淺埋偏壓連拱隧道開挖工序的數值模擬

劉俊佳

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著城市建設的發(fā)展，城市道路功能需求的逐漸增加，對隧道斷面的要求也越大[1]，建設中出現了許多大斷面以及超大斷面隧道，目前國內已經建成或在建的雙向八車道隧道有：福州金雞山隧道、大連韓家?guī)X隧道、深圳雅寶隧道，這些隧道均為雙向8 車道，隧道內輪廓超過18 m 的大跨度雙連拱隧道。連拱隧道圍巖荷載分布和支護力學特性較為復雜，施工工序多，巖體和支護結構穩(wěn)定性差。在二次襯砌施加前，設計時有必要對開挖工序中的初支結構的強度與穩(wěn)定性進行分析與驗算。

1 工程概況

湖南某市政道路需下穿一山體，道路設計時速50 km/h，為雙向8 車道，左右兩側設置人非車道。由于城市總體規(guī)劃對山體保護的政策，設計采用了暗挖法施工。隧道全長約320 m，隧道結構設計雙連拱隧道，外加兩側人非洞室，主洞開挖寬度18.3 m，人非洞室開挖寬度8.5 m，距離主洞水平距離6 m。隧道圍巖主要為泥質板巖及砂質板巖，為Ⅳ-Ⅴ級圍巖。

根據《公路隧道施工技術規(guī)范》（JTG 3660—2020）[2]，該隧道主洞屬于大跨度隧道（B≥18 m），人非隧洞屬于小跨度隧道（B＜9 m），隧道屬于短隧道（≤500 m）。

隧道下穿山體平均高度僅有45～60 m，隧道平均埋深僅有20～0 m，按照隧道深淺埋法[3]，臨界埋深為48 m，該隧道埋深遠小于臨界深度，屬于超淺埋。而且隧道所處山體起伏較大，整個隧道均處于偏壓的受力狀態(tài)。

隧道采用復合式襯砌，初支為φ22 系統錨桿+250 mm 厚C25 混凝土+ 鋼筋網片+ 工字鋼，二襯為700 mm 厚C30 鋼筋混凝土。超前支護形式為φ42的鋼管。采用護拱+φ108 大管棚輔助進洞。洞口山腳處設置偏壓重力擋墻，與隧道護拱及二襯結構相連。

隧道進洞口處先行施工護拱及偏壓擋墻。進洞后隧道開挖工法采用雙側壁導坑法，如圖1 所示序號：中導洞先行貫通—開挖左右主洞上臺階外側—開挖左右主洞下臺階外側—開挖左右主洞上臺階內側—開挖左右主洞下臺階內側—開挖左右主洞中臺階上、中、下部—開挖人非隧洞—隧道頂部淺埋處回填。

圖1 隧道橫斷面圖（單位：mm）

由于隧道開挖跨度大、開挖工序繁多、結構及山體受力復雜，按《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）應進行地層荷載法模擬隧道開挖過程中襯砌內力及位移，同時應采用強度折減法計算開挖過程中山體邊坡的穩(wěn)定性計算。

2 反演預測方法及模型建立

2.1 模型簡介

選取隧道主洞進洞口處偏壓最不利的斷面計算，該處山體高度45 m，山體自然坡率約1∶1.7，主要地層為強風化- 中風化板巖，局部含全風化泥化夾層。主洞的覆土高度分別為7 m，1 m，內側主洞及人非隧洞處存在斷層碎裂巖。

采用plaxis 2d 有限元軟件進行連拱隧道開挖工序的模擬。如圖2 所示，模型長280 m，高120 m，隧道圍巖類型碎裂巖、強風化板巖、中風化板巖，采用平面單元模擬。系統錨桿采用植入式桁架單元、隧道襯砌及偏壓擋墻采用板單元模擬。隧道周邊網格進行優(yōu)化加密。

圖2 數值計算模型

2.2 計算參數及計算工況

計算模型中，巖土體為摩爾庫倫本構、支護結構為線彈性本構。材料參數如表1 所示。

表1 主要數值模擬計算參數

計算工況應盡可能模擬雙側壁導坑法的開挖支護過程，同時考慮巖土的時空效應，Ⅴ級圍巖開挖的瞬間釋放30%左右的應力，剩下的應力由初支和二襯來承擔。本計算為提高襯砌結構的安全富裕度，適當提高支護結構期間荷載釋放系數，工況時設置初支和二襯荷載釋放系數分別0.6 和0.4，見表2。

表2 主要數值模擬工況

2.3 結果分析

2.3.1 山體穩(wěn)定性

如圖3 所示，自然狀態(tài)下邊坡的安全系數為1.7，潛在滑動面穿過碎裂巖從中隔墻的位置剪出。如圖4 所示，偏壓擋墻及中隔墻澆筑完成后安全系數略有提高為1.9，潛在滑動面穿過中隔墻基底。中隔墻澆筑完成后，中隔墻的位移模式為整體下移，下移量5.3 mm。左右主洞的外側上臺階完成初支后安全系數為2.0，左右主洞的外側上下臺階完成初支后安全系數為2.1，左右主洞的內、外側完成初支后安全系數為1.8，主洞全部開挖完成初支后安全系數為1.7，如圖5 所示。隧道完成二次襯砌后，山體的安全系數為2.6，未觀測到明顯的滑動面。

圖3 原始山體邊坡滑動面云圖（安全系數1.7）

圖4 中隔墻澆筑完成后邊坡滑動面云圖（安全系數1.9）

圖5 隧道主洞開挖完成后邊坡滑動面（安全系數1.7）

在隧道開挖施加初支的過程中，山體邊坡的安全系數先增大后降低。初支全部施加完成后，邊坡穩(wěn)定性和原始邊坡的安全系數相近，二襯全部施加完成后，山體邊坡安全系數大幅度增高，山體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3.2 初支結構內力強度

隨著開挖的進行,初支結構上內力和位移逐漸增大，當左右兩主洞開挖完成后,初支內力最大。由圖6和7 可以看出，在開挖過程中左洞初支所受的軸力始終較大，而左洞初支彎矩先是小于右洞，而后大于右洞。當進行到圖1 所示的開挖工序10 時，即左洞內部土被完全挖除之前。右洞所受的軸力較小而彎矩較大，初支結構承受較大的偏心作用，此階段對右洞的初支結構為不利階段。隨著開挖的進行到第10步之后，右洞左側的巖土體被完全挖除轉而由初支結構替代后，對右洞邊坡推力減少，偏壓狀態(tài)得到緩解。盡管左洞承受一定的彎矩，但每步開挖過程中軸壓作用明顯，與中隔墻、偏壓擋墻形成一個整體，偏壓狀態(tài)處于可控的范圍內。

圖6 開挖過程中主洞初支軸力最大值

圖7 開挖過程中主洞初支彎矩最大值

初支包含系統錨桿、噴射混凝土、鋼筋網片及鋼拱架。主體受力結構是鋼拱架，噴射混凝土分擔了軸向壓力，系統錨桿可等效成鋼拱架梁的彈性支點，從而減小了彎矩。

本計算得到的初支結構內力的分布規(guī)律：彎矩和剪力的極值點在左洞左下臺階右端點，彎矩為217.7 kN·m/m，剪力為-333.3 kN/m，軸力為100.5 kN/m；軸力極值點發(fā)生左洞拱頂處軸力為1 672 kN/m，彎矩和剪力數值較小，可忽略不計；拱腳處（起拱線）彎矩200 kN·m/m，剪力300 kN/m，軸力120 kN/m。

初支由噴射混凝土和型鋼骨架組成，型鋼間距0.5 m，噴射混凝土厚度0.25 m。

取每延米型鋼（間距0.5 m）+噴射混凝土的組合截面彎矩設計值1.25×217.7=272 kN·m，剪力設計值1.25×333.3=416 kN，軸力1.25×100.5=126 kN。由《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）[4]，噴射混凝土分擔較多的軸力，而不承擔彎矩。而鋼拱架同時承擔全部的彎矩，同時與噴射混凝土按抗壓剛度分配軸力。如表3 所示，噴射混凝土壓應力111/0.25=0.4 MPa＜9.6 MPa，噴混凝土強度滿足要求。

表3 初支結構內力表

每榀鋼拱架（間距0.5 m）彎矩設計值136 kN·m，剪力73 kN，軸力7.4 kN。原設計為工22b 鋼拱架，建議調整為工25b。鋼拱架應力驗算如下，計算結果可知，各應力驗算均滿足要求。

（1）正應力驗算

隧洞內部初支全部拆除后，隧道初支的最大變形為26 mm。根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）[3]第9.2.15 條,變形允許值取l/400=46 337/400=115 mm＞26 mm, 滿足要求。變形圖如圖8 所示，最大變形點發(fā)生右洞的拱腳處。此時應盡早施加二襯防止鋼拱架失穩(wěn)。

圖8 隧道初支變形圖

如圖9 所示，錨桿計算軸力最大值為38 kN，小于系統錨桿錨固抗拔力設計值為80 kN，滿足要求。

圖9 隧道主洞系統錨桿軸力圖

3 結 語

（1）中隔墻澆筑完成后,潛在滑動面通過中隔墻基底，且在開挖的過程中中隔墻會發(fā)生傾斜及下沉。因此在設計時中隔墻基底應埋設注漿鋼管，形成錨樁基礎，防止因偏壓狀態(tài)導致的中隔墻滑移或傾斜。

（2）在邊坡坡腳右側主洞，隧道偏壓狀態(tài)明顯，隧道開挖過程中初支結構會承擔較大的彎矩，尤其是在邊坡坡腳巖土體被移除而初支結構未形成封閉時受力最不利。在設計時應增加右側主洞鋼拱架的強度以增大抗彎能力。

（3）山體滑動安全系數先增加后減小,隧道外側洞室的開挖支護引起滑動安全系數增加,隨著右洞安全的開挖進行,安全系數減小,潛在滑動剪出面發(fā)生在左洞左上臺階處,隧道全部開挖后并施加初支后安全系數與原始山體邊坡相近，這說明該開挖工序中的初支結構基本上彌補了挖除巖土體的反力作用。施加二襯后邊坡穩(wěn)定性大幅度增加從而體現了盡早施加二襯的必要性。