李文富

(辽宁省水利厅，沈阳 110003)

1 工程概况

辽宁省大伙房水库输水工程是辽宁省“十一五”期间的重点工程，其主体建筑物为85.32km长的输水隧洞，隧洞底坡为1/2380，设计引水流量70m3/s，开挖直径8.0m，埋深大多在100～600m之间。隧洞施工采用以掘进机为主、钻爆法为辅的联合作业方法。输水隧洞出口段傍山临河，隧洞轴线与河流走向小角度相交。出口段位于陡峭雄厚山体的临河侧，右侧山体陡峻，左侧山体覆盖层薄，整个洞体均处在卸荷带内，节理裂隙呈网状发育，岩层稳定性、自承能力都比较差。坡面一侧被浓密的植被所覆盖，岩石风化强烈，且有部分的堆积体，开挖后洞壁岩体厚度不足4m。洞口拱顶埋深较浅，埋深厚度为3～9m，岩体软弱破碎，自稳性差，开挖易塌方。出口洞段属于典型的浅埋、偏压隧洞，如图1所示。

图1 浅埋偏压隧洞

隧洞出口段穿越的地层岩性为中生代白垩系小岭组凝灰质砂岩。岩石强度不高，一般为30～50MPa。不规则的网状隐性节理发育，遇水易软化且风化速度快。从洞口部位已揭露的岩石来看，岩层向下倾斜，岩体较破碎，节理发育，结构面有绿泥石化夹层。围岩类别为Ⅳ类。出口段洞外是全断面掘进机TBM组装场地，洞内400m是TBM步进和始发洞。因此，出口段是整个隧洞的咽喉部位，若处理不当，易发生塌方、冒顶、边仰坡塌滑风险事件。如何克服洞口段的浅埋、偏压，实现安全进洞，关系到工程的成败。

2 隧洞施工的有限元仿真分析

为保证隧洞安全，须从理论上分析隧洞在浅埋、偏压作用下围岩受力情况和变形规律。下面采用有限元法对输水工程洞口浅埋偏压段进行施工动态模拟，并以此计算结果作为参考，选取合理的开挖和支护参数。

2.1 基本假设

对有限元分析模型做如下假设［1］［2］:ⓐ由于隧洞轴线较长，因此将隧洞围岩受力与变形视为平面应变问题进行研究;ⓑ锚杆、钢拱架及隧洞衬砌材料为弹性介质，隧洞围岩为弹塑性介质;ⓒ假设围岩是均质各向同性的连续体，并呈理想弹～塑性性质。围岩的屈服遵从DP屈服准则。假定计算选取的围岩材料为均匀连续的DP材料，且各向同性，相应的等效应力和屈服应力均与DP材料相对应。有限元计算时选取的材料力学参数见表1。

表1 选 用 材料 的 力 学参 数

2.2 施工动态模拟及有限元模型

隧洞出口断面为直墙半圆拱(城门洞)形，宽9m，高9m。为确保安全进洞并成洞稳定，采取了台阶式分部开挖方式及短进尺、弱爆破、强支护的技术措施。

整个隧洞断面分部开挖分四个开挖步进行，见图2。第1步:开挖上台阶的右侧(面对掌子面，下同)岩体，并对其进行锚网喷加钢拱架支护;第2步:开挖上台阶的左侧岩体，并对其进行锚网喷加钢拱架支护，支护与右侧连接;第3步:开挖下台阶右侧岩体并支护;第4步:开挖下台阶左侧岩体并支护，四段钢拱架连接成一体。每循环进尺1.0m。

图2 开挖步顺序

按照上述开挖步建立有限元模型，共计4个开挖步。计算区域选取10m长洞室范围内的岩体作为研究对象，上边界取至地表，左右侧边界为5倍洞径，下侧边界为1倍洞径。已知边界条件均为位移约束，其中上部为自由边界，左右侧为水平位移约束边界，下侧为竖直位移约束边界。坐标轴方向:Z轴与洞轴线方向一致，Y轴为竖向坐标轴，按右手法则定义。三维有限元模型见图3，网格离散图见图4，共划分为41449个单元，9844个节点。

图3 三维有限元模型

图4 有限元网格离散图

2.3 计算结果及分析

表2列出了各开挖步有限元计算的隧洞顶拱点最大下沉位移值及最大主应力值。从表1计算结果可以看出，第1开挖步和第2开挖步分别完成后，对隧洞变形的影响较大，即随着隧洞上部的开挖出现净空后，顶拱部位下沉较明显，且增幅较大。第3开挖步和第4开挖步施工时，虽然上部已经形成净空，但由于先期进行了锚网喷加拱架支护，所以开挖时顶拱下沉虽有所增大，但增幅却很小，表明隧洞开挖后的及时初期支护对隧洞变形起到很大的保护作用。另外，由于埋深较浅，顶拱处最大主应力值较小，只有0.154MPa，随着开挖步的进行，最大主应力值也随之增大。由于受偏压影响，在第4开挖步时，最大主应力出现了大幅度增长，经过计算，发现在右侧底脚处出现了较明显的压应

力集中现象，因此，需对底脚处加强支护，必要时及时封闭仰拱。

表2 隧洞顶拱竖向位移及最大主应力

3 施工对策

对于浅埋偏压洞段，要确保施工安全与施工质量，洞身开挖支护方法和施工工序的选择就显得尤为关键，施工时需详细研究，制定可行方案。根据有限元仿真分析结果，结合现场实际情况，制定该工程出口段偏压隧洞相应的施工对策。

a.采用“先护坡、后进洞”的程序，确保洞口边坡稳定、安全。洞外山体加固处理的目的，一是防止洞外山体及洞脸岩体失稳，二是为隧洞开挖创造条件，防止坍塌冒顶，确保顺利成洞。在洞脸开挖时，在开挖线外设截水沟，以排除山坡雨水并防止山上坠物伤人。

山体加固采用“锚、网、喷”结合封闭处理，具体措施如下:ⓐ采用直径42mm、长6000～15000mm、间距1200mm、与地面夹角在30°～60°之间不等的小导管注浆加固;ⓑ采用直径25mm、长3000mm、间距1000mm的锚杆进行锚固;ⓒ铺设φ6.5@200mm×200mm的钢筋网;ⓓ喷100mm厚C20混凝土。

b.采用提前进洞方案，尽量减小对原山体的破坏，确保进洞安全［3］。开挖前，在洞门外沿洞轴方向架立3榀Ⅰ160a钢拱架，并沿洞口开挖轮廓线做超前支护，与钢拱架焊接成整体，探出4m，与洞体连接。提前进洞方案，有效地拦截了仰坡危石的滑落，改善了第一茬炮后围岩的应力条件，达到了安全进洞的目的。

c.采用短进尺、弱爆破的台阶法、分部开挖方式，尽量保护围岩不受大的扰动，并及时进行监控量测。在隧洞钻爆施工前，首先要进行爆破设计。根据采用的施工方法，对钻孔深度(循环进尺)、掏槽方式、炮孔布置、光爆参数、装药量、起爆网络等进行初步设计，并在施工时根据爆破试验进行适当调整。

d.加强初期支护，及时进行二次衬砌。为防止变形失稳，初期支护除采用锚、喷、网之外，还需采用钢拱架以承受偏压，必要时及时封闭仰拱。初期支护措施包括:ⓐ先将开挖洞壁喷一层C25混凝土，厚度30～50mm;ⓑ在开挖轮廓线拱部120°范围内纵向布设φ32、L=3.5m超前小导管，环向间距0.5m;ⓒ沿洞轴线1m间距安装Ⅰ160a钢拱架，打锁脚锚杆锁定在洞壁上，钢架分段处通过钢板和M20螺栓连接;ⓓ布设φ22、L=3m系统锚杆，间距1m;ⓔ在拱顶挂 φ8@150mm×150mm钢筋网;ⓕ再次喷射混凝土，使喷层厚度达到150mm。

4 结语

隧洞洞口施工是隧洞工程的难点，尤其在地质条件复杂的地段，成洞尤其困难。而实际工程中往往由于隧洞选线的需要，洞口段难免会存在浅埋、偏压等复杂问题。处于浅埋、偏压的洞口段，既要保持仰坡、边坡的稳定，更要承受浅埋、偏压荷载的作用。施工中要经过分析，合理选择开挖和支护方案，确保隧洞施工安全和长期运行安全。通过研究，得出以下结论:

a.通过有限元仿真分析及施工后现场监测数据结果，偏压隧洞施工过程中围岩变形受开挖步的影响较大。台阶法上半部开挖时，顶拱下沉量较大;台阶法下半部开挖时，底脚处出现了应力集中现象。因此，采取分部开挖、及时支护、加强支护等措施是偏压隧洞施工的关键。

b.根据该工程傍山临河、浅埋、偏压的地形地质特点，结合有限元法分析结果，采取了洞外护坡、加固山体，洞内短进尺、弱爆破、强支护的洞内外结合的施工技术，顺利通过了浅埋、偏压洞段，为TBM组装和步进创造了条件。

c.采用有限元法对偏压隧洞分部施工全过程进行仿真模拟［3］，可以预先掌握隧洞开挖过程中围岩的变位规律和应力分布状况，以便于为施工方法和施工参数的选择提供参考，做到安全可控、心中有数。

d.浅埋、偏压隧洞施工，首先要充分了解工程地质，根据围岩结构力学变化规律和自承能力的特点，采取超前加固措施，提高岩体本身结构承载力进而控制其变形，对初期支护进行加强，遵循“早进洞，晚出洞”的隧洞设计原则［4］，尽可能减少对山体的破坏和扰动;其次，对开挖和支护方案的选择尤为重要，采取“宁强勿弱”的原则，一定要做到“短进尺、强支护、早封闭”，并且加强监控量测，及时分析围岩及初期支护的变形情况，合理指导施工。若初期支护变形不稳定，需要及时进行二次衬砌施工，确保洞室安全。

1 蔡晓鸿，蔡勇平．水工压力隧洞结构应力计算［M］.北京:中国水利水电出版社，2004．

2 金丰年，钱七虎．隧道开挖的三维有限元计算［J］.岩石力学与工程学报，1996(9):193-200．

3 王祥秋，杨林德，高文华．高速公路偏压隧道施工动态监测与有限元仿真模拟［J］.岩石力学与工程学报，2005(1):284-289．

4 SL 279—2002水工隧洞设计规范［S］．