楊燕偉，李 磊，孔海峽，陳光榮

(中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710032)

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，山區(qū)將修建更多的隧道，部分洞段經(jīng)常出現(xiàn)淺埋偏壓軟弱圍巖，由于圍巖壓力呈明顯不對稱性、不均勻性，從而使支護受偏壓荷載，施工中稍有不慎將出現(xiàn)塌方的嚴重事故。因此，提出合理的隧道淺埋偏壓段下穿方案，對施工過程研究就十分重要。佘健等[1]運用大型有限元軟件ANSYS對軟弱圍巖段隧道施工過程進行了三維數(shù)值模擬計算，得出了圍巖位移的變化規(guī)律;楊小禮等[2]采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，對淺埋小凈距雙洞六車道偏壓公路隧道在不同開挖順序下進行施工力學(xué)數(shù)值模擬，分析不同開挖順序時的圍巖位移、應(yīng)力、地表位移以及塑性區(qū)的變化，并進行了比較;王明年等[3-4]通過模型試驗對軟弱圍巖下3孔小凈距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術(shù)和施工力學(xué)進行研究，對不同的圍巖預(yù)加固強度和施工進尺進行了評價。然而，針對三臺階七步開挖法施工的大斷面黃土隧道Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段施工過程的研究并不多見。因此，以大西鐵路客運專線2標段內(nèi)的磨盤山隧道進口淺埋偏壓段為工程依托，在室內(nèi)試驗獲取土力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬研究黃土隧道淺埋偏壓段Ⅴ級圍巖在不同施工階段的受力狀況。

1 工程概況

大西鐵路客運專線磨盤山隧道進口里程DK211+605～DK211+625處沖溝溝底坡度約為40°，沖溝走向與隧道軸線基本垂直，該沖溝溝底地形左高右低，沖溝右側(cè)溝底基本與隧道開挖線相切，地形引起的隧道偏壓嚴重。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，工程深度范圍內(nèi)土層自上而下為:

(1)新黃土(Q3dl+pl):黃褐色，堅硬～硬塑;

(2)老黃土(Q2pl):淺棕紅色，硬塑～軟塑，土體緊密，含鈣質(zhì)結(jié)核層。

該段施工采用三臺階七步開挖法施工，開挖進尺為1榀鋼拱架(0.6 m)，仰拱距離掌子面距離為30 m。地表采取填土反壓措施，以緩解地形原因造成的偏壓，洞內(nèi)施加φ108 mm大管棚超前支護，下穿施工方案示意見圖1。

圖1 下穿施工方案

2 計算模型的建立

2.1 計算模型基本假定

為了研究隧道開挖所造成的位移和應(yīng)力狀態(tài)，以下述假定為前提:

(1)圍巖為均質(zhì)的各向同性的連續(xù)介質(zhì);

(2)沖溝段屬淺埋狀態(tài)，只考慮自重造成的初始應(yīng)力場;

(3)管棚超前支護采用梁單元來模擬;

(4)二次襯砌作為長期安全性儲備，計算時不予考慮。

2.2 計算模型和參數(shù)

(1)計算范圍:根據(jù)圣維南定理，考慮到尺寸效應(yīng)引起的計算誤差，隧道中心線兩側(cè)取3.5倍洞徑，下邊界為3倍洞徑，上邊界到地表。計算模型如圖2所示。

(2)邊界條件:除上表面為自由邊界外，其余邊界為位移約束邊界條件。

(3)本構(gòu)模型:摩爾－庫倫模型。

(4)材料參數(shù):按剛度等效的原則，將鋼拱架的彈性模量折算到噴射混凝土。圍巖力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)試驗獲得[5]。圍巖和支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

圖2 數(shù)值模擬計算模型

表1 圍巖和支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 計算結(jié)果

計算分兩步進行，分別模擬重力場和隧道開挖。通過對磨盤山隧道沖溝淺埋偏壓段施工過程的模擬計算，分析了隧道施工過程中的力學(xué)特性，主要結(jié)論如下。

3.1 位移分析

(1)由圖3～圖8可以看出，弧形導(dǎo)坑開挖引起的拱頂下沉最大值為4.34 mm，中臺階開挖完畢后拱頂下沉最大值達到17.54 mm，下臺階開挖完畢后拱頂下沉最大值21.88 mm;隧道位移釋放主要發(fā)生在隧道中臺階開挖過程，弧形導(dǎo)坑開挖對拱頂下沉影響不大，埋深相對較大的右側(cè)拱頂下沉比埋深較小的左側(cè)拱頂下沉大。

圖3 弧形導(dǎo)坑開挖后拱頂沉降

圖4 左中臺階開挖后拱頂沉降

圖5 右中臺階開挖后拱頂沉降

(2)由圖9～圖14可以看出，弧形導(dǎo)坑開挖完畢后，拱頂附近水平位移最大值為3.08 mm，中臺階開挖后，拱頂附近水平位移最大值為9.24 mm，下臺階開挖后水平位移最大值為10.94 mm;水平收斂主要是發(fā)生在中臺階開挖以后，由于隧道左右水平構(gòu)造應(yīng)力不等，埋深相對較大的左側(cè)的收斂值比右側(cè)收斂值小。

(3)對于單孔開挖隧道，地表最大沉降值一般出現(xiàn)在隧道豎直軸線處。由于磨盤山隧道沖溝段存在較大偏壓情況，地表最大沉降值出現(xiàn)在隧道的右側(cè)。從圖15中可以看出，隧道開挖引起地表沉降在1倍洞徑范圍內(nèi)較大，1倍洞徑外較小。

圖6 左下臺階開挖后拱頂沉降

圖7 右下臺階開挖后拱頂沉降

圖8 仰拱開挖后拱頂沉降

圖9 右下臺階開挖后水平位移

圖10 仰拱開挖后水平位移

圖11 右下臺階開挖后水平位移

圖12 仰拱開挖后水平位移

圖13 右下臺階開挖后水平位移

圖14 仰拱開挖后水平位移

圖15 地表處橫向各點沉降曲線

3.2 應(yīng)力分析

在FLAC3D中，應(yīng)力符號規(guī)定的是“拉為正，壓為負”。由圖16～圖21可知，弧形導(dǎo)坑開挖完畢隧道頂部即出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，并隨施工過程拉應(yīng)力緩慢增加，由于黃土土體抗拉能力弱，因此，頂部是易發(fā)生塌方的部位，施工中應(yīng)及時施作初期支護。仰拱開挖，初期支護閉合后，拉應(yīng)力區(qū)消失。

隨著各臺階分部的開挖，隧道預(yù)留核心土和仰拱底部都出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)力區(qū)，這顯然是由于隧道開挖卸荷引起的。

4 結(jié)論

應(yīng)用FLAC3D軟件對磨盤山隧道沖溝淺埋偏壓段進行了數(shù)值模擬，分析了該沖溝段隧道圍巖在不同施工階段的應(yīng)力場、位移場，得出如下結(jié)論。

圖16 弧形導(dǎo)坑開挖后豎向應(yīng)力

圖17 左中臺階開挖后豎向應(yīng)力

圖18 右中臺階開挖后豎向應(yīng)力

圖19 左下臺階開挖后豎向應(yīng)力

圖20 右下臺階開挖后豎向應(yīng)力

圖21 仰拱開挖后豎向應(yīng)力

(1)隧道位移釋放主要發(fā)生在隧道中臺階開挖過程，弧形導(dǎo)坑開挖對拱頂下沉影響不大。埋深相對較大的右側(cè)拱頂下沉比埋深較小的左側(cè)拱頂下沉大;

(2)水平收斂主要是發(fā)生在左中臺階開挖以后，由于隧道左右水平構(gòu)造應(yīng)力不等，埋深相對較大的左側(cè)收斂值比右側(cè)收斂值小。

(3)對單孔隧道，地表最大沉降值一般出現(xiàn)在隧道豎直軸線處。由于磨盤山隧道沖溝段存在較大偏壓情況，地表最大沉降值出現(xiàn)在隧道的右測。此外，開挖引起地表沉降在1倍洞徑范圍內(nèi)較大，1倍洞徑外較小。

(4)弧形導(dǎo)坑開挖完后隧道頂部即出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，并隨施工過程拉應(yīng)力緩慢增加，由于巖土體抗拉能力弱，頂部是易發(fā)生塌方的部位，施工中應(yīng)及時施作初期支護。仰拱開挖，初期支護閉合后，拉應(yīng)力區(qū)消失。由于開挖卸荷，施工過程中隧道預(yù)留核心土和仰拱底部都出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)力區(qū)。

[1]佘 健，何 川.軟弱圍巖段隧道施工過程中圍巖位移的三維彈塑性數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(3):623-629.

[2]楊小禮，睦志榮.淺埋小凈距偏壓隧道施工順序的數(shù)值模擬[J].中南大學(xué)學(xué)報，2007，38(4):764-770.

[3]王明年，李志業(yè)，關(guān)寶樹.3孔小間距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2002，23(6):821-824.

[4]王明年，李志業(yè)，劉智成.軟弱圍巖3孔小間距平行淺埋隧道施工力學(xué)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2002(4):11-14.

[5]西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院巖土工程實驗室.大西鐵路客用專線磨盤山隧道工程黃土靜力學(xué)特性實驗報告[R].西安:西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院巖土工程實驗室，2011.