岩体，拱底的隆起随着开挖的进行一直在增加也是此原因。围岩拱腰处 的变形值也较大，且在开挖步 2 至开挖步 4 工况一和工况二左右拱腰处的 沉降变化有较大差异。这主要是因为工况一是先开挖左侧，再开挖右侧，故工况一左拱腰沉降变化先快后慢，右拱腰沉降变化先快后慢，而工况二 时则正好相反。隧道侧墙位置的变形量最小，受开挖工序的影响也最小。

3.3 地表及边坡变形

选取地表及边坡的几个监测点（图 1），分析隧道施工开挖的影响，见图 3。

图 4 可以看出，和隧道围岩变形一样，边坡及地表在开挖步 2 至开挖 步 4 一直在发生沉降变形，之后的变形则相对较缓。相比与其他位置的变 形量，监测点 E 和 F 的沉降值非常小，即隧道开挖对坡底的影响最小。隧 道开挖对监测点 C 和 D 的影响最大，此处在边坡的边坡点附近，最大沉降 值为 1.34mm。监测點 A 所在位置为隧道上方的小李线，沉降仅为 0.6mm，影响较小。隧道开挖的影响程度主要是隧道与边坡的相对位置所决定的。工况一时地表及边坡的变形量明显比工况二要小，表明合理的隧道开挖工 序可有效降低对周边环境的影响。

4 结论

（1）隧道开挖会引起围岩拱底的隆起与拱顶的沉降，边坡与地表也会 产生一定的沉降，其影响程度与隧道和边坡的相对位置有关。

（2）合理的隧道开挖工序可有效降低施工扰动对周边环境的影响。

参考文献：

[1]杨彦亮，李锡波，毛洪录.高地应力条件下深埋隧道开挖方式数值优 选及工程应用[J].隧道建设，2013，33（09）：735-740.

[2]孙洋，陈建平，余莉，等.浅埋偏压隧道软岩大变形机理及施工控制 分析[J].现代隧道技术，2013，50（5）：169-174.

[3]王薇，邹江海，潘文硕，等.不同施工顺序对陡坡偏压小净距隧道围 岩稳定性的影响研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（8）：28-33.

[4]牟智恒，严涛，田明杰，张佳鑫.邻路基变坡条件下浅埋偏压隧道施 工工法及合理开挖工序研究[J].土木工程学报，2017，50（S2）：203-208.

作者简介：韩苗（1985-） ，男，本科，工程师。研究方向：隧道及地 下工程。