袁 毅

(中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

山區(qū)公路隧道建設時常需要選在圍巖埋深較淺、風化程度較高的地點修建洞口。復雜的地質情況使得隧道出入口處的結構變形規(guī)律不同于常見的隧道主體段，其淺埋偏壓的特征會對隧道圍巖和支護結構的穩(wěn)定性產生很大的影響[1]，所以在隧道施工中會要求監(jiān)測人員對隧道進行全方位的監(jiān)測。但隨著隧道掘進，監(jiān)測人員的工作量顯著增加，給施工組織帶來了很大的難度。所以，亟需探索出淺埋偏壓隧道施工過程中襯砌的收斂變形規(guī)律，為現(xiàn)場施工預警最大風險出現(xiàn)的位置，降低監(jiān)測人員的工作量。

目前，在這方面國內外學者針對淺埋、偏壓隧道圍巖穩(wěn)定性方面已做了大量的研究和探討。盧光兆等[2]利用有限元軟件對淺埋偏壓隧道施工進行模擬，確定每次開挖控制在2 m內為最佳；李文韜等[3]通過現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬確定了隧道上臺階開挖拱頂沉降值占總體沉降的80%以上；萬建國等[4]采用數(shù)理統(tǒng)計方法對淺埋偏壓隧道的襯砌病害進行分析；白皓等[5]等研究了偏壓隧道變形破壞機理；王凱等[6]基于強度理論對淺埋隧道穩(wěn)定性進行了分析；盧偉等[7]采用雙強度折減法探究淺埋偏壓隧道的安全性以及破壞模式。

綜上，針對淺埋偏壓隧道受力變形已有較多研究，但相關研究大多是針對隧道受力穩(wěn)定性而言，對隧道拱頂收斂規(guī)律的研究不多[8－9]。本文擬通過數(shù)值模擬的方法，將清水2號隧道進口段工程項目作為背景，以研究淺埋偏壓隧道施工襯砌結構穩(wěn)定性[10]為出發(fā)點，利用Midas Gts Nx軟件建立數(shù)值模型，分析隧道施工中襯砌收斂變形規(guī)律[11]，確定施工過程中最大風險點出現(xiàn)的位置，從而指導現(xiàn)場監(jiān)測工作，為類似隧道施工監(jiān)測提供參考。

2 工程概況

國道G109工程作為北京連接河北的一條新線高速，建成后將大大緩解京西北、京西南地區(qū)的交通壓力，滿足京冀一體化的交通需求，帶動社會經濟發(fā)展。這條高速公路建成，將改善太行山革命老區(qū)及沿線其他地區(qū)交通條件，實現(xiàn)京冀貧困地區(qū)高等級公路全覆蓋，進一步帶動經濟社會發(fā)展，幫助精準脫貧。

清水2號隧道為G109高速公路重點控制性工程，所在地區(qū)地質構造復雜，主要為第四系坡洪基碎石及強風化侏羅系髫髻山組安山巖、角礫熔巖、火山碎屑巖等，地層節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖強度較低，圍巖等級為Ⅳ級，如圖1所示。

根據(jù)隧道工程地質條件、圍巖特征，遂采用三臺階法進行施工。

3 隧道施工收斂數(shù)值模擬

清水2號隧道入口段淺埋偏壓特征明顯，圍巖受力較為復雜，因此，從安全角度出發(fā)，利用Midas Gts Nx對淺埋偏壓隧道三臺階施工法進行有限元模擬[12]，并對施工過程中的襯砌收斂進行分析，為現(xiàn)場監(jiān)測提供參考。

3.1 模型參數(shù)

對實際工程進行數(shù)值模擬計算，應使模擬采用的參數(shù)盡可能符合實際工程的尺寸、材料等真實數(shù)值，但為了計算方便，在不影響模擬分析結果的前提下可進行適度的簡化。本次模擬作以下假定:

(1)將圍巖視為各向同性的均勻連續(xù)介質。

(2)不考慮地下水的影響，只考慮自重引起的應力場。

基于以上假定，本模型圍巖采用摩爾－庫倫本構模型，襯砌和錨桿采用彈性本構模型。模型的頂部為自由面、四周添加水平約束、底部添加固定約束。隧道高10 m，寬15 m，施工進尺為2 m。本文建立的有限元模型如圖2所示。

隧道施工Ⅳ級圍巖、襯砌及錨桿的物理力學參數(shù)如表1。

3.2 模擬結果分析

本文重點關注上臺階開挖對淺埋偏壓隧道拱頂及拱肩的沉降變形，忽略中下臺階開挖對掌子面前方隧道拱頂及拱肩的沉降變形影響。為進一步分析上臺階開挖對其沉降變化的影響規(guī)律，分別提取出不同掘進深度時隧道拱頂及拱肩的收斂變化值，繪制圖形如圖3～圖4所示。

圖4 拱肩沉降值

由圖3可知，隨著隧道掘進，當隧道掘進深度小于20 m時，已開挖隧道拱頂?shù)某两底冃乌厔葺^明顯，且距離掌子面越遠，沉降值越大；當隧道掘進深度大于20 m而小于40 m時，拱頂距離掌子面越遠，沉降值越大，但拱頂距離掌子面大于20 m外的地方，沉降值趨于平緩；當隧道掘進深度大于40 m后，拱頂沉降最大值出現(xiàn)在掌子面后方15 m左右的位置，拱頂沉降值從洞口到掌子面呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

由圖4可知，隧道掘進過程中，拱肩的沉降趨勢與拱頂大致相同，但右側拱肩沉降值要大于左側拱肩沉降值，卻小于拱頂沉降值。由于是淺埋偏壓隧道，施工時隧道受力不均勻，需對左右拱肩進一步分析，遂提取出部分隧道掘進深度下，以拱頂與拱肩的最大沉降值距離掌子面的距離為x軸繪制圖形如圖5所示。

圖5 最大沉降值位置

由圖5可知，當隧道掘進深度大于40 m之后，拱頂?shù)淖畲蟪两抵党霈F(xiàn)在距離掌子面15 m左右的位置，而左右拱肩的最大沉降值出現(xiàn)在距離掌子面后方20 m的位置，可以得出左右拱肩的沉降最大值與拱頂?shù)某两底畲笾挡⒉怀霈F(xiàn)在同一截面，施工時需對這些位置進行重點監(jiān)測。

由圖6可以看出，對于施工引起的隧道拱腰水平收斂變形，右側埋深高處的收斂值比左側埋深低處的收斂值要大，且隨著埋深的增加，其差值逐漸增加，直至到達拱腰收斂值最大處，拱腰收斂最大值出現(xiàn)在距離掌子面后方10 m的位置；相比于拱頂與拱肩處的沉降，拱腰的收斂值較小。

圖6 拱腰收斂

4 現(xiàn)場監(jiān)測與模擬結果分析

然而對于實際情況，現(xiàn)場圍巖并不是簡單的均質體，其具有非常復雜的性質，同時在施工過程中會出現(xiàn)諸多不確定的因素，所以數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工實際情況，具有一定的差異性。為了驗證數(shù)值模擬的準確性，利用BJSD-6型隧道斷面掃描儀對洞口拱頂變形進行持續(xù)性監(jiān)測，將監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果繪制成圖7。

圖7 拱頂沉降曲線

由圖7可以看出，現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)值比數(shù)值模擬的值要略大，這是由于模型參數(shù)來源于實驗室力學實驗，因實驗環(huán)境可控，而現(xiàn)場環(huán)境的不可控性，導致圍巖參數(shù)與試驗參數(shù)具有一定差異，但二者變形規(guī)律一致，這說明模型模擬存在一定的合理性，可以在一定程度上為本隧道施工提供參考建議。

5 結論

本文結合清水2號隧道工程，利用有限元軟件Midas Gts Nx模擬淺埋偏壓隧道的施工過程，研究了隧道襯砌的沉降變化與隧道掘進深度的關系，得到以下結論:

(1)當隧道掘進深度小于20 m時，隧道的沉降變形趨勢較明顯，且距離掌子面越遠，隧道沉降值越大；當隧道掘進深度大于20 m而小于40 m時，距離掌子面越遠，隧道沉降值越大，但距離掌子面大于20 m外的隧道，其沉降值變化趨于平緩；當隧道掘進深度大于40 m后，隧道沉降值從洞口到掌子面呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，拱頂沉降最大值出現(xiàn)在掌子面后方15 m左右的位置，而拱肩沉降最大值位于隧道掌子面后方20 m處。

(2)隧道拱腰收斂變形最大值出現(xiàn)在掌子面后方10 m的位置。

(3)本文結合現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬，預測了清水2號隧道現(xiàn)場施工時隧道變形最大值出現(xiàn)的位置，為現(xiàn)場監(jiān)測工作提供指導，并為類似地質條件隧道施工監(jiān)測提供參考。