非对称地表荷载对浅埋大断面隧道影响分析

刘 玲，余小利

（1四川省开江县建设工程质量安全监督站四川636250 2重庆南坪商圈管委会重庆400060）

非对称地表荷载对浅埋大断面隧道影响分析

刘 玲1，余小利2

（1四川省开江县建设工程质量安全监督站四川636250 2重庆南坪商圈管委会重庆400060）

非对称地表荷载作用下的浅埋大断面隧道，其支护结构受力特性与对称荷载有较大差异。为了研究浅埋大断面隧道在非对称地表荷载作用下的支护结构的受力、变形特征，本文结合重庆市轨道3号线工贸车站暗挖段工程，通过二维弹塑性数值分析，得到在地表非对称荷载作用下浅埋大断面隧道支护结构的受力和变形特点，应以荷载较大侧的支护参数作为设计的控制参数，充分重视锚杆的作用，同时应加强监控量测控制地表建筑物和中部核心土的变形的结论，为类似工程的建设提供参考依据。

非对称地表荷载；数值模拟；浅埋大断面；双侧壁

1 引言

近年来，随着我国交通建设的蓬勃发展，新建隧道下穿既有建筑的工况逐渐增多，而对于下穿非对称地表荷载作用下的浅埋大断面隧道的设计、施工经验较少。非对称荷载是指在围岩变形和移动不对称于隧道结构(荷载)中轴线的条件下，“支护体—围岩”相互作用系统中围岩施加于支护体的荷载。严格地讲，对称荷载条件只可能存在于均质且无构造应力作用的水平岩的隧道中，因此，通常涉及的隧道几乎都处于非对称荷载条件之下，只是在不同条件下非对称荷载作用效应不同而已[1],[2]。正是由于大多数隧道本来就处于非对称荷载作用下，当隧道地表出现较大的非对称荷载时，浅埋大断面隧道结构所处的环境更是发生了很大的变化。在现行的设计方法中，大多数支护体从结构型式到工作特性往往都被设计成对称的，因而当其使用环境改变时，支护体工况会发生较大幅度的变化[3][4]。

2 非对称荷载作用下隧道支护结构受力特性分析

根据隧道工程中常用的支护结构形式，并应用荷载结构法知识将隧道支护结构力学模型简化可以得到图1所示的支护结构在非对称荷载作用下的力学模型，利用结构分析法对模型分析如下：

图1 支护结构非对称荷载作用模型

非对称荷载作用下，最大弯矩出现在起拱段，靠荷载（1-λ）q边墙，与水平夹角约400处，大小为：

假定支护结构可缩件设置于拱腰处（与水平面夹角为45O），则其轴力为：

式中：Mλg为支护结构在非对称荷载作用下的最大弯矩。

H、B分别为支护结构的高度和宽度，h为支护结构直墙段高度，λ为荷载非对称系数，0＜λ＜1。

当λ发生从0变化到1时，其主要构件承受的荷载相差很大，极易造成“支护一围岩”系统整体失稳，导致支护设计失败和安全事故[1][2]。

本文根据非对称荷载条件下支护结构受力特性，结合重庆市轨道3号线工贸车站，研究地表非对称荷载对浅埋大断面隧道支护结构的影响。

3 工程概况

重庆市轨道交通三号线一期工程的工贸车站位于重庆市南岸区工贸大楼主楼(混凝土22F)的南侧，在大楼裙房(2F)之下。车站的北侧是海铜公路、国际会展中心、东侧为南七路、西南侧接上海城。轻轨线路往西避开工贸大厦主楼，在其裙楼下设工贸车站，出站后线路沿海铜东路向西至铜元局。工贸站里程：CK5+687.239～CK5+872.239，中心桩号里程CK5+764. 239，车站长约185m，地面标高287.30m，站顶标高：272m，轨顶标高258.915m。

车站主体分两部分施工：暗挖段CK5+684.639～CK5+808. 589（长123.95m）采用新奥法施工，复合式衬砌结构；CK5+808. 589～CK5+872.239（长56m）采用明挖法施工，拱型明洞衬砌结构。新奥法施工段利用车站西侧的沟槽从CK5+808.589开辟工作面进入车站，分部开挖，明挖法施工段基坑边坡开挖围护结构采用喷锚支护体系。

车站主体结构断面见图2。

图2 衬砌断面图

4 计算模型及参数

本文选用自重应力场为初始应力场，围岩采用理想弹塑性本构关系，D-P屈服准则(Drucke-Prager)。

本文选用的模拟单元类型为：围岩与初期支护均采用平面4节点实体线性单元(plane42)；二次衬砌、临时支撑采用梁单元（Beam3）；锚杆采用2节点平面等参杆单元(linkl)。

计算模型的范围：隧道中线左右分别取75.5m，竖直向上取至地表，地表至下边界85.9m。

计算模型左、右边界为X方向约束，底部边界为Y方向约束，顶部边界为自由边界,按照平面应变问题计算。

整个计算模型有限元网格共有6195个平面单元，节点总数为5412个，有限元网格划分如图3所示，计算的相关物理参数见表1、表2。

图3 隧道开挖有限元模型

表1 围岩物理力学参数

表2 隧道支护结构力学参数

5 施工模拟步骤

有限元模拟包括初始地应力场（包括重力和地面荷载）、隧道开挖等过程进行，根据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004），在模拟开挖过程中，隧道开挖和初期支护在相应边界应力释放60%，施作二衬和仰拱完成后在相应边界应力释放40%。南坪轻轨车站暗挖段采用双侧壁法施工，数值模拟荷载步如下：

图4 双侧壁法施工步序图

第一步：初始地应力计算。

第二步:施加地表荷载，每层面荷载15kN/m2（隧道轴线左侧按22层，右侧2层荷载施加地面荷载）。

第三步：隧道左洞上部开挖（图4中1），临时支护及永久初期支护（图4中2）。

第四步：隧道左洞中部开挖（图4中3），临时支护及永久初期支护（图4中4）。

第五步：隧道左洞下部开挖（图4中5），临时支护及永久初期支护（图4中6）。

第六步：隧道右洞上部开挖（图4中7），临时支护及永久初期支护（图4中8）。

第七步：隧道右洞中部开挖（图4中9），临时支护及永久初期支护（图4中10）。

第八步：隧道右洞下部开挖（图4中11），临时支护及永久初期支护（图4中12）。

第九步：隧道核心土上部开挖（图4中13）及永久初期支护，撤除核心土上部临时支护（图4中14）。

第十步：施作隧道拱顶和侧墙的二次衬砌（图4中15）。

第十一步：隧道核心土中部开挖及永久初期支护，撤除核心土中部临时支护（图4中16）。

第十二步：隧道核心土下部开挖及永久初期支护，撤除核心土下部临时支护（图4中17）。

第十三步：施作钢筋混凝土仰拱（图4中18）。

6 数值模拟计算结果分析

6.1 隧道左洞施工分析

6.1.1 位移分析

图5、图6为左洞开挖后位移云图。最大水平位移为1.527mm，最小水平位移为-1.572mm。最大竖向位移为1.605mm，最小竖向位移为-0.753mm。

图5 隧道左洞开挖后水平位移云图

图6 隧道左洞开挖后竖向位移云图

在左洞边墙处水平位移较大，左洞下部开挖临时支撑处竖向位移较大。

6.1.2 初支应力分析

图7、图8为左洞开挖后初支应力云图。最大S1主应力为9.59MPa，最小S3主应力为-11.3MPa。

图7 隧道左洞开挖后初支S1主应力云图

图8 隧道左洞开挖后初支S3主应力云图

6.1.3 临时支撑内力分析

图9、图10为左洞开挖后临时支撑的轴力图和弯矩图。最大轴力为93.023kN,最小轴力为-145.818kN；最大弯矩为7.975kN·m,最小弯矩为-7.953 kN·m。

图9 隧道左洞开挖后临时支撑轴力图

图10 隧道左洞开挖后临时支撑弯矩图

左洞临时支撑两端的轴力和弯矩都相对比较大，中间的轴力和弯矩相对都比较小。

6.1.4 锚杆轴力分析

图11为左洞开挖后锚杆轴力图。最大轴力为17.756kN,最小轴力为-21.094kN。说明锚杆都受拉,数值不大，满足承载要求。

图11 隧道左洞开挖后锚杆轴力图

由图11可知拱墙连接处锚杆所受轴力最大。

综上所述，左洞施工完成时，在与水平方向约成45°方向产生较大的变形，但支护结构受力最不利部位出现在左洞的顶部和右下角。

6.2 隧道右洞施工分析

6.2.1 位移分析

图12、图13为右洞开挖后位移云图。最大水平位移为1.717mm，最小水平位移为-1.958mm。最大竖向位移为2.33mm，最小竖向位移为-0.525mm。

图12 隧道右洞开挖后水平位移云图

图13 隧道右洞开挖后竖向位移云图

6.2.2 初支应力分析

图14、图15为右洞开挖后初支应力云图。最大S1主应力为7.71MPa。最小S3主应力为-11.5MPa。

图14 隧道右洞开挖后初支S1主应力云图

图15 隧道右洞开挖后初支S3主应力云图

6.2.3 临时支撑内力分析

图16、图17为右洞开挖后临时支撑的轴力图和弯矩图。最大轴力为144.742kN,最小轴力为-33.040kN；最大弯矩为7.035kN·m,最小弯矩为-7.033 kN·m。

图16 隧道右洞开挖后临时支撑轴力图

图17 隧道右洞开挖后临时支撑弯矩图

6.2.4 锚杆轴力分析

图18为右洞开挖后锚杆轴力图。最大轴力为17.371kN,最小轴力为-20.814kN。说明锚杆都受拉,数值不大，满足承载要求。

图18 隧道右洞开挖后锚杆轴力图

综上所述，右洞施工完成时，左洞位移出现调整，最大位移出现在边墙，右洞的最大位移也出现在边墙，在中部未开挖部位的底部出现较大的鼓起，该部分成为最容易失稳部位。从初支及锚杆受力可以看出左洞受力较右洞大，但右洞的临时支撑较左洞受力不利。因此对受力及变形较大的部位应该提高支护参数及加强观测。

6.3 隧道二衬施作分析

6.3.1 位移分析

图17、图18为二衬施作完成后位移云图。最大水平位移为35mm，最小水平位移为-35mm。最大竖向位移为4.7mm，最小竖向位移为-94mm。

图19 隧道修建完成后水平位移云图

图20 隧道修建完成后竖向位移云图

6.3.2 初支应力分析

图21、图22为二衬施作完成后初支应力云图。最大S1主应力为5.88MPa，最小S3主应力为-13.8MPa。

图21 隧道修建完成后初支S1主应力云图

图22 隧道修建完成后初支S3主应力云图

6.3.3 二衬和仰拱内力分析

图23、图24为二衬施作完成后二衬和仰拱内力图。最大轴力为144.449 kN，最小轴力为-434.725 kN；最大弯矩为297.546 kN·m，最小弯矩为-297.419kN·m。

图23 隧道修建完成后二衬轴力图

图24 隧道修建完成后二衬弯矩图

分析图23、图24，由于隧道偏压，轴力和弯矩不关于隧道轴线对称；左墙脚(深埋侧)的轴力和弯矩都较右墙脚(浅埋侧)的大。

6.3.4 锚杆轴力分析

图25为二衬施作完成后锚杆轴力图。最大轴力为19.379kN,最小轴力为-18.256kN。

图25 隧道修建完成后锚杆轴力图

综上所述，从二衬的变形和内力图可以看出，二衬变形及受力基本对称，在墙脚所受轴力和弯矩较大易产生压坏，而在顶部二衬受拉，也较一般隧道结构受力大；锚杆轴力在顶部左侧受到较大的拉力，正是由于锚杆的作用导致二衬的变形及受力才出现基本对称的规律，最大锚杆拉力出现在与竖直方向夹角约为400左右，与第一部分理论分析基本一致。

7 结论

（1）浅埋大断面隧道受到地表的不对称荷载，支护结构受力最不利出现在与竖直方向成约40°方向，这是有别于对称荷载作用下的规律也与理论分析较一致。在双侧壁施工方法中，大荷载侧支护结构的最大位移的位置随小荷载侧导洞的开挖而由拱顶变成边墙。

（2）在不对称荷载作用下的大断面浅埋隧道，应以荷载较大侧的荷载作为设计的控制荷载，支护参数作为整段隧道结构断面的控制参数以达到安全的目的。

（3）重视初期支护的作用。根据上述分析可知特别是锚杆作用突出，锚杆调整了二衬的变形及受力，使整个隧道断面二衬的受力更加均匀，因此在施工中应严格控制锚杆质量。

（4）由于隧道浅埋和偏压，隧道顶部地表荷载较大侧的导洞开挖时，产生较大的水平位移和沉降，施工中一定要遵循“短开挖，弱爆破，快支护，勤量测，做好长短超前地质预报，做好超前及径向支护，及时调整支护参数以控制地表建筑的变形。

[1]王亚琼，张少兵，谢永利，赖金星.浅埋偏压连拱隧道非对称支护结构受力性状分析[J].岩石力学与工程学报,2010(5): 3265-3272

[2]伍永平.巷(隧)道支护中的非对称荷载效应[J].西安公路交通大学学报,2001(10):55-57

[3]郭军，王明年，谭忠盛，罗禄森.大跨浅埋黄土隧道中系统锚杆受力机制研究[J].岩土力学,2010(3):870-874

[4]刘和清.下穿高速公路的浅埋大断面隧道衬砌受力分析[J].铁道标准设计,2011(4):95-97

[5]旷文涛,漆泰岳,李斌,周捷.新意法在浅埋大断面隧道施工中的应用研究[J].公路隧道,2009(2):5-9

[6]张虎，谭平.城市轻轨地下车站大断面隧道施工工法研究[J].西部探矿工程,2011(6):192-196

责任编辑：李 红

Analysison the Influenceof Asymmetric Surface Loadson the Shallow Buried Tunnelw ith Large Section

The supporting structure of shallow buried tunnelw ith large section under asymmetric surface loads has very different stress characteristics from thatof symmetric surface loads.To study the stressand deformation characteristics of shallow buried tunnelw ith large section under asymmetric surface loads,the authors,based on the 2D elastop lastic numerical analysis on the underground excavation of Gongmao Station of Chongqing City Metro Line3,getthe resultsand draw the conclusion that thesupporting parametersof thesidew ith heavier loadsshould be taken as the controlparametersin design,the roleofanchorshould be fully stressed,and themonitoring ofbuildingson theground and core soilshould bestrengthened.This thesis can provide some references for sim ilar projects.

asymmetric surface loads;numericalsimulation;shallow buried large section;bilateralwall

U451+.5

A

1671-9107（2012）05-0015-06

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.05.015

2012-01-19

刘玲（1970-），女，本科，工程师，主要从事建筑工程质量检测及质量安全监督工作。

余小利（1964-），男，工程师，主要从事施工项目管理工作。