基于数值模拟的偏压隧道开挖顺序的研究

窦斌强

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030006)

0 前 言

近些年来，我国的交通事业取得了令世人瞩目的发展，隧道作为公路的重要组成部分，不仅隧道建设数量与日俱增，隧道拟建位置的地质条件也日益复杂，黄土地区的偏压进洞的工况也越来越常见。目前，偏压隧道在设计进洞方式大多依然采用“从外到内”进行，即将偏向山体外侧的隧道作为先行洞施工，待先行洞施工完成，再开挖向内一侧的隧道。在开挖内侧隧洞时，大多设计方案依然遵循“从外到内”的原则，然而由于存在偏压因素的影响，此类开挖工法仍然存在一定的问题，从而导致了隧道洞口段山体滑坡、开裂及坍塌等安全事故。因此，仍需要进一步研究在偏压工况下的隧道合理的开挖步序，从而对此类工况下的隧道设计有实际的指导意义。

1 工程概况

山西省吕梁市某煤业集团运煤专线项目东江隧道设计速度80 km/h，建筑限界为10.25 m×5.00 m(0.75+0.5+3.75+3.75+0.75+0.75 m)，两洞相距7 m，隧道位于黄土丘陵区，地形沟壑纵横，隧道进口右侧存在沟谷，左侧隧洞顶部土层厚度为12 m，右侧隧洞顶部土层厚度为4 m，上部土体易发生滑动从而威胁隧道稳定性。

图1 隧道地形示意图

针对该隧道特殊的偏压地形，首先将隧道右侧沟谷回填至沟底标高与隧道顶部持平，即回填高度为3 m，然后开始隧道开挖施工。将隧洞1作为先行洞，施工方法为三台阶预留核心土；将隧洞2作为后行洞，待先行洞施工完成后，后行洞方可进行开挖施工，后行洞采用单侧导洞开挖方法，剩余部分用两台阶工法进行开挖。在后行洞的开挖顺序上提出了两种方案，方案一为按照“从外到内”进行施工，即将侧导洞置于向外一侧，方案二则将侧导洞置于向内一侧。

2 数值模拟分析

2.1 建立模型与参数选取

据工程具体情况，将洞身围岩简化为均质新黄土，依据圣维南原理，结合地形地貌，模型边界设置宽度为160 m，，下边界为深度30 m，建立数值模型如图2所示，模型共102 512个单元，107 272个节点。模拟过程中假定材料为均质，连续且各向同性的；围岩符合摩尔库伦本构关系；围岩的初始应力只考虑自重应力。锚杆的设置依据工程实际进行布设，初期支护采用有限差分软件内置的shell结构单元，锚杆采用cable锚杆单元进行模拟。图3为先行洞开挖示意图，图4为后行洞开挖示意图。

图2 数值模型示意图

图3 先行洞开挖示意图

图4 后行洞(方案2)开挖示意图

结合现场的工程数据，考虑到隧道地区的材料特性，材料的具体参数选取见表1。

表1 材料参数选取表

2.2 数值模拟结果分析

(1)竖向位移

图5 方案1竖向位移云图

图6 方案2竖向位移云图

两方案先行洞竖向位移大小与位置基本一致，位移均主要集中于两侧拱肩与仰拱处，拱肩位移均为左侧下沉右侧上移，方案2中的位移数值略大于方案1。方案1中，先行洞拱肩位移主要集中于隧洞上方较小范围内，洞顶其他位置竖向位移较小；方案2中，先行洞左侧拱肩位移较大，且沿山坡一定范围内均有微小位移。

两方案后行洞由于施工顺序不同，竖向位移分布差别较大，主要体现在：方案1中，由于优先对隧道右侧进行开挖，较好的保护了中部围岩，几乎没有发生竖向位移，对隧道剩余部分开挖后，竖向位移主要集中于隧洞顶部一定范围，对山体扰动较少；方案2中，由于侧导洞位于隧道右侧，在依次对侧导洞与隧洞剩余部分开挖后，两洞中部围岩产生了一定竖向位移。且洞顶竖向位移分布于洞顶偏左侧一定范围内，对于山体有可能产生扰动。

(2)水平位移

图7 方案1水平位移位移云图

图8 方案2水平位移位移云图

两方案先行洞水平位移分布基本一致，位移均主要集中于两侧拱肩与右侧仰拱处，隧洞上部整体向右移动。方案1中的水平位移无论其分布范围及数值大小均小于方案2。

两方案后行洞水平位移分布与数值差别较大，主要体现在：方案1中，由于优先对隧道右侧进行开挖，较好的保护了中部围岩，其发生了轻微的向右的水平位移，且对先行洞影响较小，对隧道剩余部分开挖后，后行洞水平位移较小，对山体扰动较少；方案2中，由于侧导洞位于隧道右侧，在依次对侧导洞与隧洞剩余部分开挖后，两洞中部围岩产生了明显水平位移。且洞顶存在向右位移的趋势，隧洞其他位置两洞基本一致。

(3)数值模拟结果分析

从两方案竖向与水平位移云图中可知，两种方案隧道位移都受到山体地应力分布的影响，在先行洞开挖完成后，其主要位移必然会地应力保持一定的一致性，这与位移云图分析一致。然而由于两方案隧洞2的侧导洞位置不同，隧洞2的位移分布存在较大差距。在方案1开挖过程中，由于侧导洞位于隧道右侧，隧道开挖整体上依照从外到内的原则开挖，围岩释放的应力主要由未开挖部分及侧导洞衬砌承担，所以后续开挖对已完成施工的结构扰动较小，这也是方案一中先行洞位移基本不受隧洞2开挖影响以及隧道2的位移主要集中在侧导洞左侧部分的原因。

在方案2开挖过程中，先行洞开挖完成后，开始对位于隧洞2左侧的侧导洞进行开挖，由位移云图中可以得出，侧导洞左侧产生了较小的水平与竖向位移，说明围岩压力主要由侧导洞衬砌承担，而后开始采用两台阶工法开挖隧洞2剩余部分，侧导洞左侧围岩由于导洞开挖已实现局部稳定(从云图中可以看出此时隧洞2位移值小于方案1的情况)，此时围岩压力主要来自隧洞2顶部，从位移云图中可以得出，此时隧洞2顶部及其右侧部分都存在较大的位移，说明在隧洞2剩余部分开挖支护后的围岩应重分布的过程中，由于衬砌支护的存在，导致隧洞2顶部一定区域内的围岩产生较大的向右下的位移，最终导致方案2中隧洞1左侧拱肩产生较大的位移。

3 结 论

(1)侧导洞在隧洞2右侧时，对先行洞干扰较少，较好的保护了隧洞顶部右侧围岩的稳定性，同时保证了隧道中部围岩的稳定性。侧导洞在隧洞2左侧时，隧道后续施工对山体内部扰动较少，围岩位移主要产生在隧洞2右侧及隧洞1左侧部分。

(2)总体而言，应注意隧道先行洞拱肩、后行洞拱顶处的施工及支护，对山体内侧的支护参数应适当加强。

(3)综合上述分析，当偏压隧道顶部围岩厚度较小时或山体存在较大的滑动趋势时，推荐方案2作为施工方案，且应对向外一侧隧洞的衬砌适当加强，并应采取措施保证隧道中部围岩的稳定性；当偏压隧道顶部围岩厚度较大时或山体稳定性较高时，推荐方案1作为施工方案，且适当加强隧道最后开挖部分的衬砌。

(4)在本项目中，由于隧洞2顶部土层厚度为12 m，其产生的围岩压力较大，故推荐方案1作为施工方案。