不同开挖顺序对大偏压小净距隧道安全性影响

2021-06-07王明明孟相昆

湖南城市学院学报（自然科学版） 2021年3期

邓俊，刘科，王明明，孟相昆

(中国建筑第五工程局有限公司，长沙 410000)

在山区或者城区修建公路隧道，往往受地形条件、线路选型、走向等条件限制，在长隧道洞口段或者短隧道会采取小净距隧道形式，且遇到越来越多的大偏压小净距隧道.在我国西南部山区，修公路时往往会遇到自然坡度30°～60°的严重偏压地形，与常规小净距隧道相比，大偏压小净距隧道施工引起的围岩扰动更大，极易引起围岩发生失稳破坏，施工风险更高.对于大偏压小净距隧道，由于两侧围岩埋深相差较大，存在严重的偏压效应，不同的深浅埋施工顺序对隧道施工时围岩稳定性影响较大[1-7].因此，确定不同施工顺序对大偏压小净距隧道施工安全性的影响至关重要.本文依托某大偏压小净距隧道工程，基于有限元强度折减法，研究不同偏压角度及开挖顺序对隧道开挖安全性与围岩破坏模式的影响.

1 工程概况

某隧道为我国西南部山区高速公路双向4车道小净距隧道，最小净距为7.5 m，隧道长度为260 m，开挖高度为10.54 m，单洞开挖宽度为13.61 m，采用0.5 m厚C30钢筋混凝土二次衬砌，初期支护为：0.26 m厚C25喷射混凝土，直径25 mm中空注浆锚杆，长度4.5 m，I20a钢拱架，间距0.5 m，具体支护断面如图1所示.

图1 小净距隧道支护断面

隧道所处围岩等级为IV级，地面横向偏压角度为40°，左洞较右洞埋深浅，存在明显的地形偏压，左侧隧道拱肩覆土最小厚度为10 m，右侧隧道拱肩覆土厚度为38 m.现场隧道施工采用上下台阶法，由于双洞覆土厚度相差较大，存在较大偏压效应，确定好2洞的施工先后顺序对隧道施工稳定性控制至关重要.

2 有限元模型建立

本文基于Abaqus建立二维数值分析模型，如图2所示，模型宽度为100 m，高度为100 m，围岩选取选取CPE4R单元模拟，共划分3.57万个单元，定义模型的上边界为自由边界，对模型左右边界单元节点的水平位移进行约束，同时对模型底部单元节点的竖向位移进行约束.

图2 小净距隧道有限元计算模型

为分析不同开挖顺序及地形偏压程度对隧道开挖稳定性的影响，基于强度折减法理论，将有限元与强度折减法相结合的方法应用于隧道稳定性分析，并对围岩抗剪强度参数进行折减，得到隧道极限状态下的安全系数，以此对隧道施工稳定性进行安全评价[8-9].在强度折减法求解过程中，本文以拱顶下沉发生突变作为失稳依据[10].

其中，0c为围岩初始粘聚力；cF为围岩极限状态下的粘聚力；0φ为围岩初始内摩擦角；Fφ为围岩极限状态下的内摩擦角；K为围岩安全系数.

围岩材料初始参数见表1[11].

表1 围岩材料初始参数

工况设计主要考虑施工顺序与偏压角度变化这2个因素对隧道围岩稳定性的影响，见表2.

表2 工况设计

3 隧道开挖安全性结果分析

本文在强度折减法求解过程中以拱顶下沉发生突变作为隧道失稳依据，将拱顶沉降的突变点用竖向小线段标出，得到不同开挖顺序下突变点的围岩安全系数与拱顶沉降值见图3和图4.

由图3和图4可知，偏压角度变化对隧道开挖整体安全系数影响较大，且在不同施工顺序下隧道整体安全系数差异较大.当偏压角度在30°～40°之间增大时，隧道围岩整体安全系数减小最为明显；先开挖深埋洞时隧道整体安全系数明显低于先开挖浅埋洞时，先开挖浅埋洞的拱顶沉降明显小于先开挖深埋洞.因此，对于大偏压小净距隧道施工时应选择先开挖浅埋洞，再施工深埋洞.

图3 不同开挖顺序下的拱顶沉降

图4 不同偏压角度下的围岩安全系数与拱顶沉降

为了进一步分析不同偏压角度及开挖顺序对隧道安全性的影响，分别提取先开挖浅埋洞、先开挖深埋洞及2洞同时开挖时不同偏压角度下小净距隧道围岩极限状态时塑性区分布，见图5.

基于隧道围岩塑性区分布特征，将隧道围岩的潜在破裂面形态汇总，见图6.通过塑性应变的大小及塑性区是否贯通来区分主要与次要破坏区(实线为主要破坏区，虚线为次要破坏区).

由图5和图6可知，先开挖浅埋洞或先开挖深埋洞时，会引起隧道浅埋侧产生竖向剪切裂缝，并贯穿至地表.随着偏压角度的增大，竖向剪切破裂面发生大幅度偏转，当偏压角度＞45°后，浅埋侧拱脚处产生较大的滑裂缝，并贯通到外侧地表.双洞同时开挖时，在不同偏压角度下剪切破裂缝主要分布于中夹岩柱区域，破裂面呈现“X”型分布，中夹岩柱最易发生破坏，施工时应注意对中夹岩柱进行保护，同时加强位移监测.