隧道洞口浅埋偏压段位移及力学行为分析

2011-05-14严涛，魏星，吴坤

铁道标准设计 2011年4期

严涛，魏星，吴坤

(1.西南交通大学峨眉校区土木系，四川峨眉 614202;2.中国市政工程西南设计研究总院，成都 610031;3.中铁西南科学研究院，成都 610031)

1 概述

随着山区高速公路的大量修建，隧道洞口段经常出现浅埋偏压软弱围岩，而隧道埋深浅且偏压严重将使围岩稳定性变的很差，结构受力复杂，施工中稍有不慎将出现塌方的严重事故，国内外众多学者已经就浅埋偏压隧道进行了一系列的研究。佘健等［1］运用大型有限元软件ANSYS对软弱围岩段隧道施工过程进行了三维数值模拟计算，得出了围岩位移的变化规律;杨小礼等［2］采用双侧壁导坑法，对浅埋小净距双洞六车道偏压公路隧道在不同开挖顺序下进行施工力学数值模拟，分析不同开挖顺序时的围岩位移、应力、地表位移以及塑性区的变化，并进行了比较;张小军［3］结合具体的工程实例，针对工程地质情况，介绍了软弱围岩浅埋偏压隧道的开挖方式、支护手段、防水技术等一套行之有效的措施，对以后的工程可提供有益的探索。王明年等［4～5］通过模型试验对软弱围岩下3孔小净距浅埋暗挖隧道地表沉降控制技术和施工力学进行研究，对不同的围岩预加固强度和施工进尺进行了评价;周佳媚等［6］通过对旦架哨隧道偏压滑坡地段现场量测数据的分析，得到了工字钢和锚杆等支护构件的受力特征，并通过有限元计算验证了现场实测资料的正确性，为合理设计隧道提供了依据。邓少军等［7］选取了浅埋偏压隧道仲溪隧道的一典型断面作为计算模型，运用FLAC2D，对其在两种不同施工顺序下的施工力学行为进行了模拟计算，通过对比两种施工顺序下围岩的应力、位移以及隧道支护结构中的内力，提出了开挖方案并获得应用，可供浅埋偏压连拱隧道施工工序选择参考。

2 工况

以老鸭岭隧道左线进口段为研究对象，原设计此段为Ⅴ级围岩浅埋段，设计见图1，而实际施工过程中发现此段沉降较快，支护不能满足要求，有洞顶塌方的危险。后将此段围岩变更为Ⅴ级围岩浅埋偏压段(图2)，增强了支护能力。但此隧道比较特殊的是左右线隧道洞门相差一百多米，左线隧道先进洞，因此左线隧道右侧是右线路基的边坡，此边坡距离左线隧道拱腰最近只有5 m，整个地势偏压极为严重，除加强结构支护强度外，还考虑在边坡上进行小导管注浆加固(图3)，确保隧道安全掘进。本文将对变更支护加强后的围岩及支护结构进行建模计算，并与实测值进行对比分析。

图1 Ⅴ级围岩浅埋段衬砌结构设计(单位:cm)

3 浅埋偏压山体隧道计算模型

为了研究隧道开挖所造成的位移和应力状态，以下述假定为前提［8］:

(1)围岩为均质的各向同性的连续介质;

(2)只考虑自重造成的初始应力场;

(3)隧道形状以规则的圆形为主。

图2 Ⅴ级围岩浅埋偏压段衬砌结构设计(单位:cm)

图3 隧道进口左线边坡加固

二次衬砌作为长期安全性储备［9～11］，计算时不予考虑。初期支护由中空注浆锚杆、钢筋网片、钢拱架、早强混凝土组成，建模时初期支护统一考虑为衬砌，用4节点壳单元模拟，超前导管注浆影响的范围在拱顶以上3 m范围内，此部分区域形成“加固改良区”;同时，边坡进行小导管注浆加固区域，此部分区域也形成“加固改良区”，建模时按提高这两部分材料属性处理。开挖围岩以及隧道周边围岩用8节点实体单元模拟，围岩采用弹塑性材料计算，屈服准则采用Drucker-Prager准则［12］，Ⅴ级围岩、加固区及衬砌支护物理力学参数见表1。

表1 Ⅴ级围岩及衬砌支护物理力学参数

取X方向为横向，Y方向为竖向，Z方向为纵向隧道开挖前进方向。以隧道圆心为原点，模型X方向左右各取42 m，Y方向向上取到地面，向下取45 m，Z方向取18 m，由于隧道每次开挖进尺0.75 m，因此将隧道沿Z方向分成24个开挖段，以Z=9 m处即第12和第13交界面作为目标断面。对模型左右两侧边界施加X方向的约束，下边界施加Y方向的约束，上边界为自由边界，纵向约束Z方向位移。三维模型如图4所示。

图4 隧道进口左线浅埋偏压模型

采用单元的“生”和“死”模拟隧道的开挖支护过程，隧道的开挖过程是通过杀死开挖部分的单元实现的，即把死单元相关的刚度和荷载变为一极小值［13］，每步开挖长度计为0.75 m;隧道的衬砌支护通过激活单元来实现，每步支护长度同样计为0.75 m，共计49步。采用上下台阶法开挖，即上台阶开挖支护完毕再进行下台阶开挖支护。

4 数值计算结果分析

4.1 围岩位移分析

(1)地表位移沉降规律

选取Z=9 m时偏压地表上有代表性的点位作为分析对象。开挖圆心正上方地表处X=0，向右为正，向左为负。各点位地表沉降Y方向位移随开挖变化的规律如图5所示(包含自重应力作用下的Y方向位移)，由图5可知，X=－6 m处即偏压山体较高一侧累计沉降最大，达到1.143 cm，这主要是地形偏压所致，且埋深较浅，开挖所影响的范围已经波及到地表，其上的竖向压力应该等于上覆土体的全自重，显然山体较高一侧竖向压力最大，Y方向沉降也就最大。

图5 地表各点Y方向位移

(2)拱圈Y方向位移分析

同样选取Z=9 m处围岩拱顶、仰拱、右侧拱腰、左侧拱腰各点Y方向位移作为研究对象，如图6所示。由图6可知，仰拱及右侧拱腰在开挖时均产生向上的位移，而拱顶和左侧拱腰产生向下的位移。出现以上规律还是由于地形浅埋偏压所致，开挖时由于应力重分布，为了达到新的应力平衡，地层各点将向洞内收敛，而山体较高一侧(左侧拱腰)竖向应力更大，将产生较大的向下的位移，在山体较低一侧(右侧拱腰)将产生向上的位移。为了阻止仰拱向上的位移，施工时应及时封闭仰拱，形成整体受力。

4.2 衬砌结构应力分析

图7为开挖支护完毕后衬砌支护各主应力图，表2为各主应力的最大及最小值。计算结果表明，偏压侧即拱腰处承受较大的应力，这是由于偏压导致的不对称受力引起的，但在加强结构支护及边坡加固后，最大受拉受压应力均在允许范围之内，证明此时的支护满足结构受力要求是偏于安全的。

图6 拱圈各点Y方向位移

图7 衬砌支护应力云图

表2 开挖完毕目标断面围岩应力 MPa

5 现场实测结果分析

为了验证计算结果的可靠性，需通过实际施工工程中的现场实测值与计算值进行对比。施工现场进行了施工监控量测，未进行衬砌的应力量测。仍然选取Z=9 m作为研究对象，对比分析了拱顶与拱腰的位移变化规律如图8所示。由图8可知，计算及实测总体变化规律一致，由于施工量测是在围岩开挖后才开始量测的，因此量测结果不会包括自重应力作用以及前9 m开挖作用下的沉降结果，因此实测结果远小于计算结果，但是如果计算结果减去自重及前9 m开挖施工所造成的沉降，两者数值近似相等，证明计算结果是可信的。另外，由实测值可以看出，开挖时对断面的沉降影响最大，因此，现场施工时在开挖后要尽快进行断面测量，及时反馈，修正设计，进行信息化施工。