淺埋、偏壓條件下某超大跨隧道受力分析研究

錢文斐

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

淺埋、偏壓條件下超大跨隧道與通常情況下的隧道在設(shè)計(jì)、施工等方面存在一定的差異，筆者在某項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中遇到了這樣的問(wèn)題。為此，本文擬以某隧道為例，通過(guò)模擬其施工工程，提出了在設(shè)計(jì)、施工方面的要點(diǎn)，在為本工程提供相關(guān)技術(shù)支持的同時(shí)，希望為類似工程提供借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

某隧道為西南地區(qū)某城市的控制性工程之一，隧址區(qū)環(huán)境地形總體呈北高南低，隧道從地勢(shì)較高的山嶺穿過(guò)。山體上植被總體發(fā)育良好。隧道主要通過(guò)的地層有第四系（Q）、安順組二段（Ta2）、安順組三段（Ta3）、大冶組（Td）等。不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖溶。區(qū)域內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散含水層孔隙水。

1.2 隧道淺埋、偏壓情況

隧道左線長(zhǎng)500 m,右線長(zhǎng)380 m，由于左、右線的進(jìn)、出口不在同一個(gè)斷面上，而存在錯(cuò)幅，因此右線路基段的開挖將導(dǎo)致左線隧道一側(cè)出現(xiàn)臨空面，從而形成了偏壓（見(jiàn)圖1、圖2）。隧道中心線處隧道洞頂面覆土厚度在20～50 m范圍，地面橫坡約為1∶1.7。

1.3 隧道內(nèi)輪廓

圖1 隧道平面圖

圖2 隧道淺埋偏壓段橫斷面

本項(xiàng)目中隧道開挖內(nèi)輪廓（見(jiàn)圖3）跨度達(dá)19.378 m，考慮到初期支護(hù)、二次襯砌、預(yù)留變形量的尺寸，實(shí)際開挖尺寸將接近22 m，在我國(guó)新奧法施工隧道工程界，處于領(lǐng)先地位。

圖3 隧道內(nèi)輪廓圖（單位：mm）

1.4 偏壓段概念性設(shè)計(jì)

深埋側(cè)隧道由于右側(cè)路基段開挖后形成了臨空面，因此處于偏壓狀態(tài)，在巖土作用下存在向右擠出的趨勢(shì)，為此在路基靠近隧道側(cè)設(shè)置了抗滑樁，以平衡深埋側(cè)隧道的所受的不平衡力。

2 模擬建模

新奧法隧道施工過(guò)程中，初期支護(hù)主要起充分利用圍巖自穩(wěn)能力及承受圍巖壓力的作用，施工中初期支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在不斷變化，因此其安全性直接影響隧道施工過(guò)程的安全性，鑒于本論文研究的目的，因此本次模擬僅模擬初期支護(hù)中的噴射混凝土（鋼支撐作用已綜合考慮）作用，鋼筋網(wǎng)、錨桿則作為安全儲(chǔ)備。圍巖本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)倫模型（見(jiàn)表1），初期支護(hù)采用彈性模型（見(jiàn)表2）。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

表2 初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)表

對(duì)于大斷面隧道的施工工法，比較成熟的主要有CD、CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)坑等，鑒于本隧道超大斷面，且存在淺埋、偏壓等不利因素，故采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。施工工序見(jiàn)圖4。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖（先淺側(cè)后深側(cè)）

先淺側(cè)后深側(cè)施工工序?yàn)椋海?）淺側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖；（2）淺側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)(包含臨時(shí)支護(hù))；（3）淺側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖；（4）淺側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)(包含臨時(shí)支護(hù))；（5）深側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖；（6）深側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)(包含臨時(shí)支護(hù))；（7）深側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖；（8）深側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)(包含臨時(shí)支護(hù))；（9）中導(dǎo)坑上臺(tái)階開挖；（10）中導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)；（11）中導(dǎo)坑下臺(tái)階開挖；（12）中導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)；（13）臨時(shí)支護(hù)拆除。

對(duì)于先深側(cè)后淺側(cè)施工工序?yàn)樯盥駛?cè)導(dǎo)洞→淺埋側(cè)導(dǎo)洞→中導(dǎo)洞，即只需將淺側(cè)導(dǎo)坑、深側(cè)導(dǎo)坑的工序進(jìn)行互換，故不再贅述。

3 分析研究結(jié)果[1-5]

3.1 合理工序的選擇

本文對(duì)先淺后深、先深后淺兩種不同工序進(jìn)行了模擬計(jì)算，鑒于初期支護(hù)的受力性能是能否保證施工過(guò)程安全的主要因素，因此從主洞初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)受力性能方面進(jìn)行比較，以確定相對(duì)合理的施工順序。初期支護(hù)各點(diǎn)應(yīng)力（拉正壓負(fù)）橫斷面布置見(jiàn)圖5，不同施工順序各點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比情況見(jiàn)圖6。

圖5 初期支護(hù)各點(diǎn)橫斷面布置圖

圖6 不同施工順序各點(diǎn)最不利應(yīng)力對(duì)比情況表

考慮到初期支護(hù)處于抗壓受力狀態(tài)優(yōu)于抗拉受力狀態(tài)，由圖6可以看出以下規(guī)律：（1）先深后淺施工工序工況下，3點(diǎn)處初期支護(hù)應(yīng)力值較之不利（拉應(yīng)力值達(dá)到8.7 MPa,較之增大約73%），而在先淺后深施工工序工況下，11點(diǎn)處初期支護(hù)較之不利（拉應(yīng)力值達(dá)到2.5 MPa,較之增大約173%）；（2）1、10 點(diǎn)處初期支護(hù)應(yīng)力存在一定差距，但考慮初期支護(hù)的抗壓能力強(qiáng)，因此不會(huì)影響其結(jié)構(gòu)安全性；（3）其余各點(diǎn)處則相差不大。

綜上，從有利于初期支護(hù)受力狀態(tài)的因素出發(fā)，采用先淺后深工序相對(duì)有利，故后續(xù)分析結(jié)果均是在先淺后深的工序下，不再贅述。

3.2 永久初期支護(hù)內(nèi)力分析

由圖6可以看出：

（1）3、5、11、16 點(diǎn)初期支護(hù)處于較大的受拉應(yīng)力狀態(tài)，因此施工中需加強(qiáng)對(duì)以上各點(diǎn)的觀測(cè)，避免出現(xiàn)拉裂性破壞。

（2）與無(wú)偏壓情況的隧道相比，拱頂中心1點(diǎn)、仰拱中心9點(diǎn)的初期支護(hù)最不利應(yīng)力值較小，而深埋側(cè)拱腰3點(diǎn)、淺埋側(cè)仰拱16點(diǎn)的初期支護(hù)最不利應(yīng)力值較大，因此成為結(jié)構(gòu)受力的薄弱點(diǎn)。經(jīng)分析，這是因?yàn)橛捎谄珘旱拇嬖?，圍巖的最大主應(yīng)力方向出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)的原因。

3.3 臨時(shí)支護(hù)內(nèi)力分析

臨時(shí)支護(hù)在施工過(guò)程中同樣決定著施工過(guò)程的安全，因此需對(duì)其在施工過(guò)程中的受力性狀進(jìn)行分析。

由圖7可以看出：淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)的11點(diǎn)始終處于較不利的受拉狀態(tài)；16點(diǎn)在施工步2～9（淺埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)、深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)、中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖）處于較有利的受壓狀態(tài)，在施工步10～12（中導(dǎo)洞上臺(tái)階支護(hù)、中導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖支護(hù)）處于較不利的受拉狀態(tài)；18點(diǎn)在施工步2～3（淺埋側(cè)上臺(tái)階開挖支護(hù)、下臺(tái)階開挖）處于較有利的受壓狀態(tài)，在施工步4～12（淺埋側(cè)下臺(tái)階支護(hù)、深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)、中導(dǎo)洞開挖支護(hù)）處于較不利的受拉狀態(tài)。

圖7 淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)最不利應(yīng)力變化圖

由圖8可以看出：深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)的8點(diǎn)始終處于較不利受拉狀態(tài)；3、17點(diǎn)在施工步6～9（深埋側(cè)導(dǎo)洞開挖、支護(hù)階段及中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖）處于較有利受壓狀態(tài)，在施工步10～12（中導(dǎo)洞上臺(tái)階支護(hù)、下臺(tái)階開挖支護(hù)）處于較不利受拉狀態(tài)。

通過(guò)圖7、圖8可以得出以下結(jié)論：

（1）中導(dǎo)洞上臺(tái)階支護(hù)、下臺(tái)階開挖支護(hù)階段，深、淺埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)均處于較不利的受拉狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)此段施工過(guò)程對(duì)臨時(shí)支護(hù)的監(jiān)測(cè)工作。

圖8 深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)最不利應(yīng)力變化圖

（2）深埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)下端與主洞支護(hù)交接處（8點(diǎn)）、淺埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)上端與主洞支護(hù)交接處（11點(diǎn)）始終處于較不利的受拉狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)上述兩交接處的施工質(zhì)量，避免出現(xiàn)受拉破壞。

（3）深埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)的最不利應(yīng)力值大于淺埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)（較之大約80%），因此設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)深埋側(cè)臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，影響施工安全。

3.4 主洞拱頂位移

主洞拱頂位移是一直隧道施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)的“重中之重”，因此其重要性不言而喻。

由圖9可以看出，在施工步9～10(即中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖支護(hù))階段，形成了明顯的“跳臺(tái)”臨界點(diǎn)（水平位移值增大了114%，豎向位移值增大了1445%）：（1）在施工步 1～9（即兩側(cè)導(dǎo)洞開挖、支護(hù)）階段，位移值相對(duì)較?。欢谑┕げ?0～13（即中導(dǎo)洞開挖、支護(hù)、拆除臨時(shí)支護(hù)階段）位置值相對(duì)較大；但兩段變化值均不大。（2）在施工步1～9階段，水平位移值大于豎向位移值；在施工步10～13階段，豎向位移值大于水平位移值。

圖9 主洞拱頂豎向、水平向位移值

由此得出以下結(jié)論：

（1）中導(dǎo)洞上臺(tái)開挖支護(hù)階段是施工過(guò)程中的“核心”階段，應(yīng)特別加強(qiáng)對(duì)拱頂位移值的監(jiān)測(cè)。

（2）通常對(duì)于拱頂位移值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅為豎向位移，但對(duì)于大跨度、淺埋、偏壓情況必須增加其水平位移的監(jiān)測(cè)。

3.5 導(dǎo)洞拱腳水平位移收斂

考慮到本隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工中需對(duì)導(dǎo)洞的拱腳水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

由圖10可以看出，對(duì)于深埋側(cè)導(dǎo)洞，施工步1～8時(shí)，拱腳處水平位移收斂值變化不大，施工步9～12時(shí)，拱腳處水平位移收斂值出現(xiàn)階梯式增長(zhǎng)（施工步10相對(duì)于施工步9增長(zhǎng)了95%，施工步12相對(duì)于施工步11增長(zhǎng)了65%）；對(duì)于淺埋側(cè)導(dǎo)洞，施工步4、12時(shí)，拱腳處水平位移收斂值增長(zhǎng)幅度大，相對(duì)于前一個(gè)施工步分布增大了230%、300%。

圖10 深、淺埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移收斂值

由此得出以下結(jié)論：

（1）中導(dǎo)洞的開挖、支護(hù)施工過(guò)程對(duì)深埋側(cè)導(dǎo)洞的影響很大，需要加強(qiáng)此施工期間的監(jiān)控量測(cè)工作。

（2）深埋側(cè)導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞的開挖支護(hù)施工過(guò)程對(duì)淺埋側(cè)導(dǎo)洞的影響較大，需要加強(qiáng)此施工期間的監(jiān)控量測(cè)工作。

（3）中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖支護(hù)做為臨界點(diǎn)，在臨界點(diǎn)之前，淺埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移值相對(duì)較大，而臨界點(diǎn)之后，深埋側(cè)導(dǎo)洞拱腳處水平位移值相對(duì)較大。但二者最終水平位移收斂值基本一致。

3.6 圍巖最大主應(yīng)力

圖11為圍巖最在主應(yīng)力云紋圖。

圖11 圍巖最大主應(yīng)力云紋圖

由圖11可以看出：

（1）相對(duì)于無(wú)偏壓隧道而言，圍巖最大主應(yīng)力方向由豎直方向向深埋側(cè)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度約45°，因此對(duì)于超前支護(hù)設(shè)置范圍而言，以往按照隧道中心線兩側(cè)一定范圍內(nèi)對(duì)稱設(shè)置將不盡合理，而應(yīng)隨最大主應(yīng)力方向一起向深埋側(cè)偏轉(zhuǎn)45°。

（2）由于圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)，整個(gè)隧道的受力體系模式同樣發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

（3）由于圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)，隧道淺埋側(cè)隅角位置圍巖最大主應(yīng)力值減小，而相應(yīng)深埋側(cè)圍巖最大主應(yīng)力值增大，因此設(shè)計(jì)中對(duì)圍巖的加固范圍應(yīng)重點(diǎn)考慮在隧道深埋側(cè)隅角，而無(wú)需對(duì)淺埋側(cè)進(jìn)行不必要的加固。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上的分析，可以得出以下有意義的結(jié)論：

（1）淺埋、偏壓條件下某超大跨隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用先開挖淺埋側(cè)導(dǎo)坑的施工工序。

（2）中導(dǎo)洞的開挖支護(hù)階段是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程中的核心階段，此階段應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)的內(nèi)力、拱頂位移、臨時(shí)支護(hù)水平位移收斂的監(jiān)控工作。

（3）對(duì)于偏壓狀態(tài)下的隧道，對(duì)于隧道拱頂?shù)奈灰票O(jiān)測(cè)，除了進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)外，尚應(yīng)增加水平向位移監(jiān)測(cè)工作。

（4）深埋側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)相對(duì)于淺埋側(cè)而言，其受力性能更為不利，因此應(yīng)加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度性能；從監(jiān)控量測(cè)的角度出發(fā)，對(duì)其監(jiān)測(cè)的頻率要大于淺埋側(cè)。

（5）相對(duì)于無(wú)偏壓情況，隧道處于偏壓狀態(tài)時(shí)將會(huì)導(dǎo)致圍巖最大主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)，從而整個(gè)隧道的受力體系模式同樣發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，因此應(yīng)按照偏轉(zhuǎn)后的受力模式有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，切勿盲目照搬既有的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本隧道目前正在施工中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)反映，施工過(guò)程安全可靠。筆者將繼續(xù)關(guān)注本工程的進(jìn)展，希望從現(xiàn)場(chǎng)施工的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中得出更為有意義的結(jié)論、經(jīng)驗(yàn)，與各位同行分享。

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[2]JTG/T D70-2010,公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

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