浅埋松散堆积体下偏压隧道CD法开挖数值模拟分析

马炜 徐现启 刘文杰 邓才兵

摘要：浅埋松散堆积体下偏压隧道围岩具有松散、含水量高、无自稳能力、顶部覆盖层较浅的特点，所以保证施工过程中隧道支护结构及地表变形的稳定性具有重要意义。本文以宜昭高速公路B4段隧道为工程实例，通过采用ABAQUS有限元数值模拟软件精细仿真了富水薄层松散堆积体下偏压隧道CD法进洞的施工过程，评价“管棚+双层超前小导管+CD法”的进洞适应性，研究富水松散堆积体浅埋偏压隧道支护结构受力、变形特征及地表沉降、收敛变形规律，以便指导现场施工。

关键词：松散堆积体;偏压隧道;CD法;数值模拟

Abstract：The surrounding rock of bias tunnel under shallow buried and loose deposits has the characteristics of loose，high water content，no self-stabilizing ability，and shallow overburden at the top. So it is of great significance to ensure the stability of tunnel support structure and surface deformation during construction. In this paper，taking the B4 section tunnel of Yizhao Expressway as an engineering example，the construction process of the bias tunnel with CD method under the loose deposits with thin and water-rich layer was finely simulated by using the ABAQUS，which is a finite element numerical simulation software，and the adaptability of the tunnel with "pipe shack + double-layer advance small conduit +CD method" was evaluated. The stress and deformation characteristics of the support structure of shallow buried bias tunnel with water-rich and loose deposits，as well as the rules of surface settlement and convergence deformation are studied，so as to guide the site construction.

Key words：loose deposits;bias tunnel;CD method;the numerical simulation

1工程背景

拟建细沙隧道位于云南省昭通市境内，进洞口位于镇雄县杉树乡细沙村、出洞口位于彝良县龙海乡镇河村。拟建的隧道右洞起讫桩号LK1+702～LK4+044，长度2342m，總体大致走向353°，最大埋深约335m;隧道左洞起讫桩号为LZK1+714～LZK4+042，长度2328m，总体大致走向353°，最大埋深约330m。根据现场调查：隧道进洞段斜坡坡体主要为松散碎石土，渗透系数较大，且斜坡土岩界面较陡，道角河河流对斜坡坡脚的冲蚀作用将大大降低斜坡整体稳定性。同时，道角河在该段洪水水位较隧道设计高程略高，且碎石土透水性较好，易发生隧道涌水及坍塌等现象，其对隧道影响较大。隧道洞口段围岩除松散碎石土与稍密碎石土层外还包括强～中风化玄武岩、中风化泥质砂岩及断层破碎带，整体处于Ⅴ级围岩状态。

2三维有限元模型

2.1 数值模拟参数的确定

有限元数值模拟分析中，隧道围岩采用Mohr-Coulomb本构进行模拟，喷射混凝土、二次混凝土衬砌及钢支撑采用线弹性本构模拟。模型参数的确定结合现场地质勘察报告及《公路隧道设计细则》（JTG/T D70 - 2010）推荐数值确定。其中喷射混凝土采用C25混凝土，二次衬砌采用C30混凝土。具体参数如下表：

2.2 建立模型

为研究隧道CD法进洞施工过程中地表沉降和围岩及衬砌受力的变化规律，选取左线桩号为LK1702～LK1789穿越富水松散堆积体的区间段作为研究对象，依据工程资料建立双线隧道CD法施工三维有限元模型，见图1。数值模拟计算中，初期喷射混凝土、二次混凝土衬砌、碎石土、管棚注浆区等均采用三维实体单元，并赋予不同的材料参数，其中前两项采用重单元的方法进行模拟，管棚注浆区通过采用不同的场变量由原本碎石土的材料参数变更为灌浆加固后的参数。钢拱架、中隔壁均采用梁单元模拟;地基域X向（横向）、Y向（竖直向）均以隧洞中心点为起点分别向左、向右、向下延伸3倍洞径，隧道开挖方向长度为40m，模型横向长度为107m，竖向长度为42m。模型网格剖分主要采用扫略与映射相结合的方法，剖分后的网格主要以规则六面体单元为主，减少计算中力传递产生的应力集中现象。整个模型共划分单元519920个（包括开挖体、喷混、衬砌等重单元），单元节点462429个。模型围岩四周边界施加水平向约束;模型底部施加全约束;上部表面为自由表面。

2.3 计算步骤

计算分析过程中严格按照现场实际开挖顺序与支护顺序（见图2），即每侧按三部分台阶开挖，开挖同时施作初期支护、中隔壁，两侧先后距离相隔10m，每层台阶长度保持在2m，左右线开挖距离最少保持在20m，充分还原实际施工工序，有限元模型示意图如图3所示。

3计算结果

在围岩条件不变的情况下，建立开挖循环进尺为0.5m的有限元模型，按现场实际开挖工序设置分析步，只考虑承受重力荷载，不考虑水压力及温度变化，分析地表沉降、支护结构变形及受力的变化规律。为了研究CD法施工对偏压隧道地表变形及支护结构变形与受力的影响，选取左线单线开挖10m与左线开挖完成35m基础上右线开挖2m作为特征时刻，并将左右隧道轴线正上方与进洞截面的交点分别设为典型节点A和B，对地表竖向位移分布云图及典型节点的位移历时变化规律进行分析。

3.1 地表沉降

图4、图5分别为左线与右线的地表沉降云图，其中位移云图单位为m，y轴以地表垂直向上为正，因此负值即表示地表沉降值。根据分布云图可知，靠近开挖洞口周围地表沉降整体呈漏斗状分布，地表沉降较大值主要分布在隧道洞口顶部区域。由左线地表竖向位移云图可以看出距离开挖断面较远处出现波纹状局部隆起，主要是由于左线埋深较浅、上部碎石土松散度高且开挖前采取了管棚等加固措施所导致。从右线地表竖向位移云图可以看出右线拱顶沉降远大于左线，相差3.76cm，主要是由于顶部偏压所导致。

图6所示为地表典型节点竖向沉降历时曲线，施工开始阶段，各典型点的竖向位移较小，且均为正值（其中负值表示沉降，正值表示回弹），表明地表上的各典型节点位置均发生了回弹，此时所对应的施工步为变换场变量模拟超前灌浆的过程。隧道开挖过程中，地表典型节点B的变形表现为持续沉降，这是由于右线开挖初期的瞬间卸荷对土体产生了扰动，开挖完成时右线典型节点B的沉降值为39.5mm，而由于左线埋深较浅，在开挖右侧先行导坑Ⅳ之前节点A均处于回弹阶段，开挖完成是节点A的沉降值为2mm。分析结果表明，隧道开挖过程中会对地表变形产生影响，而隧洞埋深的影响十分显著，地表沉降较大值主要分布再隧洞顶部区域。

3.2 支护结构变形分析

图7、图8分别为左线与右线施工期喷混竖向位移分布云图，从图中可以看出喷混在围岩压力作用下拱顶产生沉降，拱底产生局部隆起，由于隧道顶部为松散堆积体薄层且左线埋深较浅（有限元模型左线最大埋深为3m），因此左线喷混拱顶沉降只有4.87mm。而右线喷混拱顶竖向位移明显大于左侧，且由于右线洞口段属于偏压，拱顶右侧（埋深较大一侧）竖向位移明显大于左侧位移，导致左部与右部产生变形差。

3.3 支护结构受力分析

图9、图10分别为左线与右线施工期喷混最大主应力分布云图，由云图可知施工期喷混拉应力大多分布在喷混拱底位置，主要是由于围岩压力的作用，表面径向收敛变形较大所致，最大拉应力出现在左侧拱底位置，左线施工期喷射混凝土拉应力最大值为0.94MPa，右线拉应力最大值为1.04MPa，主要是由于顶部偏压所导致。

4结论

（1）靠近开挖洞口地表沉降整体呈漏斗状分布，地表沉降较大值主要分布在隧道洞口顶部区域，距离隧道轴线越远施工扰动影响越小，沉降值越小。

（2）隧道不同埋深下的地表变形规律存在明显差异，由于左右线埋深相差较大，因此左右线地表沉降值也相差较大，因此建议在现场实际施工中优先考虑埋深较大线路的地表沉降值能否满足规范要求。

（3）支护结构变形受隧道埋深影响较大，埋深与拱顶沉降呈线性关系，且洞顶偏压会导致支护结构产生变形差。

（4）施工期由于围岩压力的作用，初期支护出现拉应力，最大拉应力出现在拱底左侧位置。

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基金项目：重庆市科学基金重点项目（035679）;2002年高等学校博士学科点专项科研项目（20020183061）。

作者简介：马炜（1985–），男，副高级工程师，研究方向为道路桥梁施工。