不同坡度下偏壓黃土隧道開挖襯砌結構受力特征研究
肖啟山
（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶400037）
[摘要]偏壓隧道的受力與常見的對稱應力的受力情況有較大區(qū)別，隨著西部地區(qū)基礎設施建設的發(fā)展，在建設工程中經常遇到不同偏壓地形下的黃土隧道，由于偏壓隧道的特殊性，受力極不對稱，對隧道的設計和施工產生較大影響。為了研究偏壓黃土隧道開挖圍巖及襯砌結構受力特征，利用FLAC3D軟件建立數值模型，計算不同坡度地形條件下隧道的圍巖變形規(guī)律和襯砌結構的受力特征。
[關鍵詞]隧道工程；偏壓；黃土；受力分析；數值模擬
[中圖分類號]U455 [文章編號]1002-8498(2016)07-0109_04
0 引言
偏壓隧道的受力與常見的對稱應力的受力情況有較大區(qū)別，隨著建設的發(fā)展，在實際工程中遇到越來越多的偏壓隧道，由于偏壓隧道的特殊性，使隧道不得不修建在邊坡的內部，這就形成了偏壓隧道，由于偏壓存在，導致隧道在開挖過程中沒有非偏壓隧道的受力合理，由于偏壓的存在，也會導致受力的偏壓和轉移，因此給具體工程施工帶來難度。在具體隧道開挖過程中，不僅要考慮隧道施工的安全性，保證掌子面順利推進同時也要保證外部圍巖體的穩(wěn)定，保證隧道邊坡的穩(wěn)定性，因此對黃土偏壓隧道的研究很有必要，由于黃土特有的結構性質，會與其他土體和巖體有著不同的表現形式，本文在前期研究的基礎上，在黃土工程的框架內，對黃土工程的偏壓隧道進行討論。
偏壓隧道是承受不對稱荷載的隧道，這種不對稱性主要是隧道左右兩邊圍巖結構的不對
稱，最常見的是隧道穿越邊坡的情況。鐘新樵對偏壓隧道模型的襯砌試驗，給出了偏壓隧道的施工方法、支護措施等相關建議。王兵等將理論分析和模型試驗結合在一起，分析偏壓隧道的穩(wěn)定性。朱合華等通過對巖石偏壓隧道進行分析，得出產生偏壓的基本原因，然后通過荷載反演進行研究。潘洪科等結合現實中偏壓隧道存在的襯砌變形和裂縫，通過相應理論對產生裂縫的原因進行分析和研究。張小軍結合偏壓隧道工程實例，對選用偏壓隧道的開挖方法、支護措施和防水進行了研究。
1 工程概況
本文以山西省某黃土隧道為依托，該隧道位于黃土地區(qū)，圍巖為Q2黃土。海拔高程介于1 002. 600~1 106. 100m．相對高差103. 5m。該隧道是偏壓隧道，穿越黃土邊坡，邊坡坡度較陡，在450~600。為了較為接近實際工程，本文計算模型取3組邊坡坡度(300，450，600)進行對比研究。
2 大偏壓隧道施工過程研究
2.1 數值模型及計算參數
本文根據實際隧道工程，選用3種特殊坡度的隧道進行對比，分別計算在同種開挖方式下圍巖和襯砌的變形情況并進行分析，模型如圖1所示，模型取橫向77m，豎向76m，偏壓隧道邊坡坡度分別選為300，45 0，600。
2.2模型參數確定
模型基本力學參數如表1所示。
為了簡化計算過程，本文將初期支護的錨桿和鋼拱架統一由轉化后的固定參數確定。
2.3數值模擬計算過程
模型計算采用上下斷面開挖，分別計算不同施工過程不同偏壓程度下的拱頂沉降、圍巖狀態(tài)、襯砌應力和變形情況，通過對比得出相應結論。根據在隧道施工過程中監(jiān)測點的選擇，基本確定有5個監(jiān)測點，即分別對開挖過程中隧道的拱腰和拱頂進行監(jiān)測，如圖2所示，3號測點是拱頂監(jiān)測點，2，4號測點分別用于確定隧道在開挖過程中的上臺階拱腰處的收斂情況，指導隧道開挖施工，1，5號測點分別用于確定隧道在開挖過程中下臺階拱腰處的收斂情況。本文的偏壓隧道開挖順序為：先開挖左洞進行支護，再開挖右洞進行支護，在此過程中，分別計算出左右洞受力及變形情況，通過對比分析，得出不同偏壓程度下圍巖和支護結構的變形和應力情況。
2.4 大偏壓隧道模擬施工分析
數值模擬主要通過計算每開挖1步相應的位移應力變化情況及塑性狀態(tài)。左右兩洞的開挖順序為先開挖左洞，再開挖右洞，利用新奧法施工原理邊開挖邊支護，根據開挖過程中的應力分布特點，采取合理的支護方式。
通過計算可以得到不同偏壓角度的隧道左右洞在開挖完成后最大豎向位移的變化情況如圖3所示，由圖可以看出，在同種坡角情況下，左洞開挖沉降明顯小于右洞，這是因為左洞的埋置深度要小于右洞，在開挖過程中由于偏壓而引起的沉降相對較小，從豎向位移的分布情況可以看出，位移最大的位置并不是在拱頂位置，而是表現出拱頂靠右的地方傾斜。從3個豎向位移分布看出，最大位移的分布位置基本相同，都表現出拱頂右上方，另外隨著偏壓程度的不同，豎向位移最大值也表現出一定的差異，總體表現為隨著坡角的增大，左洞和右洞均表現出位移增大的情況，不同施工階段不同偏壓角度的豎向位移變化如表2所示。
從表2可以看出，同一坡角在不同開挖步的最大豎向位移呈逐漸增大趨勢，在不同坡角情況下，隨著偏壓程度的增大其豎向位移也逐漸增大，坡角分別為300，450，600時最大豎向位移分別為0. 932，1. 252 ,1. 426cm。在具體隧道開挖過程中，控制隧道開挖沉降的有效方法是控制右洞拱頂沉降，采取的具體措施是進行局部加強，從而減少局部沉降變形。
為了進一步討論在隧道開挖過程中初期支護的應力應變情況，選取在計算完之后支護結構的最大主應力大小作為研究對象，如圖4所示，從圖中可以看出，初支最大主應力表現為壓應力，右側拱腳處最大，所以在具體施工過程中，一定要加強拱腳處的支護措施，使初支盡早與仰拱閉合形成整體結構，使受力合理，減少因支護結構不足而引起的局部變形和塌方。
不同開挖過程初期支護最大主應力如表3所示，對于初期支護的最大主應力表現為壓力，左洞較右洞大，且隨著坡角的增大呈現出逐漸增大的趨勢，坡角分別為300，450，600時初期支護最大主應力分別為0. 289，0.379，0.410MPa，3種情況的最大主應力均發(fā)生在拱腳處。
為了討論在隧道開挖過程中，仰拱支護結構的應力變化特征，本文選取在仰拱開挖后支護結構的最大主應力進行研究，如圖5所示，仰拱初期支護最大主應力隨著偏壓程度增大且表現為壓應力。右側拱腳處最大，所以在具體施工過程中，一定要加強拱腳處的支護措施，使初支盡早與仰拱閉合形成整體結構，使受力合理，減少因支護結構不足而引起的局部變形和塌方。
由表4可知，對于仰拱支護結構的最大主應力表現為左洞較右洞大，且隨著坡角的增大呈現出逐漸增大的趨勢，左右洞的最大主應力值均出現在右側拱腳處，坡角分別為30 0，450，600時初期支護的最大主應力分別為0. 301，0.414，0.517MPa，3種情況的初期支護最大主應力均在左洞右側拱腳。
為了討論在隧道開挖中剪應變速率變化特征，本文選取不同坡角下開挖完成后的剪應變速率等值線圖進行討論，坡角由大到小最大剪應變速率分別為：5. 43×10-9，5.86×10-9，7.63×10-9，最大剪應變速率出現在拱頂右側部位，且左洞較右洞大。不同坡角的剪應變速率表現為坡角越大其最大剪應變速率相對較大。
為了討論在隧道開挖中剪應變增量變化特征，本文選取不同坡角下開挖完成后的剪應變增量等值線圖進行分析，坡角由大到小最大剪應變增量分別為：2. 54×10-2，2.77×10-2，2.90×10-2，最大剪應變增量出現在仰拱底部，且左洞較右洞大。不同坡角的剪應變增量大小表現為坡角越大其最大剪應變增量相對較大。
3結語
本文在黃土工程的框架內，通過對數值模擬計算結果的變化規(guī)律對偏壓隧道的穩(wěn)定性進行了評價，可以得到以下結論。
1)偏壓隧道中，偏壓的程度是影響隧道穩(wěn)定的重要因素，也是影響支護結構受力的重要因素。
2)偏壓隧道中，拱頂沉降最大在拱頂偏向坡角向上的位置，初期支護和仰拱支護最大主應力值在拱腳。
3)偏壓隧道中，最大剪應變速率在拱頂右側，且隨坡角的增大而增大，最大剪應變增量在拱底，且隨坡角的增大而增大。
4)偏壓隧道的開挖和支護應遵循動態(tài)施工設計的過程，且根據偏壓程度的不同采用不同的支護設計方式，且對由于偏壓的影響而采用局部加強的方式避免因偏壓導致的變形過大。
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