浅埋偏压连拱隧道施工开挖顺序研究

田敬军

(中铁十四局集团有限公司 山东济南 250000)

1 引 言

连拱隧道作为公路隧道重要的结构形式，具有线形流畅、占地面积少、空间利用率高等优点[1]，但连拱隧道主洞开挖跨度较大，开挖与支护相互交叉，诸多工序相互影响，围岩多次扰动以及临时支护与永久支护相互之间非同步施工等诸多原因，极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏现象[2]。

连拱隧道在施工过程中结构较为复杂，围岩受力体系多次转换，目前对其研究仍然存在一些不足[3]。软弱围岩浅埋偏压连拱隧道工程，一方面由于软弱围岩地质条件，造成隧道本身稳定性问题；另一方面由于连拱隧道地层的不均匀分布或不对称施工造成结构受力不对称，增加了隧道稳定性控制难度及工程施工的安全性。当前针对浅埋偏压连拱隧道开挖顺序仍在认识上存在一定差异。

本文基于小尖山连拱隧道，通过建立有限元模型，对“先浅后深”“先深后浅”两种开挖工法进行数值模拟分析对比，据此提出合理方案，为类似工程施工提供一定参考[4-5]。

2 工程概况及分析

2.1 工程概况

小尖山隧道位于昆明市呈贡区雨花社区，隧道小里程方向接黄马高速，大里程方向通昆明南站，线路走向为281°，隧道最大埋深约41 m，按连拱隧道设计，洞口采用端墙式洞门。隧道平面位置位于小官山一侧，距离山脚较近，隧道纵向全长为超浅埋偏压结构。隧址区左侧为呈贡新区路网，交通较为便利。

隧道区属昆明盆地边部剥蚀丘陵地貌，山坡鲜见基岩裸露，植被主要系人工造林，地面高程在2 000～2 050 m之间[6]。

2.2 施工分析

隧道受力方面，一般后行洞开挖会对先行洞已建成支护结构造成影响。两种开挖方式下受力情况见图1、图2。

图1 “先浅后深”开挖工序结构受力简图

图2 “先深后浅”开挖工序结构受力简图

3 有限元模型

3.1 模型构建

针对现场实际情况，本节基于中导洞-三台阶法，通过数值模拟开展浅埋偏压连拱隧道左、右主洞合理开挖顺序研究。

根据圣维南原理，为减小边界条件对模型的影响，水平方向隧道周边围岩至左右边界长度选取4.5倍跨径，竖直方向隧道周边围岩至下边界长度同样选取4.5倍跨径，隧道埋深一般以选取的地形为主。确定模型尺寸:隧道模型至左右边界取70 m，至底部距离取70 m，埋深为20 m，边坡倾角为20°。约束条件:地表为自由边界，左右边界受X轴方向位移约束，模型底部边界受到Y轴方向位移约束[7]，模型见图3。

图3 计算模型

3.2 计算参数取值

围岩及支护参数取值见表1。

表1 材料相关参数取值

4 计算结果及分析

4.1 围岩位移分析

(1)竖向位移

图4为方案一与方案二左右侧正洞拱顶沉降和底部仰拱隆起云图。隧道开挖完成后，方案一和方案二主洞拱顶沉降值最大分别为9.94 mm、10.09 mm，而底部仰拱隆起最大值分别为2.39 mm、2.08 mm。方案一最大沉降值出现在后行洞拱顶处，隆起最大值出现在后行洞底部仰拱；方案二最大沉降值出现在先行洞拱顶处，隆起最大值出现在先行洞底部仰拱[8-10]。

图4 围岩竖向位移

(2)水平位移

图5为方案一与方案二正洞水平收敛云图。随着开挖进行，断面开始收敛，采用方案一隧道开挖完成后，主洞最大水平位移为2.31 mm，出现在后行洞左、右拱脚处；方案二主洞最大水平位移为2.29 mm，出现在先行洞右拱脚处。

图5 围岩横向位移

由表2可知，“先浅后深”开挖方案围岩竖向变形比“先深后浅”开挖方案小，而水平变形比“先深后浅”开挖方案大。

表2 不同开挖顺序围岩位移

4.2 初支受力分析

两方案初支所受到的主拉应力和主压应力最大值见表3。

表3 不同开挖顺序初支应力

4.3 中隔墙受力分析

中隔墙在两方案下所受到的最大主应力、最小主应力和剪应力见表4。

表4 不同开挖顺序中隔墙应力

两方案开挖顺序，中隔墙局部均会出现拉应力，若拉应力超过安全值，其稳定性就会受到威胁。隧道开挖与支护完成后，由于存在围岩扰动影响、支护结构加载，方案一与方案二的主拉应力主要分布在中隔墙底部位置，偏压作用使主拉应力集中在浅埋一侧；主压应力主要分布在中隔墙拱腰内部，无论方案一与方案二，最大主压应力主要偏向先行洞一侧，而剪应力主要分布在中隔墙拱脚。

从隧道围岩位移变形情况、支护结构应力以及中隔墙应力情况进行分析，可以认为以中导洞-三台阶法“先浅后深”的方案比“先深后浅”的方案合理。先开挖浅埋侧主洞可以减小地形偏压带来的不利影响，有利于缓解隧道开挖过程中，中隔墙及其初期支护结构受力状态，有利于施工安全有序进行，但不能忽视左洞围岩支护[11-12]。

5 监控数据分析

5.1 应变分析

采用方案一施工，为保证工程安全有序进行，选取K0+790、K0+880两个断面作为监测断面，对监控断面进行二衬受力应变测量，再将监测数据和数值模拟结果进行对比分析。

两断面围岩等级均为Ⅴ级，岩性均为强风化灰岩。由于深埋侧初支受力较大，所以重点对右洞进行监测，监测结果见图6。

图6 后行洞(右洞)断面二衬应变

数值模拟最终结果如表5所示，提取断面K0+790、断面K0+880后行洞二衬各部位实际测量数据与模拟结果相对比，各部位数值相近，但是断面K0+790相较于断面K0+880所得到的曲线更加相似，表明采用方案一更能够保障施工安全，见图7。

表5 后行洞(右洞)二衬应变数值模拟结果

图7 后行洞两断面二衬应变对比曲线

5.2 中隔墙顶部压力分析

采用压力盒、应变计对中隔墙顶部应力进行采集监测。中隔墙顶部压力盒布置见图3，监测结果见图8。

图8 中隔墙顶部压力变化曲线

断面K0+790实测数值相较于断面K0+880不稳定，主要是由于中隔墙上部地形高差较大，导致围岩受到不均匀压力，而且边坡土体的不稳定性导致土体产生水平方向推力，因此断面K0+790的T2曲线出现近似线性向上[13-14]。

6 结论

本文以小尖山连拱隧道为依托工程，采用实际监测和数值模拟等方法，探讨两种不同开挖方案下围岩变形、初支应力和中隔墙应力变化规律，分析可知:

(1)从围岩位移角度分析，“先浅后深”开挖方案拱顶沉降变形比“先深后浅”开挖方案小，“先浅后深”开挖方案的底部隆起值与水平位移值均比“先深后浅”开挖方案大。在公路隧道对拱顶沉降量控制较为严格，考虑到“先浅后深”开挖方案拱顶沉降值较小，推荐采用“先浅后深”开挖方案。

(2)从初支受力角度分析，“先浅后深”开挖方案与“先深后浅”开挖方案的初支主压应力均较小，小于混凝土极限承载力。“先浅后深”开挖方案在拱顶与底部位置处的初支主拉应力比“先深后浅”开挖方案大，但均处于混凝土极限抗拉强度范围内，主拉应力仅在局部小范围内出现较大应力，对结构影响不大。

(3)从中隔墙受力角度分析，“先浅后深”开挖方案主拉应力值比“先深后浅”开挖方案稍大，远小于混凝土极限抗压强度值；“先浅后深”开挖方案的主拉应力值比“先深后浅”开挖方案稍大，但均小于混凝土极限抗拉强度值。“先浅后深”开挖方案剪应力值比“先深后浅”开挖方案剪应力值小，考虑到中隔墙通常发生剪切破坏，推荐采用“先浅后深”开挖方案。

(4)根据实际监测得到的位移数据和应力数据与数值模拟结果的对比分析，可知以中导洞-三台阶法的“先浅后深”开挖安全、可行，并能满足浅埋偏压连拱隧道的施工安全。