特殊地形条件下公路隧道施工的过程分析

特殊地形条件下公路隧道施工的过程分析

张志刚　蒋勇军　刘洪洲　王廷伯

（中交公路规划设计研究院有限公司　北京　100010）

摘　要　随着山岭高速公路的大规模修建，隧道区的地形变得异常复杂，设计与施工难度显著增加。本文以拟建的山区高速公路隧道穿越V字地形区段为研究对象，应用隧道工程专用三维有限元软件，仿真分析了该段隧道开挖支护过程中支护结构的受力特征及浅埋段的地表沉降变形。通过研究认为，V字地形区段的隧道开挖在沟谷底部易形成高应力区，会出现较大的水平位移，在勘察设计阶段应结合沟谷走向与隧道轴向，进行合理的支护优化设计。

关键词　公路隧道　V字地形　施工过程　仿真分析

1　工程概况

拟建地处V字地形的高速公路隧道为左、右线分离式隧道，设计行车速度100 km/h，隧道建筑限界：净宽10．75 m，净高5 m，其中右线全长574 m。隧道区出露地层主要为泥盆系上统佘田桥组泥灰岩及灰岩，节理裂隙发育，大多呈微张—闭合状，隙宽1～3 mm，上宽下窄，部分被方解石脉充填，向下延展性较差。根据区域地质资料，结合工程地质勘察结果，区内未见影响隧道稳定的地质构造通过，区域地质较稳定。

根据路线的线形要求，隧道右线设计在洞身中部需要穿越一个天然的V字形沟谷，其位于右线YK137＋500里程处，天然沟的走向与隧道轴线夹角约80°，沟谷在隧道纵轴线上的最大相对高差约40 m，详见图1所示^［1］。由于隧道埋深较浅，导致隧道在沟谷底部出现了严重的浅埋、偏压问题。为了评价该浅埋、偏压段隧道围岩的稳定性，本文采用三维数值分析的方法对其进行施工过程的仿真分析。

图1　拟建隧道区的V字地形

图2　山岭隧道数值计算模型

2　计算方法

针对隧道在洞身所处V字形特殊地形及浅埋、偏压的围岩特征，选用三维有限元岩土与隧道工程专用分析程序MIDAS-GTS对该区段隧道围岩进行施工阶段的三维数值仿真分析。初期支护按新奥法理论设计，采用型钢、锚杆、喷射混凝土及钢筋网的联合支护，具体设计参数按照施工图设计文件中浅埋偏压段相应的设计进行选取^［1］，围岩体采用理想的弹塑性本构模型，莫尔-库伦的强度破坏准则。

2．1　数值模型尺寸及边界

考虑到隧道轴线与沟谷走向线的相互关系，将V字形沟谷底部作为研究的重点部位。为此根据实际地形条件，模型尺寸及边界范围设定为：左右边界均取2倍的洞径范围，模型全宽为60 m，底部取2倍洞径深度，上表面为真实的自由地表边界，长度方向取为72 m（YK137＋465～YK137＋537）。模型的左、右边界为水平方向约束，顶部为自由边界，底部为竖向约束。

三维公路隧道围岩数值计算模型如图2所示，沿隧道轴线地形起伏变化较大，横穿一个深的沟谷，呈典型的V字形分布。结合地表地形特征及隧道埋深情况，分析认为该段隧道围岩具有浅埋、偏压的地层特征。隧道计算模型的单位网格划分依照隧道开挖步长进行，隧道纵向长72 m，将其分为36个单元，隧道模拟实际动态的开挖与支护施工过程，按2 m一个开挖步，分步开挖、分步施作初期支护。

2．2　地层及支护结构的物理力学参数

隧道围岩计算参数是在地勘资料中Ⅴ级围岩建议参数的基础上，结合《公路隧道设计规范（JTG D70—2004）》^［2］与工程类比经验综合选取。为了简化计算，没有单独考虑地表的残坡积岩土层，而是将其与上覆隧道岩土体一并划为Ⅴ级围岩。本次数值计算中将隧道初期支护中的喷射混凝土、钢筋网与钢拱架支护统一按等效的方法处理，采用板单元进行模拟其特性；初期支护中的锚杆按杆单元模拟。数值计算围岩及支护结构的物理力学参数见表1。

表1　隧道围岩及支护结构的物理力学参数

3　计算过程及结果分析

通过以往构造地质学的研究发现，在V字形沟谷处易形成特有的应力分布特征。因此，为了在隧道开挖前再现原岩的初始地应力分布状态，使隧道施工过程分析更加合理，需要进行初始应力的恢复^［3］。具体为：首先根据实测地形图，生成隧址区的三维数值计算模型，然后在自重及侧压力（通过侧压力系数实现）作用下模拟生成初始地应力场。后续的施工过程模拟均在此应力状态下进行，但需将初始计算平衡的位移进行清零处理，以再现隧道开挖前的自然平衡状态。计算得隧道V字形区段的初始主应力分布如图3所示，在地表沟谷底部应力比较集中，其中以沿隧道轴线方向最为显著，最大水平主压应力值约为0．3 MPa。但随着深度的增加，围岩应力呈现上部小、下部大的垂直分布状态，底部的最大主应力约为1．07 MPa。

图3　隧道围岩初始主应力分布

隧道开挖第一步后的竖向位移分布状态如图4所示。由于隧道模拟开挖初始阶段埋深较大，围岩自成拱能力较强，拱顶的最大下沉量较小，约为1．4 mm。隧道仿真模拟按照支护紧跟开挖的施工工序，隧道开挖第一步（2 m）后，紧接着进行初期支护，导致隧道围岩变形影响范围较小，仅在开挖周边一小范围内。随着施工步的推进，隧道逐渐向浅埋、偏压的“V”字形区域靠近，并最终贯通隧道。隧道的开挖必将引起围岩的变形与位移，图5所示为隧道研究区的竖向位移等值线图。从图中可以看出，隧道的竖向位移在拱顶处下沉最大，向地表延伸逐渐减小，呈椭圆形分布；隧道浅埋段开挖影响范围内的地表沉降如图5中的箭头所指区，该区内的地表沉降较其他地表的沉降要大一些。建议施工过程中在地表布设监测点，实行变形的动态监测与反馈，确保隧道施工安全。

图4　隧道开挖第一步后的竖向位移

为了进一步分析研究区隧道V字形沟谷底部浅埋段的变形特征，将隧道模型沿自然沟谷方向剖分，如图6所示为沿隧道开挖方向的侧视图，从竖向与水平向的位移等值线可以看出，由于受偏压地表及复杂沟谷应力的影响，隧道的竖向与水平向位移并非是对称分布，特别是水平位移在深埋侧的拱肩与浅埋侧的拱脚处相对要大一些。施工过程中要有效控制围岩的过大变形。

图5　V字地形隧道开挖引起的位移等值线

图6　隧道水平向位移等值线（沿沟谷剖切）

由于地表某一点的竖向地表沉降位移通常在隧道掌子面到达该断面前已经开始，为了全面了解该处地表的沉降规律，在沟谷底部区（里程桩号YK137＋500）的地表选择了3个监测点，分别位于隧道轴线中心、浅埋一侧距中轴线6 m及深埋一侧距中轴线6 m的位置，具体地表下沉曲线如图7所示。曲线反映了监测点的位移均在隧道开挖3步（里程桩号YK137＋471）时开始出现下沉，随着掌子面的向前推进，地表下沉速率开始增加，直到开挖27步（里程桩号YK137＋517）后下沉位移速率逐渐变小，曲线变缓；虽然3个监测点处的地表下沉位移规律相近，但隧道中轴线、浅埋一侧6 m及深埋一侧6 m沉降值不同，依次分别为1．94 mm，1．81 mm，1．68 mm。

图7　隧道施工中V形沟谷的地表沉降曲线

（YK137＋500，位于第18开挖步）

锚杆支护模拟参数按施工图设计取值，每环布设22根4 m长的中空注浆锚杆，相邻环间成梅花形布置。计算区段隧道开挖完成后的锚杆轴力分布如图8所示，最大轴力约为29．9 kN，小于Ⅴ级围岩内锚杆的最小设计抗拉拔力50 kN，故认为锚杆支护设计满足要求。

图8　隧道系统锚杆轴力图

计算中将钢拱架与喷射混凝土等效为加强的混凝土支护层，厚度按原设计喷射混凝土取为26 cm。数值计算得等效喷射混凝土的最大主应力分布如图9所示，最大主压应力为3．17 MPa，位于进口至浅埋段的拱顶部位，最大主拉应力1．15 MPa，位于隧道浅埋区两侧的拱腰附近。喷射混凝土的主压应力与主拉应力分别小于规范中C25喷射混凝土的设计强度值13．5 MPa与1．3 MPa。

图9　隧道等效喷射混凝土最大主应力分布图

4　结论及建议

本文通过对拟建特殊地形中V字形沟谷的公路隧道进行施工全过程仿真模拟得出如下结论，可供同类设计与施工参考。

①V形沟谷底部是应力集中区，且具有浅埋、偏压的双重特征，因此这种隧道区段的施工要尽量少扰动围岩，不破坏或改变水平压应力场的状态。

②从计算结果分析可以看出，针对该隧道洞身浅埋、偏压及V形区段的设计与施工方案可行。在实际施作中，要严格按照施工工序进行，严格执行“短进尺、紧支护、勤量测、控制超欠挖”等关键施工。

③以往各种计算和分析多是假定地表面为水平或倾斜等理想的状态，实际上地表面并不完全是如此，在埋深较小的情况下，受地形起伏的影响，初始地应力大小及方向的变化对隧道围岩支护结构稳定性的影响较大，在设计与施工中应引起重视。

参考文献

［1］重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范（JTG D70—2004［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［2］潘昌实．隧道力学数值方法［M］．北京：中国铁道出版社，1995．