浅埋偏压小净距隧道进洞工序分析

■卓益平

（福建省交通工程造价站，福州 350001）

近些年，福建省公路隧道的建设逐渐向地质复杂、地形较差的地区发展，出现大量浅埋、偏压的小净距隧道，隧道浅埋且偏压会使围岩位移及力学性能发生显著变化，一旦开挖方式错误，将会引起隧道塌方等严重事故。 众多学者对此做了一些研究，如李星平等［1］研究两车道偏压隧道，通过模拟试验得出结论， 认为先开挖较浅的一侧隧道风险较大，应先开挖深埋较大的一侧；孙亮等［2］通过数值模拟研究观音庙隧道，得出的结论与李星平等相反，认为先开挖隧道埋深较小的一侧更加安全；张学富等[3]通过对南山隧道冲沟浅埋偏压段进行数值模拟和现场监控，认为偏压小净距隧道先开挖浅埋侧和深埋侧各有利弊；张运良等[4]认为当间距小于0.5 倍洞径时，先开挖深埋侧较先开挖浅埋侧安全；当间距大于0.75 倍洞径时，先开挖浅埋侧对于隧道受力更加有利；当埋深在1 倍洞径以下，先开挖深埋侧隧道整体稳定性及受力更佳，当埋深大于1.5 倍洞径时，先开挖浅埋侧隧道受力更加安全。 由此可以看出，众学者得出的结论并不相同，浅埋偏压隧道合理开挖顺序正处于探索阶段，本文通过数值模拟，分析隧道不同开挖顺序下围岩的位移、塑性区和支护结构的内力， 探讨浅埋偏压隧道较安全的开挖顺序，可为类似工程建设提供参考。

1 模型建立

本次数值模拟采用针对岩土与隧道分析设计的有限元计算软件Midas GTS， 可较准确地模拟隧道施工开挖过程，计算模型如图1 所示。

图1 偏压浅埋小净距隧道计算模型

（1）开挖瞬间地应力释放率为50%，其余地应力在初期支护施作后释放。

（2）采用平面应变问题模拟。

（3）计算模拟时考虑阶段为施做初期支护，计算结果为初期支护的强度。

（4）计算结果中初期支护强度喷射混凝土厚度加钢支撑按截面换算成同标号混凝土的厚度之和。

根据 《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）采用有限单元法对隧道支护结构进行计算时，为消除或减小边界效应的影响，计算区域要求大于隧道开挖的影响区域，一般取值在5 倍以上毛洞跨度或高度[5]，本次计算有限元计算模型的水平方向取隧道左、右侧各62 m，等于5 倍的隧道开挖宽度，竖直方向下面取50 m，等于隧道5 倍的开挖高度，右洞上表面距离洞顶5.1 m， 左洞上表面距离洞顶17.8 m，左、右洞间距10 m，隧道单洞宽度12 m，偏压角度为30°。

1.1 围岩及支护参数

本次模拟选取2 种围岩参数， 上部围岩较差，下部围岩为基础， 围岩较好， 计算选用Morhcoulomb 强度准则进行计算， 模拟隧道开挖完成后围岩的变形及初期支护的受力情况，计算所用围岩的物理力学参数如表1 所示， 初期支护情况如表2所示，初期支护物理力学参数如表3 所示。

表1 围岩物理力学参数

表2 初期支护情况

表3 初期支护物理力学参数

1.2 工况分析

工况一：先开挖右洞，后开挖左洞；工况二：先开挖左洞， 后开挖右洞； 计算模型开挖方法如图2所示。

图2 计算模型开挖方法示意

工况一采取四步中隔壁法， 开挖步骤如下：①开挖右洞左导坑上台阶；②右洞左导坑上台阶初期支护（包括侧壁临时支护、拱墙初期支护及临时仰拱）；③开挖右洞左导坑下台阶；④右洞左导坑下台阶初期支护（包括侧壁临时支护、拱墙初期支护及仰拱初期支护）；⑤开挖右洞右导坑上台阶；⑥右洞右导坑上台阶初期支护（包括拱墙初期支护及临时仰拱）；⑦开挖右洞右导坑下台阶；⑧施工右洞右导坑下台阶初期支护（包括拱墙初期支护及仰拱初期支护）；⑨拆除右洞所有临时支护；⑩开挖左洞右导坑上台阶；⑪左洞右导坑上台阶初期支护（包括侧壁临时支护、拱墙初期支护及临时仰拱）；⑫开挖左洞右导坑下台阶； ⑬左洞右导坑下台阶初期支护（包括侧壁临时支护、 拱墙初期支护及仰拱初期支护）；⑭开挖左洞左导坑上台阶；⑮左洞左导坑上台阶初期支护（包括拱墙初期支护及临时仰拱）；⑯开挖左洞左导坑下台阶；⑰施工左洞左导坑下台阶初期支护（包括拱墙初期支护及仰拱初期支护）；⑱拆除左洞所有临时支护。

工况二开挖步骤与工况一相反，此处不再阐述。

1.3 边界条件

边界位移约束为：左、右边界水平约束，下部边界垂直约束，上部边界自由；计算荷载考虑岩土体自重；不考虑构造应力、地震等对隧道结构的影响。

2 围岩稳定分析

2.1 位移分析

2.1.1 竖向位移

分析隧道地表下沉及拱顶下沉位移， 比较工况一与工况二位移值大小， 竖向位移值如图3～4所示。

图3 工况一竖向位移

由图3～4 可以看出，工况一地表最大位移值为3.1 mm，发生在左洞顶部地表；工况二地表最大位移值为3.22 mm，发生位置与工况一相同；工况一洞周围岩竖向位移值最大为4.3 mm，工况二洞周围岩竖向位移值最大为4.4 mm，均发生在拱顶位置。 比较位移值可以得出，工况一地表竖向位移和洞周围岩竖向位移均小于工况二，因此，从竖向位移角度考虑应采用工况一开挖，即浅埋偏压小净距隧道应先开挖山体外侧洞室。

图4 工况二竖向位移

2.1.2 横向位移

分析隧道洞周水平位移，比较工况一与工况二位移值大小，如图5～6 所示。

图5 工况一横向位移

图6 工况二横向位移

由图5～6 可以看出，工况一隧道洞周围岩最大横向位移值为7.46 mm，发生在左洞拱腰位置；工况二隧道洞周围岩最大横向位移值为7.55 mm， 发生位置与工况一相同。 比较横向位移值可以得出，工况一洞周围岩横向位移均小于工况二，因此，从横向位移角度考虑应采用工况一开挖，即浅埋偏压小净距隧道应先开挖山体外侧洞室。

2.2 塑性区分析

模拟的围岩地质较差，上部岩体为Ⅴ级围岩参数，下部岩体为Ⅳ级围岩参数，隧道全部位于Ⅴ级围岩内，偏压角度30°，地形较差，开挖后隧道洞周围岩均出现塑性区，工况一和工况二隧道开挖完成后塑性区情况如图7～8 所示。

图7 工况一隧道围岩塑性区

图8 工况二隧道围岩塑性区

可以看出，2 种工况条件下上部围岩与下部围岩相交的右侧边缘位置均出现了塑性变形，这是由于模型地形较差，偏压严重，右侧边缘位置会出现应力集中现象，围岩出现屈服破坏，此位置距离隧道洞周较远，不影响隧道洞室。

综合分析塑性区范围，工况一出现塑性变形的围岩占总围岩范围的32.9%，工况二出现塑性变形的围岩占总围岩范围的38%，工况二较工况一范围大。 工况一左、右洞之间的塑性区未贯通，且右洞塑性区范围较小；工况二左、右洞之间的围岩塑性区贯通，开挖时较危险，且右洞围岩塑性区范围明显大于工工况一。 因此从塑性区角度分析应采用工况一开挖，即浅埋偏压小净距隧道应先开挖山体外侧洞室。

3 支护结构内力分析

本次模拟计算的本构模型为DP1 准则，计算初期支护强度时， 初期支护的厚度为2 项组合，一部分为初期支护的喷射混凝土厚度，另一部分将嵌在喷混凝土中的钢支撑翼缘板钢筋按强度等效原则换算成喷混凝土厚度，该简化方法可较合理考虑喷混凝土和钢支撑的联合承载作用（图9）。为保证安全，在模拟计算时将钢支撑腹板钢筋和布设在喷射混凝土中的钢筋网作为安全储备，不进行模拟计算。

图9 简化计算模型

隧道开挖完成后，初期支护的轴力、弯矩如图10～13 所示。 并根据计算出来的各个单元内力对初期支护各个单元进行验算，单元的内力值及其安全系数见表4～5。

图10 工况一初期支护轴力图

图11 工况一初期支护弯矩图

图12 工况二初期支护轴力图

图13 工况二初期支护弯矩图

表4 工况一初期支护内力及安全系数

表5 工况二初期支护内力及安全系数

由图10～13 可知，2 种工况下，隧道初期支护轴力较大位置及弯矩较大位置均相同，轴力较大位置出现在左洞右拱肩、右洞拱脚和右洞右拱肩，弯矩较大位置位于左洞左右侧拱脚和右洞左拱脚。

工况一和工况二条件下，右洞初期支护安全系数均大于左洞初期支护安全系数，无论先开挖左洞还是先开挖右洞， 均对隧道右洞的支护影响较小。但相同条件下， 左洞初期支护安全系数均较小，尤其是左洞左拱肩、拱腰和拱脚位置，因此洞室开挖对隧道左洞的支护影响较大，且工况一条件下左洞初期支护安全系数大于工况二条件下初期支护安全系数，从初期支护安全系数角度考虑，应采用工况一开挖，即浅埋偏压小净距隧道应先开挖山体外侧洞室。

4 结论

通过对浅埋偏压小净距隧道开挖顺序结果分析，得出以下结论：

（1）隧道地表竖向位移、洞周竖向位移和横向位移均是先开挖远离山体一侧的洞室较小。

（2）根据隧道整体塑性区范围、左右洞室之间的塑性区贯通情况，以及右洞周边围岩的塑性区大小，均是先开挖远离山体一侧的洞室小。

（3）开挖先后顺序对靠近山体一侧的洞室初期支护影响较大，先开挖远离山体一侧的洞室，靠近山体一侧的洞室初期支护安全系数较高， 结构较安全。

（4）浅埋偏压小净距隧道施工时应注意开挖的先后顺序，远离山体一侧的洞室应先行开挖，以保障洞室稳定，支护结构安全。