基于數(shù)值模擬的偏壓隧道開挖順序的研究

竇斌強(qiáng)

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030006)

0 前 言

近些年來，我國(guó)的交通事業(yè)取得了令世人矚目的發(fā)展，隧道作為公路的重要組成部分，不僅隧道建設(shè)數(shù)量與日俱增，隧道擬建位置的地質(zhì)條件也日益復(fù)雜，黃土地區(qū)的偏壓進(jìn)洞的工況也越來越常見。目前，偏壓隧道在設(shè)計(jì)進(jìn)洞方式大多依然采用“從外到內(nèi)”進(jìn)行，即將偏向山體外側(cè)的隧道作為先行洞施工，待先行洞施工完成，再開挖向內(nèi)一側(cè)的隧道。在開挖內(nèi)側(cè)隧洞時(shí)，大多設(shè)計(jì)方案依然遵循“從外到內(nèi)”的原則，然而由于存在偏壓因素的影響，此類開挖工法仍然存在一定的問題，從而導(dǎo)致了隧道洞口段山體滑坡、開裂及坍塌等安全事故。因此，仍需要進(jìn)一步研究在偏壓工況下的隧道合理的開挖步序，從而對(duì)此類工況下的隧道設(shè)計(jì)有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

山西省呂梁市某煤業(yè)集團(tuán)運(yùn)煤專線項(xiàng)目東江隧道設(shè)計(jì)速度80 km/h，建筑限界為10.25 m×5.00 m(0.75+0.5+3.75+3.75+0.75+0.75 m)，兩洞相距7 m，隧道位于黃土丘陵區(qū)，地形溝壑縱橫，隧道進(jìn)口右側(cè)存在溝谷，左側(cè)隧洞頂部土層厚度為12 m，右側(cè)隧洞頂部土層厚度為4 m，上部土體易發(fā)生滑動(dòng)從而威脅隧道穩(wěn)定性。

圖1 隧道地形示意圖

針對(duì)該隧道特殊的偏壓地形，首先將隧道右側(cè)溝谷回填至溝底標(biāo)高與隧道頂部持平，即回填高度為3 m，然后開始隧道開挖施工。將隧洞1作為先行洞，施工方法為三臺(tái)階預(yù)留核心土；將隧洞2作為后行洞，待先行洞施工完成后，后行洞方可進(jìn)行開挖施工，后行洞采用單側(cè)導(dǎo)洞開挖方法，剩余部分用兩臺(tái)階工法進(jìn)行開挖。在后行洞的開挖順序上提出了兩種方案，方案一為按照“從外到內(nèi)”進(jìn)行施工，即將側(cè)導(dǎo)洞置于向外一側(cè)，方案二則將側(cè)導(dǎo)洞置于向內(nèi)一側(cè)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立模型與參數(shù)選取

據(jù)工程具體情況，將洞身圍巖簡(jiǎn)化為均質(zhì)新黃土，依據(jù)圣維南原理，結(jié)合地形地貌，模型邊界設(shè)置寬度為160 m，，下邊界為深度30 m，建立數(shù)值模型如圖2所示，模型共102 512個(gè)單元，107 272個(gè)節(jié)點(diǎn)。模擬過程中假定材料為均質(zhì)，連續(xù)且各向同性的；圍巖符合摩爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系；圍巖的初始應(yīng)力只考慮自重應(yīng)力。錨桿的設(shè)置依據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行布設(shè)，初期支護(hù)采用有限差分軟件內(nèi)置的shell結(jié)構(gòu)單元，錨桿采用cable錨桿單元進(jìn)行模擬。圖3為先行洞開挖示意圖，圖4為后行洞開挖示意圖。

圖2 數(shù)值模型示意圖

圖3 先行洞開挖示意圖

圖4 后行洞(方案2)開挖示意圖

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工程數(shù)據(jù)，考慮到隧道地區(qū)的材料特性，材料的具體參數(shù)選取見表1。

表1 材料參數(shù)選取表

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)豎向位移

圖5 方案1豎向位移云圖

圖6 方案2豎向位移云圖

兩方案先行洞豎向位移大小與位置基本一致，位移均主要集中于兩側(cè)拱肩與仰拱處，拱肩位移均為左側(cè)下沉右側(cè)上移，方案2中的位移數(shù)值略大于方案1。方案1中，先行洞拱肩位移主要集中于隧洞上方較小范圍內(nèi)，洞頂其他位置豎向位移較小；方案2中，先行洞左側(cè)拱肩位移較大，且沿山坡一定范圍內(nèi)均有微小位移。

兩方案后行洞由于施工順序不同，豎向位移分布差別較大，主要體現(xiàn)在：方案1中，由于優(yōu)先對(duì)隧道右側(cè)進(jìn)行開挖，較好的保護(hù)了中部圍巖，幾乎沒有發(fā)生豎向位移，對(duì)隧道剩余部分開挖后，豎向位移主要集中于隧洞頂部一定范圍，對(duì)山體擾動(dòng)較少；方案2中，由于側(cè)導(dǎo)洞位于隧道右側(cè)，在依次對(duì)側(cè)導(dǎo)洞與隧洞剩余部分開挖后，兩洞中部圍巖產(chǎn)生了一定豎向位移。且洞頂豎向位移分布于洞頂偏左側(cè)一定范圍內(nèi)，對(duì)于山體有可能產(chǎn)生擾動(dòng)。

(2)水平位移

圖7 方案1水平位移位移云圖

圖8 方案2水平位移位移云圖

兩方案先行洞水平位移分布基本一致，位移均主要集中于兩側(cè)拱肩與右側(cè)仰拱處，隧洞上部整體向右移動(dòng)。方案1中的水平位移無論其分布范圍及數(shù)值大小均小于方案2。

兩方案后行洞水平位移分布與數(shù)值差別較大，主要體現(xiàn)在：方案1中，由于優(yōu)先對(duì)隧道右側(cè)進(jìn)行開挖，較好的保護(hù)了中部圍巖，其發(fā)生了輕微的向右的水平位移，且對(duì)先行洞影響較小，對(duì)隧道剩余部分開挖后，后行洞水平位移較小，對(duì)山體擾動(dòng)較少；方案2中，由于側(cè)導(dǎo)洞位于隧道右側(cè)，在依次對(duì)側(cè)導(dǎo)洞與隧洞剩余部分開挖后，兩洞中部圍巖產(chǎn)生了明顯水平位移。且洞頂存在向右位移的趨勢(shì)，隧洞其他位置兩洞基本一致。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果分析

從兩方案豎向與水平位移云圖中可知，兩種方案隧道位移都受到山體地應(yīng)力分布的影響，在先行洞開挖完成后，其主要位移必然會(huì)地應(yīng)力保持一定的一致性，這與位移云圖分析一致。然而由于兩方案隧洞2的側(cè)導(dǎo)洞位置不同，隧洞2的位移分布存在較大差距。在方案1開挖過程中，由于側(cè)導(dǎo)洞位于隧道右側(cè)，隧道開挖整體上依照從外到內(nèi)的原則開挖，圍巖釋放的應(yīng)力主要由未開挖部分及側(cè)導(dǎo)洞襯砌承擔(dān)，所以后續(xù)開挖對(duì)已完成施工的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小，這也是方案一中先行洞位移基本不受隧洞2開挖影響以及隧道2的位移主要集中在側(cè)導(dǎo)洞左側(cè)部分的原因。

在方案2開挖過程中，先行洞開挖完成后，開始對(duì)位于隧洞2左側(cè)的側(cè)導(dǎo)洞進(jìn)行開挖，由位移云圖中可以得出，側(cè)導(dǎo)洞左側(cè)產(chǎn)生了較小的水平與豎向位移，說明圍巖壓力主要由側(cè)導(dǎo)洞襯砌承擔(dān)，而后開始采用兩臺(tái)階工法開挖隧洞2剩余部分，側(cè)導(dǎo)洞左側(cè)圍巖由于導(dǎo)洞開挖已實(shí)現(xiàn)局部穩(wěn)定(從云圖中可以看出此時(shí)隧洞2位移值小于方案1的情況)，此時(shí)圍巖壓力主要來自隧洞2頂部，從位移云圖中可以得出，此時(shí)隧洞2頂部及其右側(cè)部分都存在較大的位移，說明在隧洞2剩余部分開挖支護(hù)后的圍巖應(yīng)重分布的過程中，由于襯砌支護(hù)的存在，導(dǎo)致隧洞2頂部一定區(qū)域內(nèi)的圍巖產(chǎn)生較大的向右下的位移，最終導(dǎo)致方案2中隧洞1左側(cè)拱肩產(chǎn)生較大的位移。

3 結(jié) 論

(1)側(cè)導(dǎo)洞在隧洞2右側(cè)時(shí)，對(duì)先行洞干擾較少，較好的保護(hù)了隧洞頂部右側(cè)圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)保證了隧道中部圍巖的穩(wěn)定性。側(cè)導(dǎo)洞在隧洞2左側(cè)時(shí)，隧道后續(xù)施工對(duì)山體內(nèi)部擾動(dòng)較少，圍巖位移主要產(chǎn)生在隧洞2右側(cè)及隧洞1左側(cè)部分。

(2)總體而言，應(yīng)注意隧道先行洞拱肩、后行洞拱頂處的施工及支護(hù)，對(duì)山體內(nèi)側(cè)的支護(hù)參數(shù)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

(3)綜合上述分析，當(dāng)偏壓隧道頂部圍巖厚度較小時(shí)或山體存在較大的滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，推薦方案2作為施工方案，且應(yīng)對(duì)向外一側(cè)隧洞的襯砌適當(dāng)加強(qiáng)，并應(yīng)采取措施保證隧道中部圍巖的穩(wěn)定性；當(dāng)偏壓隧道頂部圍巖厚度較大時(shí)或山體穩(wěn)定性較高時(shí)，推薦方案1作為施工方案，且適當(dāng)加強(qiáng)隧道最后開挖部分的襯砌。

(4)在本項(xiàng)目中，由于隧洞2頂部土層厚度為12 m，其產(chǎn)生的圍巖壓力較大，故推薦方案1作為施工方案。