袁 毅

(中铁二十二局集团有限公司 北京 100043)

1 引言

山区公路隧道建设时常需要选在围岩埋深较浅、风化程度较高的地点修建洞口。复杂的地质情况使得隧道出入口处的结构变形规律不同于常见的隧道主体段，其浅埋偏压的特征会对隧道围岩和支护结构的稳定性产生很大的影响[1]，所以在隧道施工中会要求监测人员对隧道进行全方位的监测。但随着隧道掘进，监测人员的工作量显著增加，给施工组织带来了很大的难度。所以，亟需探索出浅埋偏压隧道施工过程中衬砌的收敛变形规律，为现场施工预警最大风险出现的位置，降低监测人员的工作量。

目前，在这方面国内外学者针对浅埋、偏压隧道围岩稳定性方面已做了大量的研究和探讨。卢光兆等[2]利用有限元软件对浅埋偏压隧道施工进行模拟，确定每次开挖控制在2 m内为最佳；李文韬等[3]通过现场实测与数值模拟确定了隧道上台阶开挖拱顶沉降值占总体沉降的80%以上；万建国等[4]采用数理统计方法对浅埋偏压隧道的衬砌病害进行分析；白皓等[5]等研究了偏压隧道变形破坏机理；王凯等[6]基于强度理论对浅埋隧道稳定性进行了分析；卢伟等[7]采用双强度折减法探究浅埋偏压隧道的安全性以及破坏模式。

综上，针对浅埋偏压隧道受力变形已有较多研究，但相关研究大多是针对隧道受力稳定性而言，对隧道拱顶收敛规律的研究不多[8－9]。本文拟通过数值模拟的方法，将清水2号隧道进口段工程项目作为背景，以研究浅埋偏压隧道施工衬砌结构稳定性[10]为出发点，利用Midas Gts Nx软件建立数值模型，分析隧道施工中衬砌收敛变形规律[11]，确定施工过程中最大风险点出现的位置，从而指导现场监测工作，为类似隧道施工监测提供参考。

2 工程概况

国道G109工程作为北京连接河北的一条新线高速，建成后将大大缓解京西北、京西南地区的交通压力，满足京冀一体化的交通需求，带动社会经济发展。这条高速公路建成，将改善太行山革命老区及沿线其他地区交通条件，实现京冀贫困地区高等级公路全覆盖，进一步带动经济社会发展，帮助精准脱贫。

清水2号隧道为G109高速公路重点控制性工程，所在地区地质构造复杂，主要为第四系坡洪基碎石及强风化侏罗系髫髻山组安山岩、角砾熔岩、火山碎屑岩等，地层节理裂隙发育，围岩强度较低，围岩等级为Ⅳ级，如图1所示。

根据隧道工程地质条件、围岩特征，遂采用三台阶法进行施工。

3 隧道施工收敛数值模拟

清水2号隧道入口段浅埋偏压特征明显，围岩受力较为复杂，因此，从安全角度出发，利用Midas Gts Nx对浅埋偏压隧道三台阶施工法进行有限元模拟[12]，并对施工过程中的衬砌收敛进行分析，为现场监测提供参考。

3.1 模型参数

对实际工程进行数值模拟计算，应使模拟采用的参数尽可能符合实际工程的尺寸、材料等真实数值，但为了计算方便，在不影响模拟分析结果的前提下可进行适度的简化。本次模拟作以下假定:

(1)将围岩视为各向同性的均匀连续介质。

(2)不考虑地下水的影响，只考虑自重引起的应力场。

基于以上假定，本模型围岩采用摩尔－库伦本构模型，衬砌和锚杆采用弹性本构模型。模型的顶部为自由面、四周添加水平约束、底部添加固定约束。隧道高10 m，宽15 m，施工进尺为2 m。本文建立的有限元模型如图2所示。

隧道施工Ⅳ级围岩、衬砌及锚杆的物理力学参数如表1。

3.2 模拟结果分析

本文重点关注上台阶开挖对浅埋偏压隧道拱顶及拱肩的沉降变形，忽略中下台阶开挖对掌子面前方隧道拱顶及拱肩的沉降变形影响。为进一步分析上台阶开挖对其沉降变化的影响规律，分别提取出不同掘进深度时隧道拱顶及拱肩的收敛变化值，绘制图形如图3～图4所示。

图4 拱肩沉降值

由图3可知，随着隧道掘进，当隧道掘进深度小于20 m时，已开挖隧道拱顶的沉降变形趋势较明显，且距离掌子面越远，沉降值越大；当隧道掘进深度大于20 m而小于40 m时，拱顶距离掌子面越远，沉降值越大，但拱顶距离掌子面大于20 m外的地方，沉降值趋于平缓；当隧道掘进深度大于40 m后，拱顶沉降最大值出现在掌子面后方15 m左右的位置，拱顶沉降值从洞口到掌子面呈现出先增大后减小的趋势。

由图4可知，隧道掘进过程中，拱肩的沉降趋势与拱顶大致相同，但右侧拱肩沉降值要大于左侧拱肩沉降值，却小于拱顶沉降值。由于是浅埋偏压隧道，施工时隧道受力不均匀，需对左右拱肩进一步分析，遂提取出部分隧道掘进深度下，以拱顶与拱肩的最大沉降值距离掌子面的距离为x轴绘制图形如图5所示。

图5 最大沉降值位置

由图5可知，当隧道掘进深度大于40 m之后，拱顶的最大沉降值出现在距离掌子面15 m左右的位置，而左右拱肩的最大沉降值出现在距离掌子面后方20 m的位置，可以得出左右拱肩的沉降最大值与拱顶的沉降最大值并不出现在同一截面，施工时需对这些位置进行重点监测。

由图6可以看出，对于施工引起的隧道拱腰水平收敛变形，右侧埋深高处的收敛值比左侧埋深低处的收敛值要大，且随着埋深的增加，其差值逐渐增加，直至到达拱腰收敛值最大处，拱腰收敛最大值出现在距离掌子面后方10 m的位置；相比于拱顶与拱肩处的沉降，拱腰的收敛值较小。

图6 拱腰收敛

4 现场监测与模拟结果分析

然而对于实际情况，现场围岩并不是简单的均质体，其具有非常复杂的性质，同时在施工过程中会出现诸多不确定的因素，所以数值模拟得到的数据与现场施工实际情况，具有一定的差异性。为了验证数值模拟的准确性，利用BJSD-6型隧道断面扫描仪对洞口拱顶变形进行持续性监测，将监测结果与数值模拟结果绘制成图7。

图7 拱顶沉降曲线

由图7可以看出，现场监测的数值比数值模拟的值要略大，这是由于模型参数来源于实验室力学实验，因实验环境可控，而现场环境的不可控性，导致围岩参数与试验参数具有一定差异，但二者变形规律一致，这说明模型模拟存在一定的合理性，可以在一定程度上为本隧道施工提供参考建议。

5 结论

本文结合清水2号隧道工程，利用有限元软件Midas Gts Nx模拟浅埋偏压隧道的施工过程，研究了隧道衬砌的沉降变化与隧道掘进深度的关系，得到以下结论:

(1)当隧道掘进深度小于20 m时，隧道的沉降变形趋势较明显，且距离掌子面越远，隧道沉降值越大；当隧道掘进深度大于20 m而小于40 m时，距离掌子面越远，隧道沉降值越大，但距离掌子面大于20 m外的隧道，其沉降值变化趋于平缓；当隧道掘进深度大于40 m后，隧道沉降值从洞口到掌子面呈现出先增大后减小的趋势，拱顶沉降最大值出现在掌子面后方15 m左右的位置，而拱肩沉降最大值位于隧道掌子面后方20 m处。

(2)隧道拱腰收敛变形最大值出现在掌子面后方10 m的位置。

(3)本文结合现场监测与数值模拟，预测了清水2号隧道现场施工时隧道变形最大值出现的位置，为现场监测工作提供指导，并为类似地质条件隧道施工监测提供参考。