不良地質條件下公路隧道施工力學特性研究

王修斌

（山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展及“一帶一路”發展戰略的不斷實施，我國高速公路建設規模越來越大。在此形勢下，高速公路隧道所遇到的地質條件也越來越復雜，如巖溶、斷層破碎帶、膨脹巖、高地應力、軟弱圍巖、淺埋偏壓、富水等不良地質情況越來越多，導致隧道在施工過程中極易產生突泥、涌水、掉塊、塌方、冒頂、基底隆起等施工災害，給施工人員及機械安全帶來了極大的威脅。為此，研究不良地質條件下隧道施工過程中的力學特性對于提高隧道施工效率、保證施工安全具有非常重要的意義。

目前，國內外學者們針對不良地質條件下隧道施工力學特性、處治技術開展了大量深入而詳細的研究工作，也取得了一系列的研究成果。李樹忱[1]等人研究了膨脹性黃土隧道的力學機制，提出了相應的支護結構型式；吳廣明[2]結合高地應力軟巖隧道——蘭渝鐵路兩水隧道的工程實例，分析其力學機理，提出支護參數的優化方案；陳建勛[3]依托劉家坪2號隧道的工程實例，通過施工監測，全面了解黃土隧道淺埋偏壓洞口段的套拱受力特性；孟德鑫[4]利用現場監測和數值模擬手段，分析了大斷面黃土隧道地層變形規律、初期支護力學機理，并對比分析了各類圍巖變形控制技術。本文依托某淺埋偏壓隧道的工程實例，利用現場監測和數值模擬手段，分析其施工力學特性，從而為類似工程施工、設計提供數據支持。

1 工程概況

某高速公路隧道是寶天高速的控制性工程，為雙向四車道分離式隧道，左洞長3525 m，右洞長3470 m，屬特長公路隧道。隧址區位于秦嶺北麓，山勢險峻，屬典型的高山峽谷地帶，具有較強的切割、剝蝕地質作用。根據地質勘察資料顯示，隧址區洞身段地層主要為第四系全新統角礫巖、片麻巖、強風化花崗巖，其節理裂隙極為發育，圍巖條件極差，屬Ⅴ級圍巖；且隧道洞身段穿越3條地質斷層帶，該斷層帶圍巖破碎，風化程度高，富水性強；隧址區地表巖層主要為坡崩積塊石土（Q4dl+el），坡殘積紅黏土（Q4dl+el）、粉質黏土、碎石土等。受地形條件的影響，該隧道洞口段屬典型的淺埋偏壓地形，其最小埋深僅為3.5 m，其具體情況如圖1所示。當施工至斷層破碎帶時，由于其圍巖富水性較強，隧道初期支護存在滲漏水現象，且伴隨裂縫出現，具體情況如圖2所示。

圖2 隧道洞內施工情況

2 現場監測

2.1 監測方法

結合本項目的實際特點，通過布設土壓力計分別監測圍巖與初支、初支與二襯之間的接觸壓力，并布設振弦式鋼筋應力計來監測鋼拱架應力情況，從而全面分析整個支護結構的力學特性。在傳感器布設方面，首先在隧道洞口淺埋偏壓段的初期支護與圍巖之間布設9個壓力計，其布設位置以隧道軸線呈對稱狀態；其次在初期支護與二襯之間布設9個壓力計，位置與初期支護和圍巖之間的壓力計相對應；最后在二襯鋼筋上布設7個鋼筋應變計，其具體位置如圖3所示。

圖3 傳感器布設位置圖

在土壓力計布設過程中，應嚴格保證土壓力計的受壓面朝向被測界面，承受土壓力計的界面應整平，且安裝就位后土壓力計初始值應大于布設前土壓力計自由狀態下的讀數，具體情況如圖4所示。鋼筋應力計布設時應將其焊接在主筋上，且焊接面積不應小于主筋的有效面積；同時，在焊接時為避免鋼筋應力計受溫度的影響，應采取敷設濕毛巾或流水冷卻等措施進行保護，其現場布設情況如圖5所示。

圖4 土壓力計現場布設情況

圖5 鋼筋應力計現場布設情況

2.2 監測結果及分析

利用上述現場監測手段，對圍巖-初期支護間接觸壓力、初期支護-二襯間接觸壓力、鋼拱架應力進行監測，結合本項目的實際情況，選取淺埋偏壓洞口段為典型隧道監測斷面，所測得的結果如圖6～圖8所示。

圖6 圍巖與初支間壓力監測結果（單位：kPa）

從圖6中可以看出，圍巖與初支間接觸壓力分布極不均衡，右側壓力明顯大于左側壓力，其最大值為260 kPa，發生在測點3處，為最小值86.3 kPa的3倍。可見，在偏壓地形條件下，圍巖與初支間接觸壓力極易形成應力集中，尤其在埋深較大一側對應的拱肩部位，不利于整體穩定性。

圖7 初支與二襯間壓力監測結果（單位：kPa）

從圖7中可以看出，在二襯施作完成后，二襯開始承受部分壓力，其值范圍為17.2～45.4 kPa，其右側壓力仍普遍大于左側壓力，最大值45.4 kPa發生在測點5處。可見，軟弱圍巖隧道二襯在施作完成后迅速承擔部分荷載，且受偏壓地形條件的影響，其二襯與初支間接觸壓力分布不均衡。

圖8 鋼拱架應力監測結果（單位：kPa）

從圖8中可以看出，鋼拱架外側壓力分布不均衡，右側壓力明顯大于左側壓力，其最大值13.3 kPa發生在右側拱腰處；而鋼拱架內側壓力值最大值15.3 kPa分布在左側拱肩處，且左側壓力值明顯大于右側。此原因在于，在偏壓軟弱圍巖的影響下，鋼拱架整體向左側傾斜，導致鋼拱架內外壓力值分布情況正好相反。

3 數值模擬

3.1 計算模型及參數

為進一步分析驗證不良地質條件下公路隧道施工力學特性，本文采用大型有限元分析軟件MADIS-GTS，建立數值模型進行分析。假定隧道圍巖材料為均質彈塑性體，其材料力學特性遵循Drucker-Prager屈服準則，其數值模型如圖9所示，所得隧道襯砌彎矩、軸力的模擬結果如圖10、圖11所示。

圖9 隧道有限元模型

圖10 隧道襯砌彎矩圖（單位：kN·m）

圖11 隧道襯砌軸力圖（單位：kN）

從圖10中可以看出，隧道襯砌的彎矩拱頂左右45°范圍內為正彎矩，從拱肩到拱腰上側為負彎矩，拱腳處所受的彎矩最大，可見拱腳為襯砌受力最不利位置。受不良地質條件的影響，其右側拱腳彎矩值較大，且分布范圍較大，最大值達到了87.05 kN·m，相鄰仰拱處彎矩最大值為-66.24 kN·m，該處極易產生襯砌縱向裂縫；而左側彎矩值分布范圍較小，且相鄰仰拱處彎矩最大值較小，發生裂縫的風險相對較小。從圖11中可以看出，隧道襯砌軸力受不良地質條件的影響，其在拱頂和仰拱處均產生了應力集中，其最大值達到了573.8 kN，極易產生拱頂下沉及基底隆起病害；因此在不良地質段隧道施工過程中，應加強襯砌拱頂背后注漿質量，并加強仰拱強度。

4 結論

本文依托某淺埋偏壓隧道的工程實例，利用現場監測和數值模擬手段，分析其施工力學特性，得出以下幾點結論：

a）在偏壓地形條件下，圍巖與初支間接觸壓力極易形成應力集中，其應力最大值發生在埋深較大一側對應的拱肩部位，不利于整體穩定性。

b）軟弱圍巖隧道二襯在施作完成后迅速承擔部分荷載，且受偏壓地形條件的影響，其二襯與初支間接觸壓力分布不均衡。

c）在偏壓軟弱圍巖的影響下，鋼拱架整體向左側傾斜，導致鋼拱架內外壓力值分布情況正好相反。

d）受不良地質條件的影響，其右側拱腳彎矩值較大，且分布范圍較大；隧道襯砌軸力在拱頂和仰拱處均產生了應力集中。