以柞山高速段小岭隧道为依托，建立数值分析模型对隧道洞口浅埋偏压段开挖与支护过程进行数值分析，探讨了围岩与衬砌材料的变形与应力变化规律。研究结果表明：偏压导致隧道洞口两侧出现超过１８ｍｍ的变形差，通过锚喷支护可将该变形差控制在７ｍｍ以内；偏压隧道稳定性最不利位置出现在拱顶与底部处，在拱顶右侧与拱底左侧出现应力集中现象；双侧壁导坑法相对于预留核心土开挖法可以更好地控制拱顶处竖向变形；设计中应合理设计衬砌参数，防止锚杆等材料处于屈服状态，保证隧道施工安全。

关键词：公路隧道；浅埋偏压；变形；有限元模拟

近年来随着公路交通运输业发展与“一带一路”倡议的深入贯彻，交通网不断扩大，相应的隧道工程数量也在不断增长。由于地形与选线的限制，公路隧道洞口常常会选择在偏压段，隧道偏压可能会造成围岩变形，严重时会导致围岩失稳破坏与衬砌剪切破坏，影响工程进度与施工安全，所以对于隧道偏压段的研究显得尤为重要。近些年，许多专家学者围绕该问题进行了大量研究，取得了很大进展。彭丽敏等［１］采用室内试验结合理论分析得出了偏压隧道破坏模式，建立了与之相对应的速度场，并结合实际工程验证了其适用性。霍卫华［２］以大梅沙隧道为例，采用有限元软件模拟了软岩偏压隧道采用双侧壁导坑法开挖与支护过程，计算结果显示：采用双侧壁导坑法施工，拱顶与仰拱会出现严重的应力集中现象。李园园［３］将ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟结果与工程实测地表沉降值相对比，分析得出偏压隧道地表沉降基本规律。于跃勋［４］将有限元模拟结果与室内试验结果相结合，探讨了层状岩体偏压隧道的破坏形式，给出了该地质条件下最合理的衬砌形式。邓凡等［５］以大断面偏压隧道为例，对比了单侧壁导坑法与双侧壁导坑法对于隧道沉降的影响差异，结果表明两种工法无明显差异，而单侧壁导坑法因其经济性被推荐使用。

本文以陕西柞水至山阳高速公路小岭隧道段为　２０２０年　第５期韩立志：浅埋偏压隧道双侧壁导坑法开挖数值模拟研究依托，在搜集查明工程地质条件的基础上，采用有限元软件对隧道开挖以及支护过程进行数值模拟，探讨隧道在开挖支护过程中的围岩应力以及位移变化规律，确定最不利荷载位置，确保施工安全。同时，通过计算所得的数据评价隧道支护结构与施工方法的合理性，为后续施工工艺以及设计参数提供最直观的数据。

柞水至山阳高速公路项目是陕西省高速公路网规划建设的十八条联络线中丹（凤）宁（陕）线的重要组成部分，其中小岭隧道位于商洛市柞水县境内，是柞山高速公路项目关键控制性工程之一。隧址区区域地质构造单元属于中秦岭海西褶皱带和南秦岭印支褶皱带交界线，大地构造位置位于秦岭褶皱系中秦岭海西褶皱带。隧道穿越山体属于构造侵蚀与流水切割中山地貌，为石质中山，基岩出露，地形陡峻，隧道穿越段海拔高程约７３０～１　２９２ｍ，地形起伏大，最大相对高差约５６２ｍ。

隧道进口位于明星村乾佑河东岸残坡积物坡面上，洞口与坡面近于垂直，坡度约４２°，洞口左侧为一短促冲沟，沟口为堆积残坡积层。隧道洞身山体较为破碎，短促冲沟较发育，山体总体基岩出露，洞口上方台地与洞身地表局部低洼带发育有残坡积碎石土、块石等。沿线出露的地层主要是泥盆系、震旦系和第四系松散堆积层，岩性主要有石英砂岩、砂质板岩、石英片岩，相互交替成层出现。

隧道进口浅埋偏压段设置偏压挡墙并结合超前管棚进行预加固，同时采用钢筋混凝土衬砌结构形式确保隧道结构的稳定、安全，施工时尽快完成仰拱施作，与拱墙及早形成封闭承载体系，避免因施工工艺不当导致地面下沉、开裂和二衬产生裂缝。地表采用注浆加固，洞口端边、仰坡采用早强药卷锚杆挂网喷射混凝土支护，加固土体，减少地表及边仰坡变形。洞口段Ｖ级围岩采用双侧壁导坑法开挖，按左导洞、右导洞、上部核心土开挖上断面，施作初期支护，再开挖下台阶，并施作相应初期支护。

洞口浅埋段采用地层结构法进行模拟，假设隧道围岩为弹塑性摩尔库伦材料，衬砌材料为弹性介质。模型边界水平方向计算范围取４０ｍ，竖向计算范围取至隧道底部以下３倍洞径，上方取至地表。模型网格划分如图１所示，计算荷载考虑岩土体自重及开挖释放荷载，不考虑水平构造应力对隧道结构的影响。相应的边界设置为左、右边界约束水平方向位移，下边界约束竖直方向位移，顶部边界为自由边界。为简化模拟，进口地形采用平面，纵坡４５°，横坡３０°，土体采用实体单元，衬砌结构采用板单元。隧道模型示意如图２所示。

根据隧道工程设计与勘察资料，结合围岩与地质状况，并参考有关规范［６］，可确定围岩、衬砌与锚杆的数值模拟计算参数。如表１和表２所示。

２．３．１　围岩变形特征

洞口偏压段采用双侧壁导坑法施工［７－１０］，先行开挖左导洞，图３分别为隧道左导洞开挖５ｍ与１０ｍ后的计算结果图，开挖５ｍ后拱顶竖向累计位移为１．５０ｍｍ，底部中心线竖向累计位移为２．０６ｍｍ；开挖１０ｍ后拱顶竖向累计位移为１．９２ｍｍ，底部中心线竖向累计位移为２．４７ｍｍ。对比不同开挖长度的左导洞长度可知：随着左导洞的不断掘进，拱顶与底部变形不断增大；掘进长度的增加也会导致围岩塑性区的范围不断增大。

图４所示分别为隧道左导洞开挖、右导洞开挖、中上部土体开挖、下部土体开挖竖向位移计算结果图。隧道开挖完成后拱顶最大竖向累计位移为４．５９ｍｍ，底部中心线竖向累计位移为５．９３ｍｍ。随着各分部的开挖，围岩变形与塑性区范围不断增大。由于洞口段偏压，拱顶右侧（埋深较大一侧）竖向位移明显大于拱顶左侧位移，导致拱顶左部与右部产生变形差，其变形方向与变形量均在拱部产生突变。变形量最大差值１８ｍｍ。

围岩应力计算结果图表明隧道开挖过程中最小主应力均为压应力，且最小主应力的最大值均发生在隧道开挖面的拱顶和拱底，并在拱顶右侧和拱底左侧出现应力集中现象。隧道开挖过程中存在剪切应力，并在拱顶右侧和拱底左侧出现应力集中现象。

图５所示为隧道开挖后以及衬砌施作后的竖向位移计算图。计算结果表明：锚喷支护对于控制围岩拱顶和底鼓的变形有重要作用，拱顶竖向沉降位移在施作锚喷支护后增幅明显减小，在二次衬砌支护之前趋于稳定；衬砌的施作，减少了由于偏压造成的拱部两侧变形差，将其变形差值控制在７ｍｍ以内。衬砌施作后拱顶竖向累计位移为５．９２ｍｍ（小于预留核心土模拟结果７．３８ｍｍ），底部中心线竖向累计位移为６．８３ｍｍ（预核心土开挖模拟结果６．９ｍｍ）。即表明双侧壁导坑开挖方法相对于预留核心土开挖方法，可以更好地控制洞顶竖向变形，但对于控制底部竖向变形无较大差别［１１］。

２．３．２　锚杆轴向应力分布特征

图６为各分部开挖后所施作锚杆轴向应力计算结果图［１２］。计算结果表明：系统锚杆轴力随着隧道各分部开挖整体趋于增大，尤其当上部土体开挖后，轴力增幅较大；锚杆最大拉力从开挖初期到洞室开挖结束的变化范围为７０４．２５～１　３６８．３３ｋＮ，最大压力的变化范围为３７．４７～４　５１９．２８ＭＰａ；隧道右侧的绝大多数锚杆处于拉力状态，从而限制了围岩向内变形，隧道边墙处的锚杆由于围岩应力较大大多处于受压状态；单根锚杆下部分所受拉力大于上部分（规定锚杆靠近隧道支护结构的一侧为下部分，远离隧道支护结构的一侧为上部分）。

下部完全开挖支护后，锚杆的轴力也随之明显增大，最大拉力值为１　９８０．６９ｋＮ，发生在隧道的右侧拱脚处的锚杆。从锚杆的受力特点情况来看也体现了偏压情况的明显存在。对于隧道支护体系中的锚杆，在隧道拱顶、拱腰处的锚杆大部分处于受拉状态，而在边墙处的锚杆绝大本分处于受压状态。图７分别为隧道开挖结束与衬砌施作后的锚杆轴力云图［１３］。

图７结果表明，由于锚杆数量不足，部分锚杆处于屈服状态，造成一定的安全隐患，在施工中应该优化锚杆数量配置，保证围岩稳定性。

２．３．３　混凝土应力分布特征

图８所示为各分部衬砌施作后的混凝土应力变化云图（规定应力指向隧道为正）。图８结果表明：随着隧道的不断掘进，隧道拱脚与墙底处的应力明显增大；隧道边墙处局部应力超过了Ｃ２５混凝土的轴心抗压强度９．６ＭＰａ；由于偏压的存在，两侧混凝土受力不均匀，部分混凝土受力方向指向围岩；使用双侧壁导坑法，可对上部围岩提前支护，上部围岩应力变化值较小，从而保证围岩的稳定。设计施工中应根据拱脚与墙底部的应力变化特征来调整支护参数，保证围岩的稳定性［１４，１５］。

本文通过对公路隧道浅埋偏压段开挖支护过程进行数值模拟研究，得出如下结论。

（１）从围岩位移计算云图可以看出，偏压会导致隧道拱顶两侧出现位移差，最大变形差值约１８ｍｍ。通过衬砌的施作可以将该位移差值控制在７ｍｍ以内；围岩的塑性区随着隧道各分部开挖的推进逐渐增大，隧道的最不利位置出现在拱顶与底部处，拱顶右侧与拱底左侧出现应力集中现象。在设计偏压隧道支护参数时应加强。

（２）与预留核心土开挖方法相比，双侧壁导坑法可以有效减少拱顶的竖向累计位移，但对墙底竖向位移的控制无明显效果。

（３）偏压段隧道锚杆在隧道拱顶与拱腰处处于受拉状态，在边墙处处于受压状态，单根锚杆下部分所受拉力大于上部分；由于锚杆数量配置不当，导致部分锚杆处于屈服状态。

（４）随着隧道各分部的开挖，隧道拱脚与墙底的混凝土应力变化幅度较大，上部围岩由于提前支护，应力值变化较小；隧道边墙处部分混凝土应力超过轴心抗压强度，在施工中可适当调整混凝土的喷射厚度。