浅埋隧道两种工法的施工力学研究

冯锡勇1 李 欢2

(1重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074 2重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

浅埋隧道两种工法的施工力学研究

冯锡勇1 李 欢2

(1重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074 2重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

本文基于重庆市江北区站前路东段回头匝道的隧道工程为背景，运用Midas/GTS有限元程序分析浅埋隧道在单侧壁导坑法和台阶法施工过程中的力学特性，结果表明运用单侧壁导坑法施工时能够很好的控制隧道拱顶的沉降量，但是在初期支护受力方面台阶法施工更为合理，没有出现明显的偏压现象，这为今后浅埋隧道设计和施工提供了一些参考。

有限元、浅埋隧道、台阶法、单侧壁导坑法

1引言

重庆市江北区站前路东段回头匝道的隧道全长为200m，起讫桩号为HTK0+145～HTK0+345。其中，隧道进洞段、出洞段均采用明挖施工，暗挖段长度为67m，起讫桩号为HTK0+160～HTK0+227。隧道净宽12.86m，净高9.049m。隧道围岩主要是强风化和中风化的泥岩，围岩等级Ⅴ级，隧道的平均埋深为14m，属于典型的浅埋隧道。浅埋隧道的施工方法有很多如台阶法、单侧壁导坑法等。本隧道设计单位推荐的方法为单侧壁导坑法，但是在实际施工过程中，施工单位为了施工的方便选用了单侧壁导坑法，为了比较两种施工方法的安全性，进行了以下两个问题的主要研究[1]：1、两种施工方法洞周位移分析；2、两种施工方法初期支护内力分析。

2计算基本情况

2.1 计算参数

本文所使用的计算参数见表1、表2

材料参数表1

2.2 计算情况

浅埋隧道采用两种施工方法，即单侧壁导坑法和两台阶法。本次计算范围横向取53m，竖向取52m。围岩采用四节点等参单元模拟，初期支护采用梁单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟，计算采用摩尔-库伦屈服准则，围岩左右边界取水平约束，下部边界水平竖直同时约束[2-3]。本次计算采用平面应变理论，计算断面取在隧道中部，符合平面应变计算理论。计算程序采用Midas/GTS有限元程序进行计算。

(1)两台阶法施工步骤有限元模型

两台阶法有限元模型如图1，相应的开挖步骤模拟图见图2-3。

图1 两台阶法有限元模型

图2 上台阶开挖并支护后y方向位移图

图3 下台阶开挖并支护后y方向位移图

图4 单侧壁导坑法有限元模型

(2)单侧壁导坑法施工步骤有限元模型

单侧壁导坑法有限元模型如图4，相应的开挖步骤模拟图见图2-3。

图5 单侧壁导坑法左上台阶开挖并支护后y方向位移图

图6 单侧壁导坑法左下台阶开挖并支护后y方向位移图

图7 单侧壁导坑法右上台阶开挖并支护后y方向位移图

图8 单侧壁导坑法右下台阶开挖并支护后y方向位移图

3计算结果分析

（1）两种施工方法的洞周位移

经计算两种施工方法的洞周最大位移见表3

表3 两种施工方法的洞周位移

由上表可知单侧壁导坑法拱顶沉降量为16.9mm，台阶法为20.6mm；说明单侧壁导坑法能够有效的控制浅埋隧道拱顶的沉降量，最多能减少22.5%。

（2）两种施工方法的初期支护轴力

经计算两种施工方法的初期支护轴力见下图

图9 台阶法初期支护轴力

图10 单侧壁导坑法初期支护轴力

图11 台阶法初期支护轴力

图12 单侧壁导坑法初期支护轴力

注：图11、图12的1号单元分布对应图9、图10箭头所指的单元并沿逆时针方向旋转对应

台阶法周轴最小值位于拱顶处为-77.99 kN，最大值位于右侧拱腰处为55.39kN。

单侧壁导坑法最小值位于左侧拱腰处为-865.818kN，最大值位于右侧拱腰靠上处为49.48kN。

由上图可知单侧导坑法在浅埋隧道施工时初期支护受力表现为明显的偏压状态，主要表现为首先开挖一侧承受了绝大多数的荷载。与此相反运用台阶法施工时隧道初期支护的受力比较合理，没有出县明显的偏压现象。

4结论

1、通过有限元计算可知，单侧壁导坑法施工，能够很好的控制隧道拱顶沉降量，最多能减少22.5%的沉降值；对于浅埋隧道来说这样施工更加安全，避免了冒顶事故的发生。

2、在初期支护受力方面，单侧壁导坑法的隧道表现为明显的偏压，台阶法的受力表现的更为合理。

3、在进行隧道设计时，设计人员要特别注意隧道的拱腰处，因为不管是台阶法还是单侧壁导坑法，拉应力总出现在隧道的拱腰附近，此处容易出现拉裂缝。

[1]贾永刚,王明年等.双连拱隧道两种工法的施工力学分析[J].岩土工程学报2005,11 (24) 増2∶5727-5731

[2]周玉宏,赵燕明,程崇国.偏压连拱隧道施工过程的优化研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(5)∶679–683

[3]綦志富,孙波.大跨度双跨联拱隧道的新奥法施工[J]. 铁道工程学报,2002,(1)∶62–65

TU7

B< class="emphasis_bold">文章编号1

1007-6344（2015）06-0106-02

冯锡勇，男，（1990-），在读硕士研究生，研究方向：隧道及岩土工程