隧道開挖對溝谷坡體變形影響及襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

楊治軍 劉涇堂 胡金鑫 洪 銘

（1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅蘭州 730030；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064）

0 引言

我國高速公路快速發(fā)展，綜合交通運輸體系已成為“十四五”路網(wǎng)建設(shè)重點。我國西部地區(qū)黃土地層分布廣泛，西部高速公路隧道多為黃土隧道，而在黃土隧道選線過程中，不可避免地需要穿越溝谷或與黃土山體小角度相交，導(dǎo)致隧道不同程度出現(xiàn)偏壓，且隧道開挖極易擾動山體，進(jìn)而誘發(fā)滑塌，甚至滑坡等工程地質(zhì)災(zāi)害。諸多學(xué)者就偏壓隧道開挖方法、圍巖及山體穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列研究。方梁正等[1]通過對比明挖法、蓋挖法及淺埋暗挖法對隧道穿越溝谷淺埋段的施工特點，提出隧道淺埋段分區(qū)段設(shè)計，科學(xué)選擇隧道進(jìn)洞方案。在此基礎(chǔ)上，陳平奧等[2]針對隧道進(jìn)口淺埋段的開挖方式進(jìn)行研究，得到超淺埋段可采用預(yù)留核心土三臺階開挖方式，而偏壓隧道可采用CD 法施工，且需先施工淺埋側(cè)，以保證安全施工。盧光兆等[3]、劉天宇等[4]通過數(shù)值模擬手段，系統(tǒng)研究了三臺階法、中隔墻法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工隧道洞口淺埋段的圍巖穩(wěn)定性的影響。針對隧道淺埋段開挖方法研究，馬杲宇等[5]、何一林等[6]對淺埋段隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行了研究，得到前期施工二次襯砌穩(wěn)定性不足，淺埋段應(yīng)增加二次襯砌厚度，并對運營階段襯砌病害統(tǒng)計并反演原因，以指導(dǎo)設(shè)計。此外，對于偏壓雙孔隧道，先行洞的選擇也尤為重要[7—10]，在僅考慮施工順序的條件下，得出開挖埋深較深的隧道作為先行洞對控制圍巖變形、沉降較為有利。對于隧道穿越溝谷地區(qū)，若考慮隧道開挖卸荷對坡體穩(wěn)定性的影響，對于單洞可采用多臺階，加強超管棚及超前小導(dǎo)管支護(hù)[11]，并實時監(jiān)測淺埋段襯砌受力、地表位移等[12]?？刂坡肪€選線的因素較多，當(dāng)隧道洞口不可避免地設(shè)置于滑坡地段時，嚴(yán)格控制開挖方式尤為重要[13]，而潛在滑動面使得襯砌出現(xiàn)集中受力點，增加了襯砌破壞失效的風(fēng)險[14]，為此，滑坡體加固、隧道加固和監(jiān)控預(yù)測技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)對措施是必不可少的[15]。

某高速公路雙線隧道位于黃土溝谷下方，受溝谷地形影響，該隧道為典型的偏壓雙孔隧道?；跍瞎鹊匦蔚孛?、隧道分布情況、黃土地層及隧道結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)建立有限元數(shù)值計算模型，采用強度折減法分析左洞（埋深大）先行方案與右洞（埋深?。┫刃蟹桨笇瞎绕麦w穩(wěn)定性的影響，研究不同施工方案下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性，為該類偏壓隧道設(shè)計與施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某高速公路隧址區(qū)屬黃土長梁丘陵區(qū)，黃土普遍覆蓋于丘陵之上，長梁走向近南北向，黃土丘陵梁頂較窄，溝底高差150～250 m，坡度多在20°～40°，溝梁相間，連綿不斷，侵蝕強烈。溝谷的侵蝕作用下切到基巖面以下，使深溝內(nèi)大面積紅層出露。擬建隧道穿越黃土山體，進(jìn)口位于黃土長梁坡腳下緩坡地帶，洞門處于沖溝中，左、右洞間距為15 m，左洞進(jìn)口段偏壓，右洞進(jìn)口段基本處于溝心正下方，隧道軸線與地形線近15°角度相交，坡體高約200～250 m，坡度約25°～35°，坡體均為黃土。其中，隧道圍巖為上更新統(tǒng)沖積黃土，褐黃色，中密，孔隙較發(fā)育，土石等級Ⅲ級，承載力容許值約為200～250 kPa。隧道出口位置及地形如圖1、圖2 所示。

圖1 黃土隧道出口現(xiàn)場調(diào)查

圖2 隧道洞口地形

2 數(shù)值模擬方案及計算參數(shù)

2.1 數(shù)值模型建立

針對黃土隧道實際地形，選取某一斷面進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖3 所示，模型頂面按實際溝谷地形進(jìn)行模擬，其中，模型寬度設(shè)置為120 m，左右側(cè)高度分別為100 m 與78 m，右洞埋深為15 m 左右，左洞最大埋深為50 m。如圖4 所示，隧道選取兩車道，設(shè)計時速80 km/h，單心圓斷面，內(nèi)輪廓拱部圓半徑為560 cm，拱腳圓半徑為150 cm，仰拱圓半徑為1520 cm，襯砌厚度為78 cm，開挖高度約11 m，開挖寬度約13 m，并在拱腳設(shè)置擴(kuò)大角以抵抗上覆荷載，減小拱圈襯砌沉降。

圖3 數(shù)值計算模型

圖4 隧道結(jié)構(gòu)宏觀參數(shù)（單位：cm）

在數(shù)值模擬過程中，將襯砌結(jié)構(gòu)考慮為線彈性材料，黃土根據(jù)實際情況考慮為彈塑性材料，并采用Mohr-Coulomb 非線性彈塑性準(zhǔn)則模擬黃土塑性性質(zhì)，具體參數(shù)見表1 和表2。如圖3 所示，為使研究模型與初始應(yīng)力相適應(yīng)，對模型全體施加體力荷載，并根據(jù)土性參數(shù)設(shè)置初始地應(yīng)力場；對于模型邊界條件，側(cè)部控制水平向位移，底部控制水平向位移與豎向位移。模型土體采用四節(jié)點平面應(yīng)變單元（CPE4）對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對局部集中受力區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密；襯砌結(jié)構(gòu)采用平面應(yīng)變四節(jié)點非協(xié)調(diào)單元（CPE4I）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用“硬接觸”模擬襯砌與土體接觸力學(xué)行為。

表1 坡體強度折減參數(shù)

表2 材料的物理力學(xué)參數(shù)

在實際工程中，控制坡體穩(wěn)定性的因素諸多，而與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系也較為復(fù)雜。本文以莫爾-庫倫模型中的抗剪強度指標(biāo)（內(nèi)摩擦角與黏聚力）為控制因素，采用強度折減法進(jìn)行模擬坡體的塑性變形，具體折減參數(shù)見表1。其中，根據(jù)地質(zhì)資料，考慮構(gòu)造應(yīng)力下得到內(nèi)摩擦角與黏聚力初始值等物理力學(xué)參數(shù)和襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。此外，為模擬隧道開挖應(yīng)力釋放作用，采用軟化模量法，將隧道開挖范圍土體模量減少40%，隨后施作襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

2.2 研究工況

隧道以單向開挖進(jìn)行施工，涉及兩種工況：（1）左洞先行方案，編號為ZY；（2）右洞先行方案，編號為YZ。以此開展隧道開挖方案對溝谷坡體穩(wěn)定性、襯砌結(jié)構(gòu)受力特性的研究，進(jìn)一步分析開挖卸荷作用對先行洞襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響，確定單洞掘進(jìn)方案。

2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測

為得到研究所需數(shù)據(jù)，在模型頂部設(shè)置監(jiān)測序列，即沿著地表每間隔7.5 m 布設(shè)一個監(jiān)測點（見圖5），以此得到地面位置的水平位移（U1）與豎直位移（U2），其中水平位移（U1）沿X軸正方向為正，豎直位移（U2）沿Y軸正方向為正。此外，針對襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征，在襯砌內(nèi)表面布設(shè)8 個監(jiān)測點（見圖6），分別位于左右洞襯砌拱頂（Z1/Y1）、右拱肩（Z2/Y2）、右拱腰（Z3/Y3）、右拱腳（Z4/Y4）、拱底（Z5/Y5）、左拱腳（Z6/Y6）、左拱腰（Z7/Y7）、左拱肩（Z8/Y8）。

圖6 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)監(jiān)測節(jié)點示意

3 結(jié)果分析

3.1 隧道開挖方案與溝谷坡體變形特性

3.1.1 坡面位移分析

山嶺隧道開挖會造成地表一定程度的沉降，并且隧道埋深越小，沉降值越大。如圖7 所示，以左洞先行方案為例，左、右隧洞開挖后導(dǎo)致坡腳附近水平位移最大，并在左洞左拱腳至坡頂位置出現(xiàn)位移分界線，左、右洞產(chǎn)生一定的水平位移。此外，隧道開挖導(dǎo)致溝谷左側(cè)土體下移（見圖8），使得右側(cè)坡體出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

圖7 模型水平位移場

圖8 模型豎直位移場

為進(jìn)一步研究隧道開挖對地表位移的影響規(guī)律，在不同開挖工況下得到沿地表監(jiān)測節(jié)點方向的水平應(yīng)力與豎直應(yīng)力分布特征。如圖9 所示，在模型初始狀態(tài)下，地表水平位移在坡腳位置達(dá)到最大，其值約為4 cm，且隧道開挖對坡腳位移影響程度最大。由位移曲線整體形態(tài)可知，在坡體坡腳位置的水平位移U1存在以下規(guī)律：

圖9 不同開挖順序下地表水平位移分布

隨著雙洞逐步開挖，地表位移逐漸增加（U1YZ-Z＞U1YZ-Y）。此外，當(dāng)單洞開挖支護(hù)完成時，左洞先行方案對地表水平位移的影響程度大于右洞先行方案（U1ZY-Z＞U1YZ-Y），但在坡腳位置影響程度差異性較小。而當(dāng)雙洞均開挖支護(hù)完成之后，右洞先行方案對地表水平位移的影響程度大于左洞先行方案（U1YZ-Z＞U1ZY-Y），且對坡腳位移影響程度差異性較大。

由地表豎直位移曲線整體形態(tài)可知（見圖10），坡體豎直位移|U2|存在以下規(guī)律：

圖10 不同開挖順序下地表豎直位移分布

隧道依次開挖均造成地面水平向、豎直向位移增加，但雙洞開挖支護(hù)完成后，引起地表總沉降基本一致。此外，沿著地表監(jiān)測節(jié)點方向，在各種開挖工況下，地表沉降逐漸減小，且在溝底位置逐漸接近于初始狀態(tài)，若將模型初始狀態(tài)位移歸零化，則發(fā)現(xiàn)兩種開挖工況均會引起左側(cè)坡體的變形，并不會引起溝底及右側(cè)坡體隆起。

3.1.2 坡體塑性區(qū)演化特征

坡體在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，即抗滑力大于下滑力，但在坡腳位置可能出存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，坡體一定區(qū)域出現(xiàn)塑性區(qū)（見圖11）。

圖11 初始狀態(tài)坡體變形特征

當(dāng)山體開挖擾動之后，應(yīng)力場出現(xiàn)重分布。對于左洞先行方案，當(dāng)左洞開挖之后，由于左洞的開挖卸荷作用，使得坡體拱腳附近的塑性區(qū)向坡頂擴(kuò)展，左、右拱墻附近出現(xiàn)較大塑性區(qū)，且坡腳與右拱墻之間出現(xiàn)塑性貫通面（見圖12（a）），而隨著右洞進(jìn)一步施工，左洞左側(cè)出現(xiàn)了較大滑動面（見圖12（b）），易造成拱圈整體失穩(wěn)、塌方等風(fēng)險。

而對于右洞先行方案，右洞開挖卸荷作用對溝谷坡腳塑性區(qū)影響較小（見圖13（a）），但左洞開挖之后，塑性區(qū)出現(xiàn)顯著性變化（見圖13（b）），且分布特征與左洞先行方案接近（見圖12（b））。

圖13 右洞先行方案模型土體塑性區(qū)演化特征

右洞先行方案對坡面附近土體穩(wěn)定性影響較大，坡體存在滑移趨勢，而左洞先行方案使得坡體內(nèi)部塑性區(qū)發(fā)生重分布。為控制坡體穩(wěn)定性，可采用左洞先行方案，同時加強左洞襯砌偏壓支護(hù)強度。

3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與開挖方案的相關(guān)性

3.2.1 左洞先行方案對襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力影響

為研究隧道襯砌各部位受力特征，對襯砌結(jié)構(gòu)不同的受力區(qū)進(jìn)行劃分歸類。如圖14、圖15 所示，最大主應(yīng)力區(qū)（受拉）以T 為代號，最小主應(yīng)力區(qū)（受壓區(qū)）以P 為代號。其中，拱部受拉區(qū)為ZT1 區(qū)和YT1 區(qū)；拱墻受拉區(qū)為ZT2、ZT3 和YT2、YT3；仰拱受拉區(qū)為ZT4 和YT4。同理，拱部受壓區(qū)為ZP1 區(qū)和YP1 區(qū)；拱墻受壓區(qū)為ZP2、ZP3 和YP2、YP3；仰拱受壓區(qū)為ZP4 和YP4。

圖14 襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖15 襯砌結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

如圖14、15 所示，襯砌結(jié)構(gòu)在上覆巖土體自重應(yīng)力作用下，均出現(xiàn)“壓扁”現(xiàn)象，且左洞壓扁程度明顯大于右洞，即左、右洞襯砌均在拱頂外側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力、內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力；拱墻外側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力、內(nèi)側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力；拱底外側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力。同時，直觀看出左洞襯砌受壓變形大于右洞，且右洞襯砌出現(xiàn)整體上移的現(xiàn)象。

通過布設(shè)監(jiān)測單元，得到襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力變化規(guī)律（見圖16）。對于左洞襯砌結(jié)構(gòu)，雙洞依次開挖對左洞拱墻附近最大主應(yīng)力、拱頂與拱底最小主應(yīng)力影響較大。其中，拱腰附近：；拱頂與拱底位置：。由此可知，右洞開挖施工使得左洞襯砌拱頂、拱底附近拉應(yīng)力與拱腰附近壓應(yīng)力均有所增加。左右洞襯砌拱頂位置（Z1、Y1）拉應(yīng)力均小于拱底位置（Z5、Y5），左拱腰（Z7、Y7）位置壓應(yīng)力均大于右拱腰位置（Z3、Y3），即均存在偏壓，且左洞偏壓程度大于右洞。與左洞襯砌受力相比，右洞襯砌頂部拉應(yīng)力約為左洞1/2，其他部位拉應(yīng)力與左洞基本一致，而右洞拱腰位置襯砌拉應(yīng)力約為左洞襯砌的2/3。

圖16 左洞先行方案襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力分布

3.2.2 右洞先行方案對襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力影響

對于右洞先行方案，隨著雙洞依次開挖，起拱線（監(jiān)測點Y3、Y4、Y5、Y6、Y7）位置以下右洞襯砌內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力變化甚微，而在左拱肩（Y8）處最大主應(yīng)力增大，即拉應(yīng)力增加（見圖17）；右側(cè)墻襯砌（Y6、Y7）內(nèi)側(cè)最小主應(yīng)力絕對值逐漸增大，但左側(cè)墻襯砌（Y6、Y7）內(nèi)側(cè)最小主應(yīng)力絕對值逐漸減小。由此可見，左洞開挖使得右洞襯砌左側(cè)墻壓應(yīng)力增大、右側(cè)墻壓應(yīng)力減小，主要為左洞（埋深大）開挖導(dǎo)致坡體出現(xiàn)滑移趨勢導(dǎo)致。左洞襯砌左側(cè)墻壓應(yīng)力明顯大于右洞左側(cè)墻，且左、右洞襯砌左右側(cè)墻壓應(yīng)力存在明顯差異，即隧道襯砌偏壓嚴(yán)重，左洞襯砌拱頂與洞底位置拉應(yīng)力大于右洞?？傊?，相比于右洞襯砌，左洞襯砌各個位置受力均較大。

圖17 右洞先行方案襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力分布

3.2.3 襯砌結(jié)構(gòu)受力、變形特征對比分析

通過監(jiān)測襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力，得到兩種施工方案下的襯砌結(jié)構(gòu)受力特征。進(jìn)一步研究不同施工方案對相同襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力變化規(guī)律。如圖18 所示，左右洞襯砌在監(jiān)測點Z2、Z3、Z4、Z6、Z7 與Y2、Y3、Y4、Y6、Y7 處最小主應(yīng)力絕對值均較大，右洞襯砌最小主應(yīng)力增長規(guī)律與左洞幾乎一致。左右洞襯砌在監(jiān)測點Z1、Z5、Z8 與Y1、Y5、Y8 處最大主應(yīng)力值均較大，其中左洞襯砌監(jiān)測點Z1、Z5、Z8 處最大主應(yīng)力絕對值變化幅度均較大，而右洞襯砌監(jiān)測Y1處最大主應(yīng)力變化幅度較小。左洞先行方案對左洞襯砌結(jié)構(gòu)表面壓應(yīng)力與拉應(yīng)力影響較大，右洞先行方案對右洞襯砌結(jié)構(gòu)表面壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的影響較大，右洞部分位置主應(yīng)力差值大于左洞襯砌。由此可知，先行洞的襯砌結(jié)構(gòu)受力均大于后行洞，且右洞襯砌對開挖方案的敏感程度較低。主要是由于右洞處于溝谷正下方位置，埋深較淺，襯砌結(jié)構(gòu)受力本身較大，兩種開挖方式均使得襯砌受力達(dá)到限值。

圖18 不同開挖方案下襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力分布特征

為了進(jìn)一步分析隧道施工方案對襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，得到不同施工方案隧道各監(jiān)測點處襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力差的分布規(guī)律（見圖19）。其中，主應(yīng)力差值為左洞先行方案下襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力與右洞先行方案下襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力差值（Δσ）。如圖19 所示，左洞襯砌內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力差值（）與右洞襯砌內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力差值（）相比，在拱頂與拱底位置應(yīng)力差值最大。同理，左洞襯砌內(nèi)側(cè)最小主應(yīng)力差值（）與右洞襯砌內(nèi)側(cè)最小主應(yīng)力差值（）相比，在拱腰與拱腳位置應(yīng)力差值最大。通過對比兩種施工方案，最大主應(yīng)力差值大于零時，左洞先行方案對襯砌結(jié)構(gòu)受拉不利程度最大，最小主應(yīng)差值小于零時，左洞先行方案對襯砌結(jié)構(gòu)受壓不利程度最大。由此可見，左洞襯砌拱頂與拱底位置拉應(yīng)力差值最大，且為正值。拱腰與拱腳位置壓應(yīng)力差值較大，且為負(fù)值。

圖19 襯砌內(nèi)側(cè)主應(yīng)力差值分布特征

對于穿越溝谷的偏壓隧道，左洞先行方案對左洞襯砌受力影響較大，右洞先行方案對右洞襯砌受力影響較大，但前者影響程度明顯大于后者。結(jié)合隧道開挖順序?qū)ζ麦w變形的影響，本隧道可優(yōu)先采用左洞先行方案，并根據(jù)襯砌受力特性進(jìn)行加強設(shè)計。在最優(yōu)開挖方案施工下，應(yīng)對左洞襯砌拱頂與拱底位置進(jìn)行加強設(shè)計，并對二次襯砌內(nèi)側(cè)加強配筋，以抵抗拉應(yīng)力；也可提高鋼拱架型號、減小鋼拱架間距等措施。右洞襯砌應(yīng)提高混凝土等級，抵抗壓應(yīng)力，也可增大配筋率；初期支護(hù)拱腳位置增加鎖腳錨桿（管）；洞口開挖坡腳增加抗滑樁，保證隧道施工過程中坡體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

應(yīng)用材料力學(xué)與塑性力學(xué)理論，根據(jù)隧道洞口實際地形，利用有限元數(shù)值模擬手段，分析了左洞（埋深大）先行方案與右洞（埋深小）先行方案對溝谷坡體穩(wěn)定性的影響，進(jìn)一步研究不同施工方案下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性，得出如下結(jié)論：

（1）左洞先行方案使得坡體內(nèi)部塑性變形區(qū)發(fā)生重分布，坡體穩(wěn)定性較右洞先行方案高，但雙洞依次開挖支護(hù)完成后，兩種方案下坡體最終變形量幾乎一致。

（2）左洞先行方案中左洞邊墻出現(xiàn)潛在滑動面，并在雙洞開挖后幾乎貫通，而右洞先行方案中左洞右邊墻附近潛在滑動面未貫通，但拱腳塑性應(yīng)力值略大于左洞先行方案。

（3）兩種施工方案均使得先行洞的襯砌結(jié)構(gòu)受力較大，而左洞先行方案對襯砌影響程度大于右洞先行方案，但左洞先行方案對坡體穩(wěn)定性較為有利。建議該偏壓隧道采用左洞（埋深大）先行方案，以減小隧道開挖對坡體的擾動，同時根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受力薄弱點分布規(guī)律加強左、右洞襯砌設(shè)計。