淺埋偏壓隧道環(huán)形預(yù)留核心土開挖數(shù)值分析

閆立群

（山西長興路橋工程有限公司，山西 長治 046000）

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法因為具有預(yù)留核心土和分部分開挖的特點，能夠有效控制隧道開挖過程中的圍巖變形，所以在一定程度上能夠解決淺埋偏壓隧道圍巖受力不對稱、開挖環(huán)境較復(fù)雜和易發(fā)生坍塌的問題。

一、工程概況

某公路隧道工程隧道起訖里程DK124+206～DK124+895，全長689m，為雙線單洞。隧址區(qū)位于中低山地區(qū)，隧道穿越的山體陡峻、流水侵蝕嚴重、地形起伏較大，為丘陵-低山地貌。綜合該工程區(qū)的地貌及標高和切割深度，認定隧址區(qū)屬于低山地貌，圍巖破碎、整體性差，圍巖等級為Ⅴ級。

該工程采用的環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，因為預(yù)留核心土的存在，給予掌子面反向推力，有利于開挖過程中圍巖變形，常用于較破碎的IV級和V級圍巖。主要施工步驟：開挖上部斷面環(huán)形土，預(yù)留核心土→施作上部斷面錨桿，噴射混凝土→開挖核心土→開挖下部土，剩余部分初支施作。

二、隧道模型建立

假定圍巖性質(zhì)為連續(xù)、均質(zhì)及各向同性，初始地應(yīng)力場為自重應(yīng)力，即采用摩爾—庫倫屈服準則。初期支護中噴射混凝土采用2D板單元模擬，錨桿采用1D植入式桁架單元模擬，巖體采用3D實體單元模擬。

計算區(qū)域選取約5倍洞徑左右，橫向60m、縱向30m，隧道淺埋側(cè)為36m，深埋側(cè)為48m。模型方向規(guī)定隧道開挖方向為Y軸正向，豎直向下為Z軸正向，隧道掘進橫斷面向左方向為X軸正向。

模型邊界X、Y方向位移面施加約束，底部邊界Z方向位移面施加約束。隧道圍巖土體為軟巖，圍巖等級為Ⅴ級，采用噴錨支護的方式，錨桿采用2×1.8m間距布置。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則（JTG/T D70-2010）》，隧道的圍巖參數(shù)如表1所示，支護參數(shù)如表2所示。

表1 模型計算土層物理力學(xué)指標

表1 模型計算土層物理力學(xué)指標

表2 噴錨支護材料參數(shù)

表2 噴錨支護材料參數(shù)

三、圍巖位移及塑性變形分析

如圖1所示，淺埋偏壓隧道開挖完成后，圍巖豎向位移整體分布因為偏壓而未沿隧道中心軸對稱。因為隧道右側(cè)埋深更深，拱頂豎向位移分布整體往右偏移一定距離，底部隆起位移分布整體往左偏移了一定距離。圍巖拱頂沉降最大值位于拱頂偏右一定距離靠近右側(cè)拱肩處，最大值為-2.07mm，底部隆起位移最大值位于底部偏左一定距離靠近左側(cè)拱腳處，最大值為2.27mm。

圖1 隧道圍巖豎向位移分布圖

同理，圍巖的水平位移分布也未沿隧道中心軸對稱，在開挖S2上部土后隧道深埋側(cè)拱肩處及隧道淺埋側(cè)拱腳處均出現(xiàn)了位移較大值，最大位移分別為-0.256mm和0.275mm。

隨著隧道開挖，開挖對地表位移影響范圍也逐漸擴大，在開挖完成之后圍巖水平位移較大位置均位于隧道深埋側(cè)拱肩、拱腳靠近拱腰處，淺埋側(cè)拱腳和拱肩靠近拱腰處。

四、圍巖應(yīng)力分析

隧道開挖完成后圍巖應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力重分布，應(yīng)力分布未沿隧道中心軸對稱。

圍巖水平應(yīng)力S-XX主要集中在隧道底部及頂部，拱頂處水平應(yīng)力分布偏向深埋側(cè)，此時圍巖水平最大拉應(yīng)力為1.23×102kN/m2，位于隧道底部偏淺埋側(cè)；最大壓應(yīng)力為-6.63×102kN/m2，位于隧道深埋側(cè)拱腳處。此外，在隧道深埋側(cè)拱肩及淺埋側(cè)拱腳處均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大水平應(yīng)力值為-73.35kN/m2。

同理，隧道頂部、底部豎向應(yīng)力整體分布也分別往深埋側(cè)、淺埋側(cè)偏移，且頂部及底部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為33.29kN/m2，最大壓應(yīng)力值為-1.56×103kN/m2，位于隧道深埋側(cè)拱腳處，圍巖受壓能力較強。

五、支護受力分析

如圖2所示，因為偏壓的存在，噴混結(jié)構(gòu)受力不對稱，最大主應(yīng)力整體分布向隧道深埋側(cè)一定距離發(fā)生了偏移，最大主應(yīng)力中最大拉應(yīng)力并不位于隧道拱頂，而位于拱頂右側(cè)一定距離靠近拱肩處，最大拉應(yīng)力為1.404×103kN/m2。

圖2 開挖完成后噴混結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖

同時，如圖3所示，因為錨桿限制圍巖向洞內(nèi)變形，絕大多數(shù)錨桿處于受拉狀態(tài)，錨桿軸力由桿頭至桿尾逐漸增大。隧道偏壓導(dǎo)致深埋側(cè)錨桿軸力整體大于淺埋側(cè)錨桿軸力，軸力最大的錨桿位于深埋側(cè)隧道拱肩處，軸力最大值為14.25kN。

圖3 開挖完成后錨桿軸力圖

六、結(jié)語

在隧道開挖過程中，隧道深埋側(cè)拱肩處及隧道淺埋側(cè)拱腳處均出現(xiàn)了位移較大值，應(yīng)針對性地加強對隧道深埋側(cè)拱肩及淺埋側(cè)拱腳處的圍巖變形監(jiān)控。

隧道開挖完成后，在隧道深埋側(cè)拱肩及淺埋側(cè)拱腳處均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。又因為偏壓，噴混結(jié)構(gòu)受力不對稱，最大拉應(yīng)力位于拱頂右側(cè)一定距離靠近拱肩處。所以，在針對偏壓隧道支護設(shè)計時，除了注重拱頂及底部的圍巖支護，還需要加強深埋側(cè)拱肩及底部淺埋側(cè)拱腳的支護。