肖国祥
摘要 为了提升公路隧道施工技术水平，依托某高速公路项目，探讨了浅埋偏压小净距隧道的判定方法及围岩受力特征，并利用有限元软件ANSYS 15.0建立隧道三维计算模型，利用生死单元法模拟了浅埋偏压小净距隧道的施工，从隧道顶地表位移和合理净距两方面分析了不同施工工况下浅埋偏压小净距隧道的力学效应。
关键词 浅埋偏压；
小净距；
隧道工程；
判定方法；
受力特征；
塑性区
中图分类号 U455.4；
U456.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0081-03
0 引言
随着经济飞速发展，为了促进区域交流，各种公路工程的建设规模日益扩大。而隧道工程是公路上的重要构造物，其建设质量会直接影响整条公路的安全运营和造价。浅埋偏压小净距隧道的地形和地质环境一般比较恶劣，围岩和支护措施之间的相互作用机理复杂。如何选择合理的隧道施工措施，保证隧道施工安全，是施工技术人员需要解决的重要问题。大量工程实际表明，浅埋偏压小净距隧道施工措施的选择与其力学特性密切相关。如果施工技术人员对隧道的施工力学效应认识不清楚，制定施工方案盲目参考其他项目的经验，可能导致隧道施工方案适用性差，引起隧道衬砌开裂、塌方、滑坡等病害，影响施工进度，危及施工人员的生命安全，严重的可能导致重大安全事故[1]。因此，进一步研究浅埋偏压小净距隧道施工力学效应具有重要的工程价值。
1 工程概况
1.1 隧道建设标准
该文以某高速公路为研究对象，探讨浅埋偏压小净距隧道的受力特征和施工力学特性。该隧道建设标准为上下行分离的双向四车道，设计荷载为公路I级，设计速度80 km/h，设计洪水频率为1/100，隧道最大埋深为24.2 m，左、右线设计间距约6 m，左、右线长度分别为125 m、128 m，属于短隧道。同时，隧道内轮廓为半径5.5 m的三心圆断面，建筑限界为10.25 m（宽）×5.0 m（高）。
1.2 地质情况
根据隧道施工图勘察报告。该隧道位于构造剥蚀中低山区地貌区，沿洞轴线最大高程约668.5 m，最低高程约为632.5 m，相对高差36.0 m。隧洞进口和出口处的山坡均为斜坡，均处于稳定状态，其中进口斜坡坡向350°，坡角40°；
出口斜坡坡向135°，坡度角35°。同时，围岩以三叠系泥灰岩为主，围岩整体风化裂隙发育，岩体完整性较差，自稳定性较差，均判定为Ⅴ级围岩。
1.3 隧道支护参数
该隧道支护按“新奥法”设计，使用复合式衬砌，将钢拱架、锚杆、钢筋网、混凝土喷层等作为初期支护，以钢筋混凝土作为二次衬砌，在监控量测及地质超前预报数据的指导下及时采取各种支护措施。隧道各种支护措施的参数如表1所示。
2 浅埋偏压小净距隧道判定及力学特征
2.1 浅埋偏压小净距隧道判定方法
2.1.1 浅埋隧道判定
根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018），可用“荷载等效高度值hq”来判断某一隧道属于浅埋还是深埋。荷载等效高度值hq的计算可参考式（1）～（2）[2]：
式中，Hp——深埋和淺埋隧道分界高度；
q——隧道垂直均布压力（kPa）；
r——围岩重度（kN/m3）。
当隧道埋深H≤Hp时，表明隧道属于浅埋隧道。代入数值，可知该隧道深埋和浅埋的分界高度为31.0 m，而隧道最大埋深仅24.2 m，故属于浅埋隧道。
2.1.2 偏压隧道判定
隧道斜坡偏压是指因地形、地质、施工等因素所引起的隧道结构两侧荷载分布不均匀，从而使隧道内力和变形不对称的现象。大量工程实践表明，隧道偏压以地形偏压为主，即当隧道修建在斜坡地形，隧道衬砌的一侧会产生较大的主动压力区，另一侧会产生较小的被动压力区，导致衬砌结构受力不均匀[3]。
隧道地形偏压有两种：一种是稳定地形偏压，偏压斜坡没有运动趋势或蠕变，多发生在斜交洞口段及傍山浅埋段；
另一种是不稳定地形偏压，此时斜坡有蠕动趋势，土体有向下加速度，隧道受到轴向约束会阻止土体下滑[4]。
2.1.3 小净距隧道判定
根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018），当两隧道之间的间距小于表2中要求的最小距离时，应判定为小净距隧道。
2.2 浅埋偏压小净距隧道受力特征
2.2.1 浅埋偏压隧道围岩压力计算
浅埋偏压隧道围岩压力计算时需假定偏压分布图形与地面坡一致，见图1。
由《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018）可知，浅埋偏压隧道的垂直围岩压力Q可按式（3）计算[5]：
式中，h——内侧拱顶到地面的距离（m）；
h"——外侧拱顶到地面的距离（m）；
λ——内侧土压力系数；
λ"——外侧土压力系数；
r——围岩重度（kN/m3）。
2.2.2 小净距隧道围岩压力计算
根据相关研究成果，浅埋地段的小净距公路隧道，无论处于什么地质条件都要选用荷载－结构法开展内力计算。小净距隧道洞顶的垂直压力Q0等于内侧垂直压力q内与外侧垂直压力q外之和的一半，如式（4）所示：
综上，可将浅埋偏压小净距隧道的受力特征总结为以下三点[6]：①隧道上覆岩土层埋深较浅，围岩风化较严重，导致围岩承载低，无法形成压力拱。隧道在开挖后引起隧道围岩应力重新分布，其力学效应快速向地表传递。②隧道位于偏压地区，可能存在边坡失稳，滑坡等潜在风险。隧道洞口开挖后，会扰动边坡受力，降低边坡稳定性，从而诱发边坡滑移。边坡滑移所产生的水平推力施加在隧道衬砌结构上，进一步加剧了隧道偏压，甚至导致隧道支护结构破坏。③隧道左右线距离较近，两隧道结构的应力场和位移场叠加，在施工时两者之间相互影响。
3 浅埋偏压小净距隧道施工模拟分析
3.1 施工方案的实现方法
该浅埋偏压隧道进洞采用人工、机械开挖、钻爆法相结合的方案，最大程度地降低对隧道上方欠稳定斜坡的扰动，洞身开挖采用“台阶法”。由于隧道左侧围岩弱于右侧围岩，洞身开挖先开挖左侧再开挖右侧。为了保证隧道不发生塌方、落石等灾害，施工时应遵循“边开挖边支护”的原则，具体施工步骤如下：左上部开挖→施作初期支护→右上部开挖→施作初期支护→左下部开挖→施作初期支护→右下部开挖→施作初期支护。此外，在施工时还要及时布置监测断面，现场监控隧道结构的应力和变形随开挖时间的变化规律，并根据数据及时调整和改进施工工艺。
浅埋偏压隧道施工方法的实现可采用有限元软件ANSYS所提供的“生（alive）”与“死（kill）”单元来实现，即通过分次杀死或激活隧道实体单元来模拟浅埋偏压隧道的分步开挖。
3.2 有限元模型建立
3.2.1 计算模型
根据“圣维南定理”，隧道模型尺寸取100 m×100 m
×100 m。利用ANSYS 15.0软件中的实体单元模拟隧道围岩、初期支护和二衬中的钢筋混凝土，屈服准则使用摩尔－库伦模型，需注意，初期支护中的锚杆需要嵌入隧道围岩内部才可以充分发挥作用，需要在锚杆和围岩之间设置接触属性。ANSYS软件中的接触有Surface to Surface和Node to Surface两种，前者“穿透现象”较严重，计算精度较差，后者基本无穿透现象，计算精度较高，但计算速度慢。为了详细了解浅埋偏压小净距隧道的施工力学特性，建模时宜采用Surface to Surface接触。此外，计算模型网格划分采用正六面体，洞身及周边围岩网格进行加密，尺寸取0.5 m，其他部位网格尺寸取1.0 m，最终划分出网格2 659个，节点3 022个，如图2所示。
3.2.2 边界条件
结合相关研究成果，在浅埋偏压小净距隧道模型的左、右侧面设置X向水平方向的约束，模型底面将X、Y、Z三个方向完全约束，模型顶部设置为自由边界，可以在空间内任意变形[7]。
3.2.3 计算参数
在计算模型建立后，需结合隧道的地质勘察报告和工程经验输入隧道结构各组成部分的物理力学参数。该项目围岩重度取22.5 kN/m3、黏聚力25 kPa、内摩擦角23°、泊松比0.35；
初期支护重度取75 kN/m3、黏聚力30 kPa、内摩擦角80°、泊松比0.30；
二次衬砌重度取25 kN/m3、黏聚力30 kPa、内摩擦角100°、泊松比0.30。
3.3 施工台阶长度对隧道力学效应的影响
隧道的力学特性在施工期间是动态变化的，台阶开挖长度不同，隧道应力－应变关系会有明显差异。
3.3.1 隧道地表位移
该文利用有限元软件ANSYS计算了施工台阶长度为4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、24 m时浅埋偏压小净距隧道拱顶地表的位移，同时利用二次多项式函数拟合了施工台阶长度与地表围岩之间关系（相关系数接近1），如图3所示。利用拟合公式，可预测任意台阶长度下浅埋偏压小净距隧道顶的地表位移。
由图3可知：当施工台阶长度从4 m增加至24 m，地表变形分别增加了0.8 mm、0.2 mm、0.2 mm、0.1 mm、
0.05 mm，即随着施工台阶长度的增加，隧道地表位移不断增加，增加速率先快后慢。当施工台阶长度≤8 m，地表位移呈骤增趋势；
当施工台阶长度＞8 m，地表位移增长趋势逐渐变缓。出现上述现象的主要原因分析如下：对于使用台阶法施工的浅埋偏压小净距隧道，初期支护封闭时机是影响围岩受力和变形的重要因素。如果支护不能及时封闭成环，会使得围岩长时间暴露，产生较大变形，影响隧道的整体安全。而隧道的初期支护封闭成环时机与台阶施工长度相关，一般情况下，施工台阶越长，初期支护封闭成环时机越晚。然而，隧道台阶施工长度也不宜过短，否则影响施工机械工作效率。
3.3.2 合理净距
浅埋偏压小净距合理净距研究的本质是探讨先后行洞在开挖后的相互影响程度（可用力学塑性区来评价）。根据ANSYS软件模拟结果可知：当净距≤4 m，左右线隧道的中夹岩位置产生贯通蝶形塑性区；
当净距在6～9 m，塑性区分布范围不断减小，中夹岩处塑性区逐渐分离；
当净距超过9 m，中夹岩处塑性区完全分离，应力分布状态与单洞相似。
4 结语
该文依托某高速公路隧道，探讨了浅埋偏压小净距隧道的判定方法和围岩压力计算方法，并利用数值计算软件ANSYS 15.0模拟浅埋偏压小净距的施工，得到了不同施工工况下的隧道力学特性变形和合理净距。研究成果表明浅埋偏压小净距隧道的埋深要小于荷载等效高度值，净距要小于3.5 B，且位于斜坡地区，而隧道的围岩压力计算应严格遵循《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018）。同时，浅埋偏压小净距隧道顶的地表位移随着施工台阶长度的增加而增加，且增加速率先快后慢，中夹岩位置塑性区也随着净距的增加不断分离。研究成果可为类似项目的浅埋偏压小净距隧道施工提供理论指导。
参考文献
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[4]李华， 彭文波. 超浅埋偏压小净距隧道的施工力学行为分析[J]. 路基工程， 2016（3）：
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