不同坡度下偏压黄土隧道开挖衬砌结构受力特征研究

 肖启山

 （中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆400037）

[摘要]偏压隧道的受力与常见的对称应力的受力情况有较大区别，随着西部地区基础设施建设的发展，在建设工程中经常遇到不同偏压地形下的黄土隧道，由于偏压隧道的特殊性，受力极不对称，对隧道的设计和施工产生较大影响。为了研究偏压黄土隧道开挖围岩及衬砌结构受力特征，利用FLAC3D软件建立数值模型，计算不同坡度地形条件下隧道的围岩变形规律和衬砌结构的受力特征。

  [关键词]隧道工程；偏压；黄土；受力分析；数值模拟

  [中图分类号]U455 [文章编号]1002-8498(2016)07-0109_04

 0  引言

 偏压隧道的受力与常见的对称应力的受力情况有较大区别，随着建设的发展，在实际工程中遇到越来越多的偏压隧道，由于偏压隧道的特殊性，使隧道不得不修建在边坡的内部，这就形成了偏压隧道，由于偏压存在，导致隧道在开挖过程中没有非偏压隧道的受力合理，由于偏压的存在，也会导致受力的偏压和转移，因此给具体工程施工带来难度。在具体隧道开挖过程中，不仅要考虑隧道施工的安全性，保证掌子面顺利推进同时也要保证外部围岩体的稳定，保证隧道边坡的稳定性，因此对黄土偏压隧道的研究很有必要，由于黄土特有的结构性质，会与其他土体和岩体有着不同的表现形式，本文在前期研究的基础上，在黄土工程的框架内，对黄土工程的偏压隧道进行讨论。

 偏压隧道是承受不对称荷载的隧道，这种不对称性主要是隧道左右两边围岩结构的不对

称，最常见的是隧道穿越边坡的情况。钟新樵对偏压隧道模型的衬砌试验，给出了偏压隧道的施工方法、支护措施等相关建议。王兵等将理论分析和模型试验结合在一起，分析偏压隧道的稳定性。朱合华等通过对岩石偏压隧道进行分析，得出产生偏压的基本原因，然后通过荷载反演进行研究。潘洪科等结合现实中偏压隧道存在的衬砌变形和裂缝，通过相应理论对产生裂缝的原因进行分析和研究。张小军结合偏压隧道工程实例，对选用偏压隧道的开挖方法、支护措施和防水进行了研究。

1  工程概况

 本文以山西省某黄土隧道为依托，该隧道位于黄土地区，围岩为Q2黄土。海拔高程介于1 002. 600~1 106. 100m．相对高差103. 5m。该隧道是偏压隧道，穿越黄土边坡，边坡坡度较陡，在450~600。为了较为接近实际工程，本文计算模型取3组边坡坡度(300，450，600)进行对比研究。

2  大偏压隧道施工过程研究

2.1  数值模型及计算参数

 本文根据实际隧道工程，选用3种特殊坡度的隧道进行对比，分别计算在同种开挖方式下围岩和衬砌的变形情况并进行分析，模型如图1所示，模型取横向77m，竖向76m，偏压隧道边坡坡度分别选为300，45 0，600。

2.2模型参数确定

模型基本力学参数如表1所示。

 为了简化计算过程，本文将初期支护的锚杆和钢拱架统一由转化后的固定参数确定。

2.3数值模拟计算过程

 模型计算采用上下断面开挖，分别计算不同施工过程不同偏压程度下的拱顶沉降、围岩状态、衬砌应力和变形情况，通过对比得出相应结论。根据在隧道施工过程中监测点的选择，基本确定有5个监测点，即分别对开挖过程中隧道的拱腰和拱顶进行监测，如图2所示，3号测点是拱顶监测点，2，4号测点分别用于确定隧道在开挖过程中的上台阶拱腰处的收敛情况，指导隧道开挖施工，1，5号测点分别用于确定隧道在开挖过程中下台阶拱腰处的收敛情况。本文的偏压隧道开挖顺序为：先开挖左洞进行支护，再开挖右洞进行支护，在此过程中，分别计算出左右洞受力及变形情况，通过对比分析，得出不同偏压程度下围岩和支护结构的变形和应力情况。

2.4  大偏压隧道模拟施工分析

 数值模拟主要通过计算每开挖1步相应的位移应力变化情况及塑性状态。左右两洞的开挖顺序为先开挖左洞，再开挖右洞，利用新奥法施工原理边开挖边支护，根据开挖过程中的应力分布特点，采取合理的支护方式。

 通过计算可以得到不同偏压角度的隧道左右洞在开挖完成后最大竖向位移的变化情况如图3所示，由图可以看出，在同种坡角情况下，左洞开挖沉降明显小于右洞，这是因为左洞的埋置深度要小于右洞，在开挖过程中由于偏压而引起的沉降相对较小，从竖向位移的分布情况可以看出，位移最大的位置并不是在拱顶位置，而是表现出拱顶靠右的地方倾斜。从3个竖向位移分布看出，最大位移的分布位置基本相同，都表现出拱顶右上方，另外随着偏压程度的不同，竖向位移最大值也表现出一定的差异，总体表现为随着坡角的增大，左洞和右洞均表现出位移增大的情况，不同施工阶段不同偏压角度的竖向位移变化如表2所示。

 从表2可以看出，同一坡角在不同开挖步的最大竖向位移呈逐渐增大趋势，在不同坡角情况下，随着偏压程度的增大其竖向位移也逐渐增大，坡角分别为300，450，600时最大竖向位移分别为0. 932，1. 252 ,1. 426cm。在具体隧道开挖过程中，控制隧道开挖沉降的有效方法是控制右洞拱顶沉降，采取的具体措施是进行局部加强，从而减少局部沉降变形。

 为了进一步讨论在隧道开挖过程中初期支护的应力应变情况，选取在计算完之后支护结构的最大主应力大小作为研究对象，如图4所示，从图中可以看出，初支最大主应力表现为压应力，右侧拱脚处最大，所以在具体施工过程中，一定要加强拱脚处的支护措施，使初支尽早与仰拱闭合形成整体结构，使受力合理，减少因支护结构不足而引起的局部变形和塌方。

 不同开挖过程初期支护最大主应力如表3所示，对于初期支护的最大主应力表现为压力，左洞较右洞大，且随着坡角的增大呈现出逐渐增大的趋势，坡角分别为300，450，600时初期支护最大主应力分别为0. 289，0.379，0.410MPa，3种情况的最大主应力均发生在拱脚处。

 为了讨论在隧道开挖过程中，仰拱支护结构的应力变化特征，本文选取在仰拱开挖后支护结构的最大主应力进行研究，如图5所示，仰拱初期支护最大主应力随着偏压程度增大且表现为压应力。右侧拱脚处最大，所以在具体施工过程中，一定要加强拱脚处的支护措施，使初支尽早与仰拱闭合形成整体结构，使受力合理，减少因支护结构不足而引起的局部变形和塌方。

 由表4可知，对于仰拱支护结构的最大主应力表现为左洞较右洞大，且随着坡角的增大呈现出逐渐增大的趋势，左右洞的最大主应力值均出现在右侧拱脚处，坡角分别为30 0，450，600时初期支护的最大主应力分别为0. 301，0.414，0.517MPa，3种情况的初期支护最大主应力均在左洞右侧拱脚。

为了讨论在隧道开挖中剪应变速率变化特征，本文选取不同坡角下开挖完成后的剪应变速率等值线图进行讨论，坡角由大到小最大剪应变速率分别为：5. 43×10-9，5.86×10-9，7.63×10-9，最大剪应变速率出现在拱顶右侧部位，且左洞较右洞大。不同坡角的剪应变速率表现为坡角越大其最大剪应变速率相对较大。

 为了讨论在隧道开挖中剪应变增量变化特征，本文选取不同坡角下开挖完成后的剪应变增量等值线图进行分析，坡角由大到小最大剪应变增量分别为：2. 54×10-2，2.77×10-2，2.90×10-2，最大剪应变增量出现在仰拱底部，且左洞较右洞大。不同坡角的剪应变增量大小表现为坡角越大其最大剪应变增量相对较大。

3结语

 本文在黄土工程的框架内，通过对数值模拟计算结果的变化规律对偏压隧道的稳定性进行了评价，可以得到以下结论。

 1)偏压隧道中，偏压的程度是影响隧道稳定的重要因素，也是影响支护结构受力的重要因素。

 2)偏压隧道中，拱顶沉降最大在拱顶偏向坡角向上的位置，初期支护和仰拱支护最大主应力值在拱脚。

 3)偏压隧道中，最大剪应变速率在拱顶右侧，且随坡角的增大而增大，最大剪应变增量在拱底，且随坡角的增大而增大。

 4)偏压隧道的开挖和支护应遵循动态施工设计的过程，且根据偏压程度的不同采用不同的支护设计方式，且对由于偏压的影响而采用局部加强的方式避免因偏压导致的变形过大。