偏壓隧道偏壓應力比特征分析

于清楊，劉 偉，佴 磊，代樹林

吉林大學建設工程學院，長春 130026

0 引言

隧道偏壓是指由于地形、地質、施工等原因造成的兩側圍巖壓力呈現明顯的不均勻性，即一側壓力大、一側壓力小，使得圍巖左右兩側受力不均勻的現象，其會導致初期支護和二次襯砌受到偏壓荷載的作用，給施工和支護造成困難[1-4]。近年來，針對偏壓隧道的設計、施工、維護方法及圍巖穩定性的研究成為熱點[5-9]。

目前，國內外關于偏壓隧道的研究很多。程旭東等[10]利用ANSYS有限元程序計算和分析了在不同埋深、坡角、覆土厚度下，馬鞍形淺埋偏壓軟巖隧道開挖中圍巖的應力應變規律。王兵等[11]以模型實驗及可靠度理論為基礎，對偏壓隧道開挖產生松動荷載的坍落范圍、地表裂縫、松動土體的力學行為、荷載的統計特征及偏壓隧道襯砌結構可靠度分析進行了研究，分析了偏壓隧道的可靠指標及失效概率。姜勇等[12]對巖石隧道，尤其是偏壓隧道的圍巖壓力確定方法及其結構計算方法進行了研究。彭琦[13]通過偏壓小凈距隧道圍巖壓力的理論與數值計算方法，對新奧法中圍巖與支護的共同作用力學原理、小凈距偏壓公路隧道圍巖壓力的計算方法、隧道圍巖的豎向應力和水平側壓力的分布規律以及不同斜坡坡度、不同埋深和不同凈距條件下圍巖壓力的分布特征及變化規律等方面進行了研究。張建[14]從理論分析、現場監測和數值模擬等角度，對淺埋雙側偏壓小凈距隧道的圍巖壓力及施工力學效應等進行了較為深入的研究。鐘新樵[15]結合寶中線老頭溝隧道進行了土質偏壓隧道襯砌的模型試驗，結果表明偏壓隧道的形成與圍巖性質、地表的傾角、隧道覆土厚度、洞室形狀及尺寸及施工方法均有關。姜汶泉等[16]運用數值模擬計算研究了地表傾斜引起的偏壓對隧道洞口淺埋偏壓地段受力、變形特性的影響。劉小軍等[17]針對地形偏壓隧道研究了圍巖類別、橫坡坡度、側覆土厚和最大埋深等因素對偏壓隧道的影響。王磊[18]分析了偏壓隧道的成因、判別方法及不同成因下圍巖壓力的計算方法，并研究了硬巖和軟弱圍巖分界面與地面夾角90°時圍巖壓力的計算方法，采用數值模擬方法，分析了不同地質條件下的隧道二襯結構。

上述對偏壓隧道的成因、穩定性、應力應變分布規律及施工影響規律進行了研究，但沒有針對偏壓隧道偏壓應力比，以及公路、鐵路設計規范給出條件的偏壓應力比進行研究；此外，鐵路和公路設計規范中給出了偏壓隧道對應的坡面傾角和隧道埋置深度，但并沒有相關理論來支撐規范[19]。本文對鶴大高速公路回頭溝隧道淺埋偏壓段展開研究，通過數值方法定量分析規范對應坡面傾角和埋深的偏壓應力比，采用MIDAS軟件建立偏壓隧道數值模擬模型，分析了不同坡面傾角和埋置深度下偏壓隧道對稱兩側的豎向應力比，提出用偏壓應力比的判斷隧道偏壓的特征值，力圖找出偏壓隧道的力學規律，以期為偏壓隧道的設計、施工、支護提供參考。

1 工程實例

1.1 回頭溝隧道概況

回頭溝隧道位于吉林省白山市江源區與通化市柳河縣交界處，洞口位于回頭溝。隧道左幅起止樁號為LK315+655—LK316+275，全長620.00 m，右幅起止樁號RK315+680—RK316+340，全長660.00 m；隧道斷面凈空高度、寬度分別為10.25 m和10.00 m。山區內相對高差大于500.00 m，山體的整體坡度為25°～30°，隧道通過海拔高度為814.00～930.40 m的地段。隧道洞身穿過的巖性主要為角礫巖、強風化片麻巖、中風化花崗片麻巖、中風化片麻巖。洞口段節理裂隙發育程度:Ⅳ、Ⅴ級圍巖節理裂隙發育，巖體破碎；Ⅲ級圍巖節理裂隙較發育，巖體較破碎。

1.2 回頭溝隧道現場應力監測

選取鶴大高速公路回頭溝隧道進出口淺埋段隧道進行現場應力監測，地質條件如圖1所示?，F場分別在拱頂、左側拱肩、左側拱腳、右側拱肩、右側拱腳處安裝YT-ZX-0100系列應變傳感器進行測量，傳感器安裝位置及編號如圖2所示。

圖1 隧道工程地質條件Fig.1 Engineering geological condition of tunnel

圖2 表面傳感器布設位置圖Fig.2 Layout of a surface sensor

傳感器測量應變結果通過多通道數據采集處理器采集，按照傳感器標定值將測量應變轉變為應力值，應力值測量結果如表1所示。

表1 回頭溝隧道LK316+260斷面應力值

2 數值模型

本次研究以典型的雙線鐵路隧道回頭溝隧道為例，進行偏壓應力比特征分析，該方法同樣適用于其他類型的隧道。參照鐵路設計規范，結合鶴大高速公路回頭溝隧道工程淺埋偏壓段的設計參數，建立雙線隧道模型如圖3所示，隧道高度為10.00 m，跨度為12.30 m。整個模型的寬度為44.00 m，下邊界距離中心為28.00 m。地應力場為自重應力場，左右邊界為水平約束，下邊界為雙向約束，地表為自由面。

圖3 偏壓隧道模型圖Fig.3 Model diagram of unsymmetrical load tunnel

圍巖本構模型選用彈塑性模型，根據設計規范，Ⅲ級、Ⅳ級(石)、Ⅳ級(土)和Ⅴ級圍巖的物理力學參數[19]見表2。

表2 模型物理力學參數表

3 偏壓應力比特征分析

3.1 偏壓應力比定義及計算方法

《鐵路隧道設計規范》[19]提出鐵路偏壓隧道的判定方法為：作用于隧道襯砌上的偏壓力，應視地形、地質條件以及外側圍巖的覆蓋厚度確定。一般情況下，Ⅲ—Ⅴ級圍巖，地面傾斜、隧道外側拱肩至地表的垂直距離h等于或小于表3所列數值時，應按偏壓隧道設計[19]。本文按照《鐵路隧道設計規范》，選取表3所對應數值，以回頭溝隧道為工程依托建立數值模型，對雙線鐵路隧道偏壓應力比特征值進行分析。

表3 不同地面坡度隧道外側拱肩山體最大覆蓋厚度及示意圖

注： “*”表示缺少統計資料，設計時可通過工程類比或經驗設計取值。

定義偏壓應力比為：同樣埋深情況下隧道左右側洞壁上對應點的豎向應力比值。為了計算偏壓應力比，如圖4所示，在隧道壁選取典型的1～8個點作為應力分析點，分別對應隧道頂部(點1)、左右拱肩(點2、3)、左右邊墻(點4、5)、左右墻角(點6、7)和底部(點8)。研究主要計算了左右拱肩的應力比(Δ1)和左右邊墻的應力比(Δ2)：

(1)

(2)

式中：σy2、σy3、σy4、σy5分別為點2、3、4、5處的豎向應力。

圖4 應力分析點示意圖Fig.4 Schematic diagram of stress analysis points

3.2 各級圍巖偏壓應力比特征分析

按照定義的分析條件，應用建立的分析模型，對隧道一次開挖進行了數值模擬分析，分析獲得的V級、Ⅳ(土)、Ⅳ(石)、Ⅲ級圍巖各分析點豎向應力結果分別見表4、5、6、7。

表4 Ⅴ級圍巖各計算點的應力值

表5 Ⅳ(土)級圍巖各計算點的應力值

表6 Ⅳ(石)級圍巖各計算點的應力值

表7 Ⅲ級圍巖各計算點的應力值

根據定義的偏壓應力比計算方法，計算各級圍巖的偏壓應力比，結果見表8。

表8 各級圍巖偏壓應力比

由表8各級圍巖偏壓應力比計算結果可知：

對于Ⅴ級圍巖，按照鐵路隧道設計規范，坡度為1∶1.50、1∶2.00、1∶2.50時，拱肩處偏壓應力比和邊墻處偏壓應力比的值都基本在1.00左右，基本沒有偏壓。

對于Ⅳ級土圍巖，坡度為1∶1.25、1∶1.50、1∶2.00、1∶2.50時，拱肩處的偏壓應力比為2.23～3.20，出現明顯偏壓；而邊墻處偏壓應力比為1.00左右，幾乎沒有偏壓。

對于Ⅳ級巖石圍巖，坡度為1∶1.50和1∶2.00時，拱肩處的偏壓應力比為4.31和3.34，出現明顯偏壓；而邊墻處偏壓應力比為1.00左右，幾乎沒有偏壓。

對于Ⅲ級圍巖，坡度為1∶0.75、1∶1.00和1∶1.50時，拱肩處的偏壓應力比為8.69、11.55和7.45，偏壓比值較大，隧道出現明顯偏壓；而對于邊墻處，偏壓應力比為1.00左右，沒有明顯偏壓。

從以上分析結果可以看出：在規范給定條件下，拱肩處豎向應力比隨著圍巖級別的提高而逐漸增大；拱墻處豎向應力比隨著圍巖級別的提高，值基本在1.00左右，變化不大。拱肩處豎向應力比隨著圍巖級別、坡度的不同有較大變化，故可用拱肩處豎向應力比特征值來界定隧道偏壓，為安全起見，Ⅲ級圍巖拱肩豎向應力比取7.45、Ⅳ(土)級圍巖拱肩應力比取2.23、Ⅳ(石)級圍巖拱肩應力比取3.34、Ⅴ級圍巖拱肩處應力比取1.06，當隧道兩側拱肩處所受豎向應力大于此值時可視為偏壓隧道。

結合回頭溝隧道進出口淺埋段的地質情況及現場應力監測結果：Ⅴ級圍巖，拱肩處豎向應力比為1.14>1.06，符合回頭溝隧道進出口淺埋段為偏壓隧道的工程實際，側面驗證了數值模擬的正確性，從而為偏壓隧道的定量界定提供參考。

4 結論

1)在規范給定條件下，拱肩處豎向應力比隨著圍巖級別的提高，逐漸增大。

2)在規范給定條件下，邊墻處豎向應力比均在1.00左右，即在規范給定條件下，邊墻處不存在偏壓。

3)可以將拱肩處應力比作為定量判別隧道是否偏壓的特征值。

4)在保證安全的前提下，當Ⅲ級圍巖拱肩應力比大于7.4、Ⅳ(土)級圍巖拱肩應力比大于2.2、Ⅳ(石)級圍巖拱肩應力比大于3.3、Ⅴ級圍巖拱肩處應力比大于1.1時，可將隧道考慮成偏壓隧道。