偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：周甲强（），男，高级工程师。国家自然科学基金（），山东省路桥集团研发项目资助偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究周甲强姜高勇王进陈其豪李斌（山东省路桥集团有限公司济南 ；武汉理工大学交通与物流工程学院武汉 ）摘要在山区修建隧道时往往会遇到偏压地形，导致衬砌结构受力不均匀。在衬砌结构由部分到闭合时，会因不对称围岩压力而产生裂缝。文中采用数值模拟方法，研究不同工况下施工过程中衬砌结构的内力、安全系数及裂缝发展规律。计算表明，采用 法开挖时洞周变形较小，裂缝较大。得出当衬砌结构还未闭合时，单元安全系数较低，且会产生一定的裂缝；当衬砌结构达到完整闭合，受力均匀，相同位置处的衬砌单元安全系数明显提高。关键词偏压隧道施工过程分析不对称围岩压力衬砌结构中图分类号 随着隧道修建规模的扩大，经常会遇到浅埋偏压或洞周围岩条件很差的隧道，此类隧道施工时，衬砌结构分部施作，当部分衬砌承担围岩压力时，其受力不均匀，会有裂缝发展，后续无法闭合，有一定的安全隐患 ，因此需要针对施工过程中衬砌结构受力、安全系数，以及裂缝发展进行研究。目前，国内外一些学者针对隧道的施工工法、衬砌受力完成了不少研究。针对软弱围岩隧道，瘳雄、张芳芳等依托某软弱围岩隧道，通过有限元模拟了隧道施工过程中的应力与应变，并提出一定的加固措施，并与现场监测进行对比，为施工方案提供一定借鉴。在浅埋偏压隧道方面，田小旭、王祥秋等对某偏压隧道洞口段施工过程进行有限元分析，总结了围岩位移的变化规律，并提出了将动态监控量测与数值模拟相结合的方法。在衬砌开裂方面，张成良等对现场施工过程中的裂缝分布深度、宽度随施工变化过程中的分布规律展开调查，研究了加固措施的效果；刘德军等采用扩展有限元探讨张拉裂缝的开裂机制，分析了衬砌开裂的主要影响因素，并采用快速修复方法，抑制了裂缝的发展。等 开发了光栅监测系统、微多点位移测试系统、电阻应变测试系统和围岩压力监测系统，得到了隧洞工作面位移超前规律、径向位移分布规律和围岩压力规律。但目前针对偏压隧道施工过程中施作衬砌的研究不够详细，对衬砌结构从部分到闭合的受力分析缺少详细研究。本文以湖北某在建隧道为依托，通过数值软件 模拟隧道开挖的施工过程，计算隧道开挖后的围岩压力，然后建立衬砌结构由部分到闭合的荷载结构模型，计算分析其受力变形、安全系数与裂缝发展规律。工程概况及数值模型在建隧道傍山段存在较严重的浅埋偏压问题，岩层多为级围岩，节理裂缝发育，岩体破碎，自稳能力差，围岩易失稳。根据勘察钻探，隧址区基岩主要分布为坡积层（）和人工堆积层（）。地层岩性主要为：碎石土、强风化页岩、中风化页岩和中风化白云岩。依据在建隧道地形图，建立地层结构模型，其数值模型见图。图数值模型（单位：）将围岩视为三层倾斜的均值地层，计算考虑自重作用。计算洞径 ，隧道中线埋深。数值模型横向，左侧竖向、右侧竖向，隧道沿开挖方向 长。模型四周施加法向约束，底部施加犡、犢、犣方向的约束，顶面不约束，为自由边界。因隧址区为岩质围岩，选用 本构模型。计算模型的支护结构与力学参数见表。表岩土体及支护结构参数岩层层序重度（）弹性模量犈 黏聚力犮 内摩擦角（）泊松比单轴饱和抗压强度犚 犿犻强风化页岩 中风化页岩 中风化白云岩 注：为地质强度指标；犿犻为岩石量纲一的经验参数。计算围岩压力根据衬砌单元支护力与围岩压力等效原理，通过数值迭代计算该偏压隧道开挖后的不对称围岩压力。隧道开挖后，在洞周节点施加支护反力，当隧道处于临界稳定状态时，说明此时的支护反力等于围岩压力。设定目标安全系数，当计算安全系数恰好等于目标安全系数时，可以认为隧道处于临界稳定状态。基于改进的二分法进行迭代计算，逼近目标围岩压力。迭代过程及计算围岩压力结果见图。图围岩压力迭代计算（单位：）施工过程分析根据实际地质条件与施工速度要求，拟采用台阶法、法种开挖方式进行模拟计算，并对施工过程进行研究，分析对比种开挖工况下围岩位移。建立部分衬砌单元的荷载结构模型，根据计算得到的不对称围岩压力，分析衬砌结构应力与变形。台阶法 台阶法施工过程模拟考虑工程进度要求，采用台阶法开挖进行模拟。数值模型采用循环开挖支护模拟施工步骤，同时对隧道关键断面布置测点，监测测点的水平和竖向位移。第一阶段。隧道部分数值模型见图，对此状态下的围岩与衬砌结构进行分析。图台阶法第一阶段隧道开挖图衬砌结构在犢 处的位移及其变化速率和最大、最小主应力云图见图。图衬砌结构云图（第一阶段）由图可见，衬砌结构位移主要发生于深埋侧，其最大值为 。衬砌结构最大拉应力、最大压应力分别为 和 。荷载结构模型及计算结果见图。年第期周甲强等：偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究图荷载结构模型及计算结果（第一阶段）如图所示，衬砌单元在拱顶偏深埋侧与浅埋侧拱脚处受力最大，其变形主要发生在隧道深埋侧拱肩处，整体向右下方移动。提取衬砌各单元的弯矩和轴力，根据功能函数，计算单元安全系数与裂缝发展，计算结果见图。图功能函数计算结果（第一阶段）如图所示，衬砌深埋侧单元受力大于浅埋侧单元，拱顶偏深埋侧最小安全系数为 。安全系数最小处为浅埋侧拱腰处，同时该位置剪力较大，有裂缝发展，约为 。整体结构在深埋侧拱顶处受力最大。第二阶段。对隧道继续进行 的开挖。隧道部分数值模型见图。图台阶法第二阶段隧道开挖图衬砌结构在犢 处的位移及其变化速率和最大、最小主应力云图见图。图衬砌结构云图（第二阶段）如图所示，衬砌结构位移主要发生于深埋侧拱腰及拱肩处，最大值为 。衬砌结构最大拉应力、最大压应力分别为 和 。荷载结构模型及计算结果见图。图荷载结构模型及计算结果（第二阶段）如图所示，在此阶段，衬砌单元达到完整闭合状态，结构受力趋于均匀，深埋侧整体受力较大。衬砌单元深埋侧拱肩有明显变形，整体结构有竖向沉降的趋势。根据功能函数计算衬砌单元安全系数与裂缝宽度，计算结果见图。由图 可见，当衬砌单元闭合后，相同位置处的单元安全系数有较明显的提高，较危险位置的深埋侧拱顶周甲强等：偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究 年第期处由 提高至 。衬砌单元闭合后，其拱脚位置安全系数较低，且有裂缝发展，为 。图 功能函数计算结果（第二阶段）第三阶段。对隧道继续进行 的开挖。隧道部分数值模型见图。图 台阶法第三阶段隧道开挖图如图 所示，对衬砌结构在犢 处的位移及其变化速率和最大、最小主应力进行分析。衬砌结构位移主要发生于深埋侧拱肩位置，最大值为 。衬砌结构最大拉应力、最大压应力分别为 和。台阶法结果分析在衬砌结构还未施加时，隧道衬砌结构在浅埋侧位移较大。当施作衬砌结构但还未闭合时，衬砌结构在深埋侧拱腰至拱顶处位移较大。与上一阶段相比，衬砌结构内力增大均较多，说明衬砌结构刚刚施加及当衬砌结构尚未闭合时，稳定性较差。当衬砌结构已经闭合时，衬砌结构在在深埋侧拱腰至拱顶处位移较大。与上一阶段相比，沉降增大趋势减少，衬砌结构内力增大趋势同样变小，相同位置处的衬砌单元安全系数有明显提高，证明衬砌闭合完整后受力更加均匀，隧道结构稳定性较好。法 法施工过程模拟在 法开挖施工过程中，首先开挖左侧土体。第一阶段。隧道部分数值模型见图。衬砌结构在犢 处的位移及其变化速率和最大、最小主应力云图见图。图 法第一阶段隧道开挖图图 法衬砌结构云图（第一阶段）如图 所示，衬砌结构位移主要发生于深埋侧拱肩位置，最大值为 。衬砌结构最大拉应力、最大压应力分别为 和 。荷载结构模型及计算结果见图。图 法荷载结构模型及计算结果（第一阶段）如图 所示，左上方衬砌施加不对称围岩压 年第期周甲强等：偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究力后，在拱肩处产生了向浅埋侧的位移，衬砌单元在拱顶处的弯矩和剪力最大，为较危险位置。根据功能函数计算衬砌单元安全系数与裂缝宽度，计算结果见图。图 法功能函数计算结果（第一阶段）由图、可以看出，拱顶位置处衬砌单元安全系数最低，为 且有裂缝发展，宽度为 ，已超出正常使用规范要求，需要进行加固。第二阶段。隧道部分数值模型见图。图 法台阶法第二阶段隧道开挖图衬砌结构在犢 处的位移及其变化速率和最大、最小主应力云图见图。图 法衬砌结构云图（第二阶段）如图 所示，衬砌结构位移主要发生于深埋侧拱肩至拱腰处，最大值为 。衬砌结构最大拉应力、最大压应力分别：和 。随着隧道开挖，衬砌结构左半边结构完成。荷载结构模型及计算结果见图。图 法荷载结构模型及计算结果（第二阶段）由图 结构受力图可知，衬砌单元在拱顶处弯矩最大，拱顶与拱脚位置剪力较大，拱肩处向右下方沉降，拱脚处受到压力，产生向右下方的位移。根据功能函数进行计算，计算结果见图。图 法功能函数计算结果（第二阶段）由图 可见，衬砌单元较危险位置为拱顶与拱脚处，其安全系数值为 且有裂缝发育，最大值为 ，需要做加固处理。相同位置处的衬砌单元与上一步相比安全系数提升不大，结构受力为拱顶处与拱脚处最大。第三阶段。隧道部分数值模型见图。图 法第三阶段隧道开挖图周甲强等：偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究 年第期衬砌结构在犢 处的位移及其变化速率和最大、最小主应力云图见图。图 法衬砌结构云图（第三阶段）如图 所示，衬砌结构位移主要发生于深埋侧拱肩处，最大值为 。衬砌结构最大拉应力、最大压应力分别为 和 。分析衬砌结构受力，荷载结构模型及计算结果见图。图 法荷载结构模型及计算结果（第三阶段）根据功能函数计算衬砌单元安全系数与裂缝宽度，计算结果见图。图 法功能函数计算结果（第三阶段）如图、所示，随着隧道衬砌单元的闭合，整体受力均匀，相同位置处衬砌单元安全系数与之前阶段相比有明显提高。最危险位置为拱脚处，安全系数为 且有裂缝发展，裂缝宽度为 。法结果分析综上，当仅施加左上部分衬砌结构时，其拱顶处为最危险位置，安全系数最低，且伴随有裂缝发展，需要施加支护措施。当衬砌结构与中横隔闭合时，隧道衬砌结构在深埋侧拱肩至拱腰处位移最大。与上一阶段相比，衬砌结构内力增大均较多。此状态下衬砌结构稳定性与上一步并没有明显提升，整体安全系数保持不变，裂缝进一步发展。说明当衬砌尚未闭合时，稳定性较差，需选用较强的材料。当衬砌结构已经闭合时，隧道衬砌结构在深埋侧拱肩处位移较大。与上一阶段相比，衬砌结构内力增大趋势同样变小，说明当衬砌结构闭合后继续开挖时，隧道结构稳定性较好。此状态下衬砌结构的安全系数提高较大，裂缝发展受限，结构整体受力为不对称分布，深埋侧较大，需对深埋侧做一定的加强。结果对比在主洞开挖到 时，选取犢 隧道截面进行分析。提取隧道断面关键点：拱顶、两侧拱肩和拱底等的竖向沉降与洞周水平收敛值进行对比分析，其中左侧为深埋侧，右侧为浅埋侧，关键点位移数据见表。表不同工况关键点位移施工工法竖向位移拱顶左拱肩右拱肩拱底水平位移洞周收敛最大裂缝宽度台阶法开挖 法开挖 注：表中数值正值表示变形向上，负值表示变形向下。结论）采取不同的开挖工况，得出在隧道洞周位移方面，法开挖效果最好，其洞周关键点位移较小，衬砌单元受力较均匀。从施工过程来看，台阶法与环形开挖预留核心土法在施工中衬砌受力 年第期周甲强等：偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究较合理，产生裂缝较少。因此可以考虑采用 法开挖，并在施工过程中提前在危险位置处做出加固处理。）通过将计算得到的不对称围岩压力施加到衬砌单元上，在荷载结构模型中计算结构内力、安全系数与裂缝宽度。得出当衬砌结构还未闭合时，单元安全系数较低，且会产生一定的裂缝；随着施工的推进，衬砌结构达到完整闭合，受力均匀，相同位置处的衬砌单元安全系数有明显提高，裂缝发展在正常使用范围要求之内。）施工过程中因衬砌结构未闭合，受力不合理，因此会在施工中产生一定的裂缝，在后续衬砌闭合后并不会消失，对衬砌结构稳定性、耐久性等都会产生影响，需要在施工过程中进行加固。参考文献邓娜，文海家地形偏压隧道施工塌方风险事故树分析长春：全国工程地质学术年会，刘小军，张永兴，高世军，等软弱围岩隧道洞口段失稳机制分析与处置技术岩土力学，（）：张军伟，陈云尧中国西南地区隧道施工事故特征分析地下空间与工程学报，（）：廖雄高地应力软岩大跨变截面隧道施工变形机理及其控制技术研究成都：西南交通大学，张芳芳，雒志利某高速公路软岩隧道施工过程中的应力和变形研究公路工程，（）：田小旭隧道洞口浅埋偏压段施工稳定性分析及工程对策研究西安：西安建筑科技大学，王祥秋，杨林德，高文华高速公路偏压隧道施工动态监测与有限元仿真模拟岩石力学与工程学报，（）：张成良，赵任旭，刘磊连拱隧道施工过程中裂缝分布规律调查及产生原因分析自然灾害 学报，（）：刘德军，黄宏伟，岳清瑞，等隧道衬砌张拉裂缝开裂机制及快速修复方法初探土木工程学报，（增刊）：，（）：李耘宇，王和平，申裕峰，等考虑双洞净距的浅埋隧道锚围岩压力分布规律武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：犛 狋 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊犪 狀 犱犆 狅 狀 狋 狉 狅 犾 狅 犳犔 犻 狀 犻 狀 犵犛 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犲犇 狌 狉 犻 狀 犵犆 狅 狀 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犻 狅 狀狅 犳犪犅 犻 犪 狊 犲 犱犜 狌 狀 狀 犲 犾犣犎犗 犝犑 犻 犪 狇 犻 犪 狀 犵，犑 犐 犃犖犌犌 犪 狅 狔 狅 狀 犵，犠犃犖犌犑 犻 狀，犆犎犈犖犙 犻 犺 犪 狅，犔 犐犅 犻 狀（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；周甲强等：偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究 年第期