浅埋偏压小净距隧道施工力学效应模拟分析
时间：2023-04-14 14:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
陈佐洪 白乾本 牟明俊 陈 强
（中国建筑土木建设有限公司，北京 100070）
随着城镇化进程的加快，我国高速公路建设规模在不断扩大。高速公路多处于山岭地区，经常会穿越小型坡体的浅埋偏压隧道，是山岭隧道中常见的一种隧道类型。由于浅埋偏压隧道围岩分布压力极为复杂，这就导致双洞或单洞隧道的衬砌结构内力分布不均匀，因此在隧道施工中容易出现山体开裂、衬砌开裂等问题，大大增加施工难度和工程成本。
国内很多学者对具有浅埋、偏压、小净距等特征的隧道进行研究，例如王春国[1]采用 FLAC3D 有限差分数值模拟软件对小净距隧道施工中的应力应变变化规律和施工方法进行分析；
黎成[2]利用FLAC3D系统对小净距隧道施工阶段受力变化进行了分析；
刘正刚等[3]对浅埋偏压小净距隧道围岩压力进行探讨，并分析不同斜坡坡度、不同埋深、不同净距对围岩压力的影响。这些研究分别对浅埋偏压小净距隧道浅埋、偏压以及小净距等特征进行分析，但是对隧道施工中的衬砌开裂、岩体开裂等问题研究较少。
因此，该文依托某浅埋偏压小净距段隧道施工，采用有限差分软件，对该类型的浅埋偏压小净距隧道施工力学效应进行了模拟分析。
1.1 工程基本情况
拟建隧道穿越山岭地区而建设，隧道区属构造剥蚀丘陵地貌，呈南东～北西向。左洞起止里程桩号为ZK11K84+175～ZK11K85+263，设计长度1088 m，进、出口隧道路面设计高程分别为120.32 m、138.63 m，最大埋深约125.5 m；
隧道右洞起止里程桩号为K84+178～K85+241，设计长度1063 m，进、出口隧道路面设计高程分别为120.32 m、138.09 m，中心最大埋深约133.2 m；
为分离式长隧道。
隧道净空为14.75m×5.00m，左右洞之间的净距约为9.70m，为浅埋偏压小净距隧道。隧道的围岩性质较差，均为Ⅴ级围岩，且因为左右洞之间净距较小，导致后开挖的隧道对先行开挖的隧道存在很大影响，增加了隧道施工难度。
1.2 水文地质条件
1.2.1 水文条件
拟建隧道区域地表水体不发育，主要为沟谷洼地雨季汇水，水量受大气降水补给影响，洞身段基岩由细砂岩等构成，属相对隔水层，但遇节理裂隙发育等破碎带联通地下裂隙，对隧道洞身施工有影响。地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，其中松散岩类孔隙水主要接受大气降雨垂直分散渗入补给，其次是基岩裂隙水的侧向补给，水量有限且动态不稳定，受季节性影响比较明显；
基岩裂隙水则主要接受大气降雨垂直分散渗入补给，其次是松散岩类孔隙水渗入补给，具有径流途径短、水力坡度大、受季节影响明显等特点。这就导致隧道区地下水较为丰富，对隧道的施工影响较大。
1.2.2 地质条件
根据工程地质调绘、钻探及工程物探等结果显示，拟建隧址区地层结构较为简单，上覆为第四系残坡积（Q4el+dl）粉质黏土、碎石等，下伏为寒武系水口群中亚群（∈sh2）细砂岩、页岩。节理裂隙较为发育，偶见炭质页岩夹层，层间结合较差，粉质黏土容易引起浅层滑动问题，砂岩和页岩对隧道衬砌结构受力影响较大。
受拟建隧道地形条件、地质条件的影响，隧道出现严重的偏压情况。为控制山体滑动、减小衬砌结构受力，采取多种工程措施。为保障拟建隧道施工安全，减小衬砌结构受力，在隧道施工中采取预应力锚索加固山体、低预应力中空注浆锚杆加强支护以及小导管环向注浆加固的措施。
具体施工方法如下：1）分别在左线和右线隧道的右侧设置偏压耳墙。2）针对山体变形情况，采用预应力锚索加固山体。3）采用φ25mm的低预应力中空注浆锚杆对中间岩柱进行加固，以增强中间岩柱的结构受力。4）采用φ42mm×4mm小导管对隧道拱部软弱围岩以及松散、无黏结土层、自稳能力差的砂层进行环向注浆加固[5]。5）对左右线隧道之间的岩柱采用钢花管进行注浆加固。此外，为防止浅层滑坡，在右洞的洞顶设置植草防护。
拟建隧道设计为左线先行开挖，待左线洞身衬砌强度满足设计要求后，再从右线出口开始采用预留核心土法进行开挖，开挖循环进尺小于1 m，施工工序如图1所示。
图1 预留核心土法施工工序
3.1 选择计算参数
根据拟建隧道工程的勘察资料以及相关试验数据，得到模型中不同地层和支护的物理力学参数，见表1。
表1 不同地层和支护的物理力学参数
3.2 建立数值模型
为了直观地模拟拟建隧道的地质以及实际开挖情况，采用摩尔库仑分析模型对隧道开挖过程进行分析，并采用弹性模型，由此可知，隧道支护[4]模型的最上层为粉质黏土，中间层为砂岩，最下层为中风化页岩，隧道断面宽度B=15.4 m，洞高H=10.85 m，两隧道净距L=9.7 m，隧道偏压为15°，所建三维数值计算模型如图2所示。
图2 拟建隧道三维数值计算模型
3.3 监测数据验证
以隧道左线ZK11K84+75处和ZK11K84+155两处为例，拱顶沉降随开挖步变化数值模拟和现场监测数据的对比曲线图如图3和图4所示。
从图3、图4曲线的趋势可以看出，隧道左线两处拱顶沉降变化的现场监测数据与数值模拟计算结果基本一致，都是在掌子面开挖接近监测仪器时，拱顶沉降的变化量增大，随着掌子面开挖越来越远离监测仪器，拱顶沉降的曲线逐渐趋于平稳。
图3 隧道左线 ZK11K84+75拱顶沉降随开挖步变化曲线
图4 隧道左线 ZK11K84+155拱顶沉降随开挖步变化曲线
4.1 应变分析
4.1.1 地表沉降
在隧道中心线左右两侧分别设置10个地表沉降观测点，观测结果曲线图如图5所示。
从图5曲线变化趋势可以看出，在隧道开挖过程中，右线地表沉降变化幅度要远大于左线，且随着右线开挖撑子面越接近监测点，地表沉降变化幅度越大，逐渐形成“W”形状。当左洞开挖完成后，监测到左右洞正上方地表沉降分别为3.4mm、2.2mm；
当右洞开挖完成后，监测到左右洞正上方地表沉降分别为7.0mm、6.6mm。由上述地表沉降监测结果分析可知，右洞开挖引起左洞正上方的地表沉降变化量占左洞正上方的地表沉降总变化量的67%，由此可见，后行开挖的右洞对先行开挖左洞的地表沉降有较大影响。
图5 地表沉降变化曲线图
4.1.2 隧道沉降
待隧道开挖完成后，总体观察发现右线隧道略向右倾斜，其原因是先行左线隧道的支护结构对后行右线隧道的开挖起到一定的稳定作用。当左线开挖完成后，监测到左右线正上方地表沉降分别为2.71mm、1.93mm，左右线拱顶沉降分别为6.02mm、0.45mm；
当右线开挖完成后，监测到左右线正上方地表沉降分别为5.21mm、5.72mm，左右线拱顶沉降分别为8.16mm、9.32mm，沉降数值均在隧道施工的允许沉降范围以内。从隧道沉降监测结果来看，由右线开挖引起的左线正上方地表沉降变化量约占总变化量的66%，由右线开挖引起的左线拱顶沉降变化量约占总变化量的55%。由此可见，后行开挖的右线第先行开挖的左线正上方地表沉降和拱顶沉降影响都比较大，但是右线开挖对左线地表沉降的影响要远大于对左线拱顶的影响，出现这种现象的原因是在右线开挖时，地表未采取任何工程措施，而拱顶则进行了支护施工。
4.2 应力分析
在应力模拟分析中，选取隧道特征部位的主应力最值进行分析，具体分析结果见表2。
从表2相关数据中可以得到以下应力分析结论：1）随着左线隧道的开挖，围岩的应力场重分布，两线隧道拱腰、拱顶以及夹岩处的最大主应力和最小主应力均出现了大幅度增加。例如，左线拱腰主应力最大值由开挖前的0.68MPa增加到右线开挖完成后的1.20 MPa；
与此同时，受隧道偏压的影响，左线拱腰、拱顶的主应力均略大于右线。2）随着右线隧道的开挖，夹岩的竖向主应力在不断增大，增大到1.70MPa，略大于左线开挖完成后的主应力，由此可以看出，先行开挖左线隧道的支护结构对后行开挖的右线隧道也起到一定的稳定作用，最大主应力1.70 MPa小于岩石的最低抗拉强度2.0 MPa，因此不会造成破坏。3）在隧道开挖过程中，左线隧道拱腰的最大主应力和最小主应力均出现了小幅度的增加，由此可见，由于左右线隧道的开挖造成的应力重分布，左右线隧道的拱顶和拱腰处的主应力呈增加趋势，随之也会增加隧道衬砌结构的剪应力，进而增加左右线隧道间夹岩的主应力和剪应力，最终导致左右线隧道拱腰处应力比较集中。
表2 隧道特征部位的主应力最值 （单位：MPa）
4.3 受力分析
在受力模拟分析中，选取隧道衬砌结构特征部位的弯矩和轴力进行分析，见表3。
表3 隧道衬砌结构特征部位的弯矩和轴力
从表3的相关数据中可以得到以下结论：1）随着左线隧道的开挖，围岩的应力场重分布，左线隧道拱腰和拱顶处的弯矩和轴力均出现了大幅度增加，且因为右线隧道的拱腰更靠近左线隧道，所以在左线隧道开挖过程中对右线拱腰的影响要大于拱顶，但受力相对较小。2）随着右线隧道的开挖，左线隧道拱腰和拱顶的弯矩和轴力大幅度增加增加，如左线隧道拱腰的弯矩增幅达到了41%，左线隧道拱顶的弯矩增幅达到了22%；
左线隧道拱腰的轴力增幅为3.6%，左线隧道拱顶的轴力增幅为6.8%，通过计算可知，左线隧道轴力的变化量要小于弯矩的变化量。由此可见，右线隧道的开挖对左线隧道弯矩的影响大于轴力的影响。3）受隧道偏压和左线先行开挖的影响，左线隧道拱腰、拱顶的受力情况均大于右线，因此在开挖施工中要加强左线相关部位的监测，必要时采取相应的加固措施。
该文采用有限差分软件建立数值模型，对以某浅埋偏压小净距段隧道施工工程为背景的浅埋偏压小净距隧道在施工扰动下的力学行为进行了分析，并通过现场监测对模型数据的正确性进行了验证，得出以下结论：1）在隧道偏压的影响下，左线隧道的沉降、应力和受力等情况均比右线隧道的大，因此在隧道开挖施工中要加强对左线隧道的监测。2）在隧道开挖后，左右线隧道拱腰、拱顶以及夹岩的主应力均出现了大幅度增加，导致隧道衬砌结构和夹岩的剪应力也增大了，最终表现为左右线隧道拱腰处应力集中。3）与左线隧道轴力的变化量相比，右线隧道的开挖对左线隧道弯矩的影响大于轴力的影响。
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