淺埋偏壓隧道支護結構受力特性及施工優化方案研究

李宏利

（山西呂梁高速公路有限公司，山西 呂梁 032200）

0 引言

隨著國家公路網的不斷完善及西部大開發戰略的不斷實施，我國高速公路里程不斷增加，截止2016年底，我國高速公路隧道數量達15 181座，單延米長度達14 039 km，位居世界第一，我國可謂名副其實的“隧道大國”。然而，隨著我國高速公路隧道工程建設的不斷發展，其面臨的地質地形、氣象、水文等條件越來越復雜，導致淺埋、偏壓、大斷面、小凈距、連拱等特殊型式隧道越來越多。其中，淺埋偏壓隧道由于受力極不均衡，且多穿越軟弱破碎帶，其在施工過程中極易導致塌方、冒頂、初期支護開裂、基底隆起、滲漏水等病害，可以說，淺埋偏壓隧道施工面臨著嚴峻的技術挑戰。

近年來，學者們針對淺埋偏壓隧道開展了大量深入的研究，也取得了一系列的研究成果。汪宏[1]利用數值模擬手段分析了淺埋偏壓隧道洞口塌方段的力學特性，并結合工程實際情況提出了處治方案；江磊[2]依托某大跨度淺埋偏壓隧道的工程實例，利用現場監測、數值模擬手段分析了其圍巖壓力分布情況，并利用圍巖-支護結構相互作用原理，分析了支護結構力學特性；楊明舉[3]依托章印1號隧道，利用數值模擬手段研究其地表注漿及混凝土蓋板的預加固效果，并提出了合理開挖順序；高文學[4]等利用數值模擬手段研究了淺埋偏壓隧道進口段的圍巖應力場、位移場、塑性區及反壓回填后的應力場，并利用現場監測手段進行驗證。這些研究成果都為淺埋偏壓隧道的設計、施工奠定了良好的理論基礎，然而，隧道工程具有其唯一性，各個隧道地形地質條件不同，其力學特性各不相同。本文依托某淺埋偏壓隧道，結合其工程實際情況，利用數值模擬手段分析其受力特性，并有針對性地提出施工優化方案，研究成果可為類似地形地質條件下的隧道工程提供技術支撐。

1 工程概況

1.1 工程簡介

山西某高速公路隧道為分離式雙向四車道山嶺隧道，其左線起訖里程為ZK9+850—ZK10+930，全長1 080 m；右線起訖里程為K9+835—K10+925，全長1 090 m。左右洞均屬于長隧道，其隧道走向呈南北向。隧址區的地貌類型為典型的黃土墚狀山區，其隧道洞身段中間部位地形較高，兩端洞口處地形較低，隧址區內平均海拔為823.30 m。隧道洞身段地表覆蓋有黏質粉土層其厚度為9.80～15.23 m；隧道洞口段所處地層為厚層狀粉土，其中，隧道左洞進口覆蓋層最薄處僅為1.43 m，而其右側覆蓋層厚度最大達到12.23 m，屬典型的淺埋偏壓隧道。

1.2 地質條件

該隧址區內從上到下依次出露的地層主要為第四系上更新統馬蘭組（Q3m）、第三系上新統靜樂組（N2j）。其中第四系上更新統馬蘭組地層主要為粉土、粉砂土，呈淺黃色，其大孔隙發育、垂直節理發育、鈣質含量較大，含水量稍大，圍巖整體穩定性較差；而第三系上新統靜樂組的巖性主要為黏土，呈淺褐色，質地均勻，但在局部地層中鈣質結核含量較大，工程性質整體較差。

1.3 隧道洞口施工情況

由于該隧道洞口段45 m范圍內左側上覆土層厚度與右側上覆土層厚度差異較大，其淺埋偏壓情況嚴重，給隧道洞口施工帶來了極大的挑戰。在施工過程中，由于強降雨天氣，地表水下滲引起洞口邊坡滑塌，滑塌體幾乎掩埋了整個隧道洞口，具體情況如圖1所示。由于隧道洞口邊坡滑塌導致隧道拱部荷載急劇增加，引起隧道支護結構受力極不均衡，隧道支護結構右側拱肩處產生裂縫，其寬度達1.5～2.3 cm，其具體情況如圖2所示。

圖1 隧道洞口邊坡滑塌情況

圖2 隧道洞口初期支護開裂情況

2 支護結構受力特性分析

2.1 數值模型的建立

本文利用ANSYS數值計算軟件對隧道淺埋偏壓段進行模擬分析，采用二維平面應變模型，其計算模型在水平方向范圍為隧道左右各取3倍洞徑；在豎直方向范圍為隧道下部取3倍隧道洞徑，上部根據實際地表情況進行確定，其基本形態為左低右高，呈明顯淺埋偏壓地形。在模型邊界條件方面，隧道底部施加垂直方向的約束條件，隧道左右側分別施加水平方向的約束條件，頂部不施加約束條件[5]。

在本模型中，隧道圍巖采用彈塑性本構模型材料Plane42單元，其遵從Drucker-Prager屈服準則；噴射混凝土和鋼拱架采用Beam3單元；錨桿采用Link1單元。各材料的物理力學參數如表1所示。

表1 隧道模型材料物理力學參數

本模型利用“alive”、“kill”命令來實現模擬單元的生死功能。在模擬過程中，首先對模型施加初始重力場，其次模擬隧道開挖及初支的施作，釋放部分初始應力，從而模擬分析隧道初期支護在淺埋偏壓地形條件下的應力應變情況。

2.2 數值計算結果分析

通過數值模擬分析，得出該淺埋偏壓隧道開挖后水平方向及豎直方向的位移分布情況，并計算出初期支護結構的軸力及彎矩值，其具體情況如圖3～圖6所示。

圖3 水平方向位移分布圖（單位：10-3m）

圖4 豎直方向位移分布圖（單位：10-3m）

圖5 初期支護軸力圖（單位：106N）

圖6 初期支護彎矩圖（單位：kN·m）

從圖3中可以看出，該隧道初期支護水平向最大位移值發生在隧道左右邊墻、拱腳部位及拱頂斜上方地表處，其最大值達到9.4 mm，由于淺埋偏壓地形的作用，初期支護承受較大的偏壓荷載，在左右側邊墻部位產生了較大的水平向位移。從圖4中可以看出，豎向位移最大值發生在隧道拱頂及基底部位，其值達到12.1 mm；且隧道拱頂豎向位移明顯大于基底豎向位移，其原因在于淺埋偏壓地形條件下，隧道支護結構承受不均勻荷載，在拱頂部位產生應力集中現象。

從圖5中可以看出，隧道初期支護結構軸力最大值發生在左側仰拱、右側拱腳處，其最大值達到了712 kN，且右側初支軸力明顯大于左側初支軸力。可見，在淺埋偏壓地形作用下，初期支護結構整體受力極不均衡，不利于隧道整體穩定性。從圖6中可以看出，隧道初期支護結構的彎矩最大值也發生在右側拱腳部位，其值達475.5 kN·m，且該處為正負彎矩交界處。可見，在淺埋偏壓地形條件下，初期支護結構在該處產生剪應力集中現象，對隧道整體穩定性極為不利。

3 施工優化方案

3.1 增設臨時支撐

為避免淺埋偏壓隧道初期支護變形的繼續發展，提高隧道初期支護整體穩定性，結合現場實際情況，本項目在隧道大變形地段及時增設了臨時支撐[6]，其沿隧道軸向布設間距為0.5 m，其橫向、豎向支撐均采用I20a型工字鋼。臨時支撐與初期支護鋼拱架焊接牢固。通過增設臨時支撐，減小了隧道內部臨空面，極大地提高了初期支護結構的整體穩定性。臨時支撐的具體情況如圖7所示。

圖7 隧道初期支護臨時支撐

3.2 地表注漿

由于該隧道淺埋偏壓段圍巖大孔隙發育、垂直節理發育、含水量稍大，圍巖工程性質較差，因此結合現場實際情況，采用地表注漿法對淺埋偏壓段圍巖進行加固。注漿漿液采用水泥-水玻璃漿液，注漿管采用Φ42的鋼花管，注漿孔按梅花型排列，其間距應為漿液擴散半徑的1.5倍。注漿深度應由地表達到隧道初期支護背后。同時，為增強地表注漿加固的效果，可在地表布設一層鋼筋網片，并噴射一層厚度為10 cm的混凝土，以提高注漿加固圍巖的整體性。

圖8 隧道地表注漿

4 結論

以山西某高速公路隧道為依托工程，總結分析其工程特性，利用數值模擬手段研究其初期支護結構的應力、應變特征，并提出相應的施工優化方案，所得結論如下：

a）在淺埋偏壓地形條件下，隧道支護結構受力極不均衡，且由于強降雨天氣導致地表水下滲，引起邊坡滑塌，導致初期支護荷載劇增，引起開裂。

b）通過數值模擬分析顯示，隧道初期支護結構承受不均勻荷載，其左右邊墻、地表部位發生較大的水平位移，拱頂、基底處產生較大的豎向位移；而最大軸力值和彎矩值均發生在隧道右側拱腳處，不利于隧道的整體穩定性。

c）通過采取增設臨時支撐、地表注漿等工程措施，可減小隧道內部臨空面，提高初期支護結構的整體穩定性，改善淺埋偏壓段圍巖的工程性質。