浅埋、偏压条件下某超大跨隧道受力分析研究

2015-03-05钱文斐

城市道桥与防洪 2015年10期

钱文斐

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

浅埋、偏压条件下超大跨隧道与通常情况下的隧道在设计、施工等方面存在一定的差异，笔者在某项目的设计中遇到了这样的问题。为此，本文拟以某隧道为例，通过模拟其施工工程，提出了在设计、施工方面的要点，在为本工程提供相关技术支持的同时，希望为类似工程提供借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

某隧道为西南地区某城市的控制性工程之一，隧址区环境地形总体呈北高南低，隧道从地势较高的山岭穿过。山体上植被总体发育良好。隧道主要通过的地层有第四系（Q）、安顺组二段（Ta2）、安顺组三段（Ta3）、大冶组（Td）等。不良地质现象主要为岩溶。区域内地下水类型分为碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水和第四系松散含水层孔隙水。

1.2 隧道浅埋、偏压情况

隧道左线长500 m,右线长380 m，由于左、右线的进、出口不在同一个断面上，而存在错幅，因此右线路基段的开挖将导致左线隧道一侧出现临空面，从而形成了偏压（见图1、图2）。隧道中心线处隧道洞顶面覆土厚度在20～50 m范围，地面横坡约为1∶1.7。

1.3 隧道内轮廓

图1 隧道平面图

图2 隧道浅埋偏压段横断面

本项目中隧道开挖内轮廓（见图3）跨度达19.378 m，考虑到初期支护、二次衬砌、预留变形量的尺寸，实际开挖尺寸将接近22 m，在我国新奥法施工隧道工程界，处于领先地位。

图3 隧道内轮廓图（单位：mm）

1.4 偏压段概念性设计

深埋侧隧道由于右侧路基段开挖后形成了临空面，因此处于偏压状态，在岩土作用下存在向右挤出的趋势，为此在路基靠近隧道侧设置了抗滑桩，以平衡深埋侧隧道的所受的不平衡力。

2 模拟建模

新奥法隧道施工过程中，初期支护主要起充分利用围岩自稳能力及承受围岩压力的作用，施工中初期支护结构体系在不断变化，因此其安全性直接影响隧道施工过程的安全性，鉴于本论文研究的目的，因此本次模拟仅模拟初期支护中的喷射混凝土（钢支撑作用已综合考虑）作用，钢筋网、锚杆则作为安全储备。围岩本构模型采用摩尔—库伦模型（见表1），初期支护采用弹性模型（见表2）。

表1 围岩物理力学参数表

表2 初期支护力学参数表

对于大断面隧道的施工工法，比较成熟的主要有CD、CRD、双侧壁导坑等，鉴于本隧道超大断面，且存在浅埋、偏压等不利因素，故采用双侧壁导坑法进行施工。施工工序见图4。

图4 双侧壁导坑法施工工序图（先浅侧后深侧）

先浅侧后深侧施工工序为：（1）浅侧导坑上台阶开挖；（2）浅侧导坑上台阶初期支护(包含临时支护)；（3）浅侧导坑下台阶开挖；（4）浅侧导坑下台阶初期支护(包含临时支护)；（5）深侧导坑上台阶开挖；（6）深侧导坑上台阶初期支护(包含临时支护)；（7）深侧导坑下台阶开挖；（8）深侧导坑下台阶初期支护(包含临时支护)；（9）中导坑上台阶开挖；（10）中导坑上台阶初期支护；（11）中导坑下台阶开挖；（12）中导坑下台阶初期支护；（13）临时支护拆除。

对于先深侧后浅侧施工工序为深埋侧导洞→浅埋侧导洞→中导洞，即只需将浅侧导坑、深侧导坑的工序进行互换，故不再赘述。

3 分析研究结果[1-5]

3.1 合理工序的选择

本文对先浅后深、先深后浅两种不同工序进行了模拟计算，鉴于初期支护的受力性能是能否保证施工过程安全的主要因素，因此从主洞初期支护的结构受力性能方面进行比较，以确定相对合理的施工顺序。初期支护各点应力（拉正压负）横断面布置见图5，不同施工顺序各点应力对比情况见图6。

图5 初期支护各点横断面布置图

图6 不同施工顺序各点最不利应力对比情况表

考虑到初期支护处于抗压受力状态优于抗拉受力状态，由图6可以看出以下规律：（1）先深后浅施工工序工况下，3点处初期支护应力值较之不利（拉应力值达到8.7 MPa,较之增大约73%），而在先浅后深施工工序工况下，11点处初期支护较之不利（拉应力值达到2.5 MPa,较之增大约173%）；（2）1、10 点处初期支护应力存在一定差距，但考虑初期支护的抗压能力强，因此不会影响其结构安全性；（3）其余各点处则相差不大。

综上，从有利于初期支护受力状态的因素出发，采用先浅后深工序相对有利，故后续分析结果均是在先浅后深的工序下，不再赘述。

3.2 永久初期支护内力分析

由图6可以看出：

（1）3、5、11、16 点初期支护处于较大的受拉应力状态，因此施工中需加强对以上各点的观测，避免出现拉裂性破坏。

（2）与无偏压情况的隧道相比，拱顶中心1点、仰拱中心9点的初期支护最不利应力值较小，而深埋侧拱腰3点、浅埋侧仰拱16点的初期支护最不利应力值较大，因此成为结构受力的薄弱点。经分析，这是因为由于偏压的存在，围岩的最大主应力方向出现了偏转的原因。

3.3 临时支护内力分析

临时支护在施工过程中同样决定着施工过程的安全，因此需对其在施工过程中的受力性状进行分析。

由图7可以看出：浅埋侧导洞临时支护的11点始终处于较不利的受拉状态；16点在施工步2～9（浅埋侧导洞开挖支护、深埋侧导洞开挖支护、中导洞上台阶开挖）处于较有利的受压状态，在施工步10～12（中导洞上台阶支护、中导洞下台阶开挖支护）处于较不利的受拉状态；18点在施工步2～3（浅埋侧上台阶开挖支护、下台阶开挖）处于较有利的受压状态，在施工步4～12（浅埋侧下台阶支护、深埋侧导洞开挖支护、中导洞开挖支护）处于较不利的受拉状态。

图7 浅埋侧导洞临时支护最不利应力变化图

由图8可以看出：深埋侧导洞临时支护的8点始终处于较不利受拉状态；3、17点在施工步6～9（深埋侧导洞开挖、支护阶段及中导洞上台阶开挖）处于较有利受压状态，在施工步10～12（中导洞上台阶支护、下台阶开挖支护）处于较不利受拉状态。

通过图7、图8可以得出以下结论：

（1）中导洞上台阶支护、下台阶开挖支护阶段，深、浅埋侧导洞临时支护均处于较不利的受拉状态，应加强此段施工过程对临时支护的监测工作。

图8 深埋侧导洞临时支护最不利应力变化图

（2）深埋侧临时支护下端与主洞支护交接处（8点）、浅埋侧临时支护上端与主洞支护交接处（11点）始终处于较不利的受拉状态，应加强上述两交接处的施工质量，避免出现受拉破坏。

（3）深埋侧临时支护的最不利应力值大于浅埋侧临时支护（较之大约80%），因此设计中应加强深埋侧临时支护设计，避免出现结构性破坏，影响施工安全。

3.4 主洞拱顶位移

主洞拱顶位移是一直隧道施工过程中监测的“重中之重”，因此其重要性不言而喻。

由图9可以看出，在施工步9～10(即中导洞上台阶开挖支护)阶段，形成了明显的“跳台”临界点（水平位移值增大了114%，竖向位移值增大了1445%）：（1）在施工步 1～9（即两侧导洞开挖、支护）阶段，位移值相对较小；而在施工步10～13（即中导洞开挖、支护、拆除临时支护阶段）位置值相对较大；但两段变化值均不大。（2）在施工步1～9阶段，水平位移值大于竖向位移值；在施工步10～13阶段，竖向位移值大于水平位移值。

图9 主洞拱顶竖向、水平向位移值

由此得出以下结论：

（1）中导洞上台开挖支护阶段是施工过程中的“核心”阶段，应特别加强对拱顶位移值的监测。

（2）通常对于拱顶位移值的监测数据仅为竖向位移，但对于大跨度、浅埋、偏压情况必须增加其水平位移的监测。

3.5 导洞拱脚水平位移收敛

考虑到本隧道采用双侧壁导坑法施工，施工中需对导洞的拱脚水平位移进行监测。

由图10可以看出，对于深埋侧导洞，施工步1～8时，拱脚处水平位移收敛值变化不大，施工步9～12时，拱脚处水平位移收敛值出现阶梯式增长（施工步10相对于施工步9增长了95%，施工步12相对于施工步11增长了65%）；对于浅埋侧导洞，施工步4、12时，拱脚处水平位移收敛值增长幅度大，相对于前一个施工步分布增大了230%、300%。