偏壓隧道開挖工序優(yōu)化研究

摘要：本文以中鐵十七局集團城市建設(shè)有限公司承建的上坪園隧道開挖工程為研究背景，利用有限元軟件 ABAQUS 模擬環(huán)形開挖留核心土法的施工過 程，分析隧道開挖對其自身結(jié)構(gòu)及周邊圍巖的影響。結(jié)果表明：隧道開挖會引起周邊圍巖及隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變形;合理的隧道開挖工序可有效降低施 工擾動對周邊環(huán)境的影響。研究成果可為今后類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道;有限元;環(huán)形開挖留核心土法;隧道開挖工序

引言

線路在設(shè)計可能會使山體走向與隧道軸線斜交，使隧道兩面承受的載 荷不一致，造成山體對隧道形成偏壓。隧道在開挖時，圍巖與支護結(jié)構(gòu)受 力不均勻，容易引起大變形，影響隧道安全[1-2]。故開挖工序不合理可能對 隧道及圍巖變形產(chǎn)生嚴(yán)重影響 [3]。本文依托上坪園隧道工程，采用 ABAQUS 軟件模擬了不同開挖工序下圍巖的受力與變形，分析了環(huán)形開挖留核心土 法不同開挖工序?qū)λ淼赖挠绊懗潭?，對今后類似工程具有一定借鑒價值。

1 工程概況

上坪園隧道位于 G351 湖北省恩施州咸豐縣小村鄉(xiāng)荔木村附近，該隧道 為單洞開挖隧道，開挖跨度 12m，開挖面積約 100m2。洞身主要穿越志留系 龍馬溪組砂質(zhì)頁巖，地層分布較穩(wěn)定，圍巖級別為Ⅴ級。隧道下穿小李線 （5m 寬水泥路），該既有路施工期為周邊村莊居民出行通道。隧道采用環(huán) 形開挖留核心土法施工，采用超前小導(dǎo)管進行超前支護。

2 有限元模型的建立

2.1 模型概況

采用 ABAQUS 軟件建立上坪園隧道的二維平面應(yīng)變模型，計算模型遵 照彈塑性理論影響范圍，基于圣維南原理[4] ，取模型范圍為橫向 150m，豎 向 60m。計算模型左、右邊界施加水平約束，底部邊界施加法向約束，邊 坡及地表為自由邊界，不受任何約束。整體有限元模型如圖 1 所示。

2.2 模型參數(shù)

模型中所有部件均采用 CPE4 單元，其中圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)，其 它結(jié)構(gòu)體均采用彈性本構(gòu)。計算參數(shù)如表 1 所示。

2.3 分析工況

為了分析環(huán)形開挖留核心土法不同開挖工序?qū)λ淼兰皣鷰r的影響，如 圖 1 所示，設(shè)置工況一的開挖工序為 1-2-3-4-5-6，工況二的開挖工序為 3-2-1-4-6-5。本次模擬共 8 個施工步，主要涉及巖體開挖、隧道支護等過 程。施工步 1 為初始應(yīng)力場分析;施工步 2 至施工步 4 為開挖上側(cè)環(huán)形導(dǎo) 坑，并施作上側(cè)初期支護;施工步 5 是開挖中部核心土;施工步 6 至施工 步 7 是開挖下臺階，并施作下側(cè)初期支護;施工步 8 為施作二次襯砌。

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

在隧道圍巖中取 8 個監(jiān)測點（圖 1），分析隧道開挖圍巖的應(yīng)力情況。圍巖各監(jiān)測點的應(yīng)力值大小如圖 2 所示。

由圖 2 可知，兩種工況下圍巖的應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在監(jiān)測點 7，即圍 巖左拱腰的位置，工況一的應(yīng)力最大值為 0.69MPa，工況二的應(yīng)力最大值 為 0.88MPa。且除了監(jiān)測點 8 外，工況二其余監(jiān)測點的應(yīng)力值均比工況一 大，表明工況一下圍巖整體比工況二更加穩(wěn)定。說明在偏壓隧道中，改變 隧道開挖的工序可以有效增加隧道的穩(wěn)定性。環(huán)形開挖留核心土法隧道上 側(cè)初支和下側(cè)初支施作的時間存在先后性，這就涉及到隧道初支受力體系 的轉(zhuǎn)換，而圍巖的應(yīng)力前期主要靠隧道初支來承擔(dān)，故在上側(cè)初支與下側(cè) 初支銜接的地方容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，施工過程中應(yīng)對此位置特別關(guān)注。

3.2 圍巖變形

圍巖位移隨施工步的變化情況如圖 3 所示。

由圖 3 可知，隧道的施工開挖會引起圍巖的拱頂沉降變形和拱底隆起 變形，圍巖的最大變形值即為拱頂?shù)?2.55mm 和拱底的 2.38mm。開挖過程 中，在開挖步 2 至開挖步 4，拱頂?shù)某两底冃瘟吭鲩L迅速，之后趨于平穩(wěn)，這是由于隧道開挖采用的是環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，開挖步 2 至開挖步 4 時恰好是在開挖隧道上側(cè)巖體，而開挖步 6 至開挖步 7 則是在開挖隧道下 側(cè)巖體，拱底的隆起隨著開挖的進行一直在增加也是此原因。圍巖拱腰處 的變形值也較大，且在開挖步 2 至開挖步 4 工況一和工況二左右拱腰處的 沉降變化有較大差異。這主要是因為工況一是先開挖左側(cè)，再開挖右側(cè)，故工況一左拱腰沉降變化先快后慢，右拱腰沉降變化先快后慢，而工況二 時則正好相反。隧道側(cè)墻位置的變形量最小，受開挖工序的影響也最小。

3.3 地表及邊坡變形

選取地表及邊坡的幾個監(jiān)測點（圖 1），分析隧道施工開挖的影響，見圖 3。

圖 4 可以看出，和隧道圍巖變形一樣，邊坡及地表在開挖步 2 至開挖 步 4 一直在發(fā)生沉降變形，之后的變形則相對較緩。相比與其他位置的變 形量，監(jiān)測點 E 和 F 的沉降值非常小，即隧道開挖對坡底的影響最小。隧 道開挖對監(jiān)測點 C 和 D 的影響最大，此處在邊坡的邊坡點附近，最大沉降 值為 1.34mm。監(jiān)測點 A 所在位置為隧道上方的小李線，沉降僅為 0.6mm，影響較小。隧道開挖的影響程度主要是隧道與邊坡的相對位置所決定的。工況一時地表及邊坡的變形量明顯比工況二要小，表明合理的隧道開挖工 序可有效降低對周邊環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

（1）隧道開挖會引起圍巖拱底的隆起與拱頂?shù)某两担吰屡c地表也會 產(chǎn)生一定的沉降，其影響程度與隧道和邊坡的相對位置有關(guān)。

（2）合理的隧道開挖工序可有效降低施工擾動對周邊環(huán)境的影響。

參考文獻：

[1]楊彥亮，李錫波，毛洪錄.高地應(yīng)力條件下深埋隧道開挖方式數(shù)值優(yōu) 選及工程應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2013，33（09）：735-740.

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作者簡介：韓苗（1985-） ，男，本科，工程師。研究方向：隧道及地 下工程。