偏压多孔小净距隧道拱顶竖向位移规律计算分析

张 帆

(福建省交通规划设计院有限公司，福建 福州 350004)

随着交通建设的快速发展，受线形及工程地质条件的限制，小净距隧道位于浅埋偏压等复杂地形、地层的情况日益增多。由于偏压地形会产生不平衡推力，若设计和施工中未采取可靠的工程措施，偏压地形将会导致隧道初支破坏，甚至引起滑坡等灾害，给工程施工工期、施工风险控制带来不利影响。因此，有必要对浅埋偏压隧道的安全建设进行研究。

为掌握浅埋偏压段小净距隧道开挖期间围岩变化、结构安全等情况，国内外学者对不同地质、地形条件下，浅埋偏压隧道的受力、变形等进行了研究[1-6]。但上述研究一般都针对双孔小净距隧道偏压条件下的围岩变形和安全，对偏压条件下多孔小净距隧道的施工围岩稳定和安全方面的研究相对较少。本文依托南安市酧岭隧道，利用有限元软件，对城市多孔小净距隧道洞口段浅埋偏压条件下，施工期间的隧道拱顶竖向位移规律进行计算研究，可为今后类似工程建设提供借鉴。

1 工程概况

为确保隧道洞口偏压段开挖期间的稳定，主洞隧道采用双侧壁导坑法开挖，辅洞隧道采用中隔壁法开挖，并采用注浆小导管进行中夹岩加固。主辅洞施工顺序为：右侧辅洞→右侧主洞→左侧辅洞→左侧主洞，开挖支护顺序施工步如图1所示。

图1 计算断面施工工序

2 建立数值分析模型

2.1 计算模型

由于所选计算断面围岩等级为Ⅴ级，其中主洞埋深大于其荷载等效高度，辅洞埋深小于其荷载等效高度。因此，基于地层-结构法进行隧道施工过程计算分析(围岩及支护变形计算及主洞初期支护强度验算)，基于荷载-结构法进行隧道支护结构计算分析(辅洞初期支护强度验算)。

2.1.1 地层-结构法

根据依托工程实际情况，采用MidasGTS软件基于二维弹塑性有限元方法，将围岩变形等简化为平面应变问题，按地层-结构法对选取洞口段的浅埋偏压断面进行计算。计算分析中进行如下假定：①仅考虑自重应力场；②不考虑超前支护；③开挖后立即施作初期支护，不考虑二次衬砌。④隧道开挖过程中荷载释放系数根据《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)，按如下原则设定，对于Ⅴ级围岩，当前围岩开挖荷载释放系数为20%，初期支护施作后荷载释放系数为60%，由于计算模型中不考虑二次衬砌，在隧道全部完成后设置虚步，释放剩余20%。

围岩本构关系采用基于莫尔-库伦屈服准则的理想弹塑性本构关系，围岩采用四边形及三角形单元进行模拟；支护结构采用线弹性本构关系，喷射混凝土采用梁单元进行模拟，系统锚杆及中夹岩加固区仅考虑将相应地层的粘聚力c、内摩擦角φ值提高20%，其余参数不变。选取计算断面如图2所示，建立模型如图3所示。

图3 模型网格划分

2.1.2 荷载-结构法

临床的药品管理工作是护理管理中不可缺少的组成部分，[4]药品的管理工作的优劣直接影响药品的质量及患者的安全。积极的采用“6S”管理的制度来进行优化的药品管理，不仅节省了心血管内科护士的护理人力支援，也加强完善了本科室的药品管理的相关规章制度，很好的强化了护士管理药品的规章制度。精简了药品的种类和数量，规范了药品摆放位置，统一了醒目的标识，保证了药品管理和使用安全，提高了护士工作效率。而且提升了护理工作质量。护士既是临床药品的保管者也是药品使用的直接责任者。[5]努力按要求做好药品管理应是护士基本职责。

根据平面弹性有限元原理，将初期支护离散为由梁单元组成的平面杆系，围岩对初期支护的约束作用采用只受压不受拉的弹簧单元进行模拟，且初期支护荷载结构法计算时不考虑临时支护的作用。建立辅洞初期支护强度验算模型，如图4所示。

图4 辅洞初支强度验算模型

2.2 计算参数

根据工程地质勘察报告，计算断面围岩物理力学参数取值见表1。

表1 围岩物理力学参数

根据工程设计资料，计算断面初期支护参数见表2，结构材料物理力学参数见表3。

表2 初期支护和临时支护参数

表3 初期支护和临时支护物理力学参数

2.3 辅洞初期支护荷载计算

根据《公路隧道设计细则》相关规定，辅洞初支结构采用综合安全系数法进行结构强度校核；荷载组合主要考虑永久荷载(结构自重、围岩松散压力、混凝土收缩和徐变的影响)、偶然荷载(地震荷载)。

其中，结构自重根据表2和表3中拟定的辅洞初期支护结构厚度、计算宽度以及结构材料重度等参数计算；辅洞围岩松散压力根据《公路隧道设计细则》和《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1-2018)中的浅埋偏压小净距隧道的围岩压力计算方法计算；混凝土收缩和徐变的影响根据规定，在计算中按结构整体降温15 ℃考虑；由于隧址区地震动峰值加速度为0.05g，抗震设防烈度为6度，不考虑地震荷载。

3 计算结果分析

3.1 地表横坡对隧道拱顶竖向位移的影响分析

根据工程实际，选取计算断面的地表为双向坡度，其中左侧主洞和辅洞地表横坡为30°，右侧主洞和辅洞地表横坡为20°。为探明在浅埋条件下，地表偏压程度对隧道围岩竖向变形的影响，以选取计算断面为基础，保持右侧地面横坡不变，通过建立左侧地表横坡为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°和35°的数值模型，计算得到各工况条件下隧道开挖初期支护完成后的拱顶竖向位移(如图5所示)，隧道拱顶竖向位移随地表横坡的变化曲线(如图6所示)，30°工况条件下主辅洞初期支护结构安全系数(见表4)。可以看出：

表4 隧道典型部位结构安全系数

图5 不同横坡隧道开挖完成后拱顶竖向位移云图

图6 隧道拱顶竖向位移随横坡变化曲线

(1)按设计支护参数和开挖工法施工，横坡30°工况下主洞中左侧主洞的拱顶沉降最大，为16.6 cm，辅洞中左侧辅洞顶沉降最大，为3.0 cm；在施工阶段，主、辅洞典型部位的初期支护安全系数均大于1.53，均满足规范要求。说明实际工况条件下采用的支护参数和开挖工法安全可靠，设计主辅洞的预留变形量25 cm和10 cm满足要求。

(2)在右侧地表横坡不变的情况下，当横坡小于15°时，左侧主、辅洞拱顶沉降随横坡的增大而减小；当坡度大于15°后，左侧主、辅洞拱顶沉降随横坡的增大而增大，且横坡超过25°后，增幅比较明显，横坡为35°时的拱顶沉降增幅达175%。而随着左侧地表横坡的增加，右侧主洞的拱顶沉降均呈现增大的趋势。

说明对于浅埋隧道而言，在如计算断面的地形条件下，当地面横坡小于15°时，隧道拱顶沉降变形主要受拱顶竖向荷载影响；当地面横坡大于15°时，隧道拱顶沉降受地表横坡的影响更明显。同时在隧道设计时应尽量避免隧道地形偏压超过25°，当地形偏压超过25°时，应根据计算加强支护设计，严格控制隧道围岩变形。

(3)对比主、辅洞拱顶位移可以看出，尤其是右侧辅洞，在偏压条件下，隧道初支施工完成后，拱顶并未发生沉降，反而出现了一定程度的上拱，与主洞隧道开挖拱顶变形存在差异。主要是因为在偏压地形下，随着主洞隧道的开挖引起围岩出现应力重分布，加之辅洞上方覆土较小，导致辅洞上方围岩向临空面发生侧向挤出变形，施工中应加强地表变形监测，并需采取相应的工程控制措施，防止地表出现较大的隆起。

3.2 偏压条件下主辅洞之间的相互影响分析

3.2.1 主洞开挖对辅洞拱顶竖向位移的影响

在主辅洞均开挖的基础上，建立了相同横坡条件下只开挖辅洞的计算模型，各工况下辅洞拱顶竖向位移及变化幅度见表5。其中变化量为只开挖辅洞时与主辅洞均开挖时辅洞拱顶竖向位移的差值，正值表示位移增大，负值表示位移减小，下同。可以看出：

表5 不同工况下辅洞拱顶竖向位移及变化幅度 cm

(1)在只开挖辅洞的情况下，左右辅洞拱顶均发生沉降，且左侧辅洞拱顶沉降大于右侧辅洞拱顶沉降。在左侧地表横坡小于25°时，左侧辅洞的拱顶沉降随横坡的增大而减小，当横坡大于25°时，左侧辅洞的拱顶沉降随横坡的增大而增大；而随着左侧地表横坡的增大，右侧辅洞的拱顶沉降均呈现增大的趋势。

(2)在主辅洞均开挖且地表横坡不大于30°时，左右辅洞的拱顶沉降均小于只开挖辅洞时的拱顶沉降，且右侧辅洞洞顶随主洞开挖出现了拱顶上拱。从横坡30°时两种工况位移变形矢量也可看出，在主辅洞均开挖的情况下，右侧辅洞拱顶上方出现了明显的隆起，说明在偏压多孔小净距隧道开挖时，对于围岩覆盖层较薄的位置，随着相邻隧道的开挖，应力出现重分布，坡体出现侧向位移。

3.2.2 辅洞开挖对主洞拱顶竖向位移的影响

在主辅洞均开挖的基础上，建立了相同横坡条件下只开挖主洞的计算模型，各工况下主洞拱顶位移及变化幅度见表6。可以看出：

表6 不同工况下主洞拱顶竖向位移及变化量 cm

(1)在右侧地表横坡不变的情况下，无论辅洞是否开挖，各横坡条件下主洞拱顶均发生了沉降，且拱顶位移变化规律基本相同，均随左侧地表横坡的增大而增大，但左侧主洞拱顶沉降在地表横坡超过25°后变化更明显。

(2)与只开挖主洞的工况相比，主辅洞均开挖工况下主洞的拱顶竖向位移更大。其中，随着左侧横坡的变化，右侧辅洞开挖引起右侧主洞拱顶沉降增幅一般在2%～3%之间，在横坡35°时的增幅为6.29%，说明在左侧地表横坡变化下，右侧辅洞开挖对右侧主洞拱顶位移影响较小；左侧主洞拱顶沉降增幅在横坡小于15°时较小，一般在2%～3%之间，当横坡大于15°后，增幅比较明显，横坡为35°时拱顶竖向位移增幅达32.14%，说明随着地表横坡的增大，左侧辅洞的开挖对左侧主洞的影响增大。

3.2.3 主辅洞开挖顺序对主洞拱顶竖向位移的影响

上述分析工况均采用先开挖山体外侧的辅洞隧道、后开挖内侧的主洞隧道，为进一步分析多孔小净距隧道在浅埋偏压条件的拱顶竖向位移规律，建立了相同横坡条件下先开挖主洞后开挖辅洞的计算模型，各工况下主洞拱顶位移及变化幅度见表7。可以看出：

表7 不同工况下主洞拱顶竖向位移及变化量 cm

(1)在右侧地表横坡不变的情况下，无论先开挖辅洞还是主洞，各横坡条件下主洞拱顶均发生了沉降；且拱顶位移变化规律基本相同，均随左侧地表横坡的增大而增大，但左侧主洞拱顶沉降在地表横坡超过25°后变化更明显。

(2)与先开挖辅洞的工况相比，先开挖主洞工况下主洞的拱顶竖向位移更大。其中，随着左侧横坡的变化，右侧主洞拱顶沉降增量均小于3.0 cm，增幅在15%左右，说明在计算工况条件下，右侧辅洞后开挖对主洞拱顶竖向位移的影响较小；而对左侧主洞而言，当地表横坡小于25°时，左侧辅洞后开挖对主洞拱顶竖向位移的影响也较小，增幅在15%左右，但当横坡大于25°时，左侧辅洞后开挖对主洞拱顶竖向位移影响明显，当横坡为35°时，增幅达33%。说明在地表横坡大于25°时，对于偏压小净距隧道应首先考虑开挖外侧洞室，并要控制相邻两个洞室掌子面的间距，尽量减小后行洞开挖对先行洞围岩变形的影响。

4 结论

(1)当主洞隧道采用双侧壁导坑法开挖，辅洞隧道采用中隔壁法开挖时，根据设计的初期支护参数，主洞最大拱顶沉降量为16.6 cm，辅洞最大顶沉降量为3.0 cm；主、辅洞典型部位的初期支护安全系数均大于1.53，均满足规范要求，说明实际工况条件下采用的支护参数和开挖工法安全可靠，设计主辅洞的预留变形量25 cm和10 cm满足要求。

(2)在右侧地表横坡不变的情况下，当左侧横坡变化时左侧主、辅洞拱顶沉降随横坡坡度的增大先后呈现减小-增大-明显增大变化趋势，这表明隧道拱顶沉降变形先后受拱顶竖向荷载和地表横坡的影响更明显。当地形偏压超过25°时，应加强支护、严格控制隧道围岩变形。

(3)对于多孔小净距隧道，在不同地表横坡条件下，辅洞先挖对主洞拱顶竖向位移的影响均小于辅洞后挖对主洞拱顶竖向位移的影响；在地表横坡大于25°时，对于偏压小净距隧道应首先考虑开挖外侧洞室且断面较小的隧道，控制好相邻两个洞室掌子面的间距，尽量减小后行洞开挖对先行洞围岩变形的影响。