小间距公路隧道穿越斜坡体施工稳定性分析

刘金山（中交隧道工程局有限公司，北京　100102）



小间距公路隧道穿越斜坡体施工稳定性分析

刘金山
（中交隧道工程局有限公司，北京100102）

摘要随着我国交通基础设施建设的快速发展，在中西部众多的新建公路中，修建隧道成了不可缺少的部分；而由于地形条件限制，小间距公路隧道往往成为最佳的选择。本文结合具体工程，通过MIDAS NX软件模拟，对小间距隧道开挖顺序、施工方法、两线掌子面距离等因素进行了分析，并提出了相应观点，为后续工程提供技术支持。

关键词小间距隧道；斜坡；稳定性；数值分析

1　工程概况

三门峡至淅川高速公路赛岭隧道，地处河南省西峡县桑坪镇。隧道分左右线两幅，测设线间距为13～18 m，左线长为2 517 m，最大埋深225 m，右线长为2 508 m，最大埋深235 m，双向4车道，设计速度80 km/h，隧道净宽10. 25 m，隧道净高5 m。

赛岭隧道属低中山地貌，海拔高程为870～1 120 m。进洞口段位于两冲沟之间，洞身段位于山体坡顶部位，坡顶沟壑发育，出口段为峡河的源头冲沟。进出洞口节理较发育，出口处有不稳定折线斜坡体，隧道施工易使隧道应力及位移变化，影响隧道围岩变形，威胁隧道施工安全。

2浅埋小间距公路隧道施工影响分析

本文通过MIDAS NX软件模拟，对小间距隧道开挖施工顺序、施工方法、两线掌子面距离等因素进行分析，总结小间距浅埋公路隧道相互影响及其规律。

2. 1模型的建立

模型左右两侧和下部取3倍隧道洞径长度为边界，上部取自由地表面，初始应力场只考虑自重应力，假设围岩为弹性，采用D-P屈服准则，衬砌结构采用梁单元模拟。计算模型如图1所示，材料力学参数见表1。

2. 2隧道开挖对斜坡的影响

斜坡体处于浅埋隧道洞口段，隧道开挖会导致边坡岩体的不稳定，甚至滑移。下面依据计算结果分析隧道开挖前后斜坡的变化情况及发展规律。

2. 2. 1隧道开挖前的初始应力场

图2、图3为坡体在自重作用下，三维计算模型中最大主应力和最小主应力在典型剖面上的分布图。从图2可以看出，在自重应力场环境条件下，随坡体深度的增加压应力逐渐增加，只在表面局部地区有拉应力存在。

图1　三维计算模型

表1　材料力学参数

图2　自重力下最大主应力（单位：kPa）

图3　自重力下最小主应力（单位：kPa）

2. 2. 2隧道开挖后斜坡的应力场（图4）

图4　开挖后最大主应力（单位：kPa）

受浅埋隧道开挖影响，坡体受力在开挖后也进行了重新分布，坡体应力、位移都有相应变化。形成了新的坡体变形发展空间。从图4可以看出，洞口处出现拉应力，对围岩的稳定性极为不利。

2. 2. 3隧道开挖后斜坡形变场

隧道开挖后，坡体产生以隧道轴线为中心，向两侧呈扇形对称的变形，产生了垂直位移并在洞口段产生了附加水平力位移，表明坡体有了移动的趋势，应在施工中加强洞口段的加固和支护措施。

2. 3隧道开挖顺序及开挖方式的影响

小间距隧道采用的施工方法主要有全断面法、台阶法（包括长台阶法、短台阶法、微台阶法），分部开挖法（环形开挖预留核心土法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中洞法、交叉中隔壁法）。随着净距的增加相互间的影响相应减弱，对沉降影响也相对较小，所以施工方法研究主要集中在图5所示的4种方案。4种方案均分别进行了先左后右、先右后左的数值模拟。左右导洞开挖滞后10 m距离，每个导洞错开5 m，初支滞后开挖土体一步施作。

图5　施工方法组合

为最大限度减少边界约束对计算结果的影响，选取A剖面（见图1）来进行分析。通过数值模拟，得到了不同施工方案在单洞、双洞完成后，A剖面典型算点地表沉降值，如表2所示。从表2中4种开挖方案数据可以看出，无论哪侧先行开挖，随着先行开挖隧道距离增加，围岩逐渐自稳，后开挖隧道开挖完后，相同算点围岩沉降值基本没有发生变化。故无论哪侧先行，对地表影响不大。这是因为左右两洞在同一断面处，拱顶距离地表深度相差不大，没有形成偏压，故两洞的先后施工顺序的影响很小。

2. 4左右洞掌子面距离影响分析

对于浅埋小净距隧道，由于相互影响，在施工中需结合工程经验确定合理的两线隧洞掌子面距离，以确保工程安全、快速推进。本文在稳定性分析过程中，左右洞掌子面之间距离Df取0，10，20，30 m 4种工况。

2. 4. 1围岩竖向位移

采取先左后右的开挖方式，以右洞为研究对象，不同掌子面间距情况下，斜坡竖直方向位移图如图6所示。分析图6得出，后开挖掌子面沉降值与两掌子面距离成反比，位移随着掌子面距离增大而减小，最终分布形式趋于一致。所以，围岩位移的基本分布主要由洞室的最终形状决定，掌子面间距仅对数值大小有一定的影响。

2. 4. 2洞室竖向位移

表3为拱顶及仰拱在Df为0，10，20，30 m时洞室竖向位移计算结果。可见左右拱顶沉降值与掌子面距离明显成反比，当左右洞掌子面间距为0时，洞室拱顶沉降及仰拱上升位移明显相对于其它几种情况较大，而左右洞掌子面间距10，20，30 m时总体数值均相差不大，竖向收敛值也基本相同。所以，左右两侧掌子面距离变化对洞室本身的竖向位移影响很小。

2. 4. 3衬砌内力

表4、图7为Df分别为0，10，20，30 m时隧道衬砌内力的分析结果。由分析结果可知：两洞衬砌结构拉应力随着两洞掌子面距离的增大先减小后增大：当两洞掌子面距离为0时，衬砌结构所承受的拉应力高达3 121 kPa，已经超过了C30混凝土的抗拉强度设计值（1. 43 MPa）；在10 m间距和20 m间距情况下，拉应力减小了11 kPa，当距离＞20 m之后，衬砌的拉应力有所增大。在压应力方面：随着掌子面距离10～30 m变化，压应力不断减小，压应力的变化速率也在逐渐减小。从结构受力分析得出，在本文的工程情况下，左右洞掌子面距离选用15 m左右为宜。

表2　4种施工方案单、双洞地表沉降值　mm

图6　斜坡竖向位移云图（单位：mm）

表3　拱顶、仰拱位移对比

表4　衬砌结构应力值

图7　衬砌结构应力云图（单位：kPa）

3　结论

小间距浅埋公路隧道开挖后斜坡发生较大变化，产生明显垂直位移、水平位移。两线隧道掌子面开挖距离对围岩竖向变形及洞室的竖向收敛基本没有影响。开挖方法相同、开挖顺序不同对位移没有明显影响，根据地质条件宜采用台阶法、CD法或者二者组合。二次衬砌结构受力与掌子面距离成反比，通过综合分析小间距浅埋公路隧道开挖距离及各个因素的影响，开挖面相距15 m左右较为适宜，有利于小间距隧道安全稳定施工。

参考文献

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（责任审编孟庆伶）

Analysis on Construction Stability of a Highway Tunnel with Small Space Apart Passing Through Inclined Slopes

LIU Jinshan
（CCCC Tunnel Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

AbstractW ith rapid development of infrastructure construction in China，tunnel is an inevitable structure in newly built highway，especially in mid-west area. T unnel with small space apart is a favourable choice due to the limitation of topography. T he tunnel with small space apart was analysed through simulation using M IDAS NX. T he excavation sequence，construction method and two-line distance were studied. Corresponding suggestion was proposed.

Key wordsT unnel with small space apart；Inclined slope；Stability；Simulation analysis

中图分类号U455. 4

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 17

文章编号：1003-1995（2016）06-0062-04

收稿日期：2016-01-05；修回日期：2016-03-20

作者简介：刘金山（1975—），男，高级工程师，硕士。