不同側覆土厚度條件下連拱隧道的偏壓特性研究

張成良，張金瑞，曹孟瀟，王 超

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

目前，隧道形式主要三種：分離式、小凈距和連拱隧道[1].在實際公路建設過程中，修建隧道時常會遇到地形陡峭、脊骨相間的“雞爪”地帶.這時連拱隧道就會因其雙洞軸線間距小、節約面積、便于洞內外路線銜接等優點而廣泛采用.根據許多學者的理論研究和實際工程表明：在隧道開挖前，巖土體處于應力平衡狀態.因此，提倡采用“自然進洞法”[3]，即在隧道進洞前先采取超前大管棚、擋土墻、洞內外注漿等一些圍巖加固措施，在不破壞原有山體的情況下，實現順利進洞.如果安全處置措施不妥當，就很有可能發生洞口坍塌、邊仰滑坡等病害，使工期延誤，造成不必要的經濟損失[4-7].劉小軍、張永興[8]通過FLAC3D軟件對淺埋偏壓隧道進行數值模擬研究，對采用環形導坑預留核心土法對隧道開挖施工時，分析先開挖淺埋側和先開挖深埋側兩種不同施工工序，得到了最優方案；Schumacher等[9]結合某高速公路偏壓連拱隧道進行模型實驗，表明一定的材料配比能較好的對圍巖力學特性進行模擬研究；段海澎等[10]以富溪偏壓連拱隧道為研究對象，對圍巖和支護結構的變形及受力特征進行分析；劉文彬[11]結合某雙連拱隧道進口偏壓段，對其管棚預支護進行分析；趙樂之[12]以頭道穴隧道為研究對象，對進口偏壓段進行分析計算，得出能夠保證隧道施工時安全進洞的加固方案；熊良宵[13]采用FLAC3D軟件，對黃草坪隧道進行地震響應的數值模擬研究；江學良等[14]采用動力模型相似理論，以設計的偏壓隧道模型為研究對象，進行了大型振動臺試驗，研究偏壓隧道在不同激振條件下的地震動力響應特性；Kamata[15]通過有限元分析和現場監測，對偏壓連拱隧道施工中出現的受力非對稱問題進行了研究.連拱隧道側覆土層厚度在開挖過程中的豎向圍巖變形特性的研究，對于保證隧道穩定具有重要的研究意義.本文采用理論分析和數值模擬分析并結合現場監測對連拱隧道的變形特性展開研究.

1 工程概況

起鳳山隧道位于大理海東新城中心片區雙月路，其左、右幅起止里程K4+915～K5+290，分界段里程長375 m；隧道最大埋深約48 m；隧道所在路段縱坡為-0.617%.起鳳山隧道出口位于淺埋偏壓段，隧道上覆土層風化嚴重，巖體破碎，圍巖完整性差，隧址區設計圍巖以V級為主.隧道為雙車道，其開挖跨度為15.23 m，高度為7.65 m.該隧道采用分幅開挖，取消中隔墻，左幅先行開挖、支護、襯砌完成后，再進行淺埋側后行洞開挖.隧道的地質縱斷面圖如下圖1.

圖1 隧道地質縱斷面圖

根據相關規范，對于連拱隧道淺埋及深埋的分界，可結合地形地質條件、施工工法、荷載等效高度值等綜合判定[10].通過對起鳳山隧道的縱斷面設計圖紙的分析、現場調查，并結合偏壓埋深臨界值得出該隧道淺埋與深埋的里程長度如表1所示；淺埋段的埋深與橫坡坡度之間的關系如表2所示.

表1 淺埋與深埋的段里程段落的劃分

表2 淺埋段的埋深與橫坡坡度之間的關系

2 偏壓隧道的力學特性分析

2.1 連拱隧道偏壓臨界埋深的界定

關于偏壓隧道的臨界埋深的界定，采用普氏理論計算隧道的自然拱.自然拱的形狀、高度和跨度都與巖石的堅固性系數有關.自然拱的拋物線方程為

(1)

式中：b為自然拱跨度的一半，b=B/2，m;f為圍巖堅固系數(即普氏系數)，由查表得出，或f=tanΦ0，Φ0為計算摩擦角.

在堅硬的巖體中，因為隧道巖體本身具有良好的自穩能力，自然拱的跨度與隧道的跨度一致.在軟弱風化破碎的巖體中，隧道巖體穩定性差，隧道拱墻由于受到開挖擾動的影響，致使產生滑移，導致自然拱的跨度有所增大.如圖2所示.

此時隧道自然拱的跨度B為

B=Bt+2Htanβ

(2)

式中：B為自然拱的跨度，m；Ht為隧道的凈高，m；Bt為隧道的凈寬，m；β為破裂角，°.

根據以上理論分三步來計算臨界埋深：

第一步，以圍巖的內摩擦角和隧道寬度為條件，計算出自然拱的半跨度b和圍巖堅固性系數f;

第二步，將上一步解出的結果帶入式1計算，并根據曲線方程繪制出自然拱的曲線；

第三步，根據不同的地表坡度與自然拱相切，切線與隧道中軸線的交點至隧道拱頂的距離即為臨界埋深.

起鳳山隧道為雙車道，其開挖跨度為15.23 m，高度為7.65 m.不同圍巖級別的參數如表3.根據橫坡坡度下理論計算的臨界埋深如表4所示.

圖2 坍落拱示意圖

表3 計算摩擦角取值

表4 偏壓臨界深度和橫坡坡度之間的關系(m)

2.2 偏壓隧道中埋深對圍巖壓力的影響研究

(1)隧道襯砌荷載

圖3結合圍巖壓力的計算給出了在對Ⅴ級圍巖、橫坡坡度為30°時，隧道在不同的埋深情況下，隧道內外側的垂直壓力的變化規律.偏壓隧道圍巖壓力的計算公式為

(3)

其中：h,h′為內、外側由拱頂水平至地面的高度，m；B為隧道寬度，m；θ為頂板土柱兩側摩擦角，°；γ為圍巖重度，kN/m2；λ,λ′為內、外側的側壓力系數.

(2)荷載作用下水平側壓力的計算

內側壓力：

ei=γ·hiλ

(2)

外側壓力：

ei=γ·hi′λ′

(3)

(3)荷載作用下垂直壓力的計算

(4)

(5)

(6)

圖3 埋深與圍巖壓力關系

由圖3分析可以得出：水平壓力與豎向壓力都隨著埋深的增加而增加.隨著埋深的增加水平壓力比豎向壓力增量更快，當埋深大于20 m以后，豎向壓力增加量迅速減小.這說明隧道在豎向受到的偏壓作用在埋深超過20 m以后增加量就逐漸減小了.同樣圍巖橫坡坡度在20°、40°時具有相似的規律.

3 不同覆土厚度條件下連拱隧道偏壓特性數值模擬分析

起鳳山隧道屬于埋深較淺的隧道，對于隧道的分析由于接近于地表，這時構造地應力已經充分被釋放.故模型計算時只考慮自重應力，不考慮構造應力.基于FLAC3D軟件進行數值模擬，為了簡化計算，并考慮邊界效應對模型計算的影響，單幅隧道模型左邊界自隧道中心線算起不少于5D，右邊界取至自然坡面，模型下部邊界距離隧道仰拱底部不少于3D，隧道三維模型及開挖模型如圖4.

圖4 隧道三維模型網格劃分示意圖

根據現場調查的偏壓角度，針對不同側覆土層厚度隧道開挖變形特征進行研究，圍巖級別選取Ⅴ級，對于橫坡的坡度，選取為25°、35°、45°，最大埋深取36 m，側覆土層厚度取1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、11 m、13 m、15 m、17 m、19 m、21 m等工況進行研究，相關計算材料的物理力學參數取值見表5.

表5 材料物為理力學參數

3.1 淺埋偏壓段應力分析

在隧道應力分析中以拉應力為正、壓應力為負，隧道開挖后主要是受拉應力，在模擬分析中壓應力取負值.隧道的最大剪切增量云圖反映了隧道開挖最容易受到破壞的地方.典型的隧道開挖后圍巖的應力云圖和剪應力云圖見圖5.

圖5 35°埋深13 m隧道開挖后圍巖最小主應力云圖和最大剪切增量云圖

根據不同工況下隧道開挖后圍巖的應力云圖和最大剪切增量云圖分析可以得出：(1)隧道開挖完成后，偏壓連拱隧道左、右幅均存在應力集中現象，主要發生在兩側的拱腳和拱底、中隔墻位置處，在施工過程中要特別引起注意；其次由于中隔墻構造上的特殊和隧道開挖擾動后的影響，使隧道中隔墻受剪切破壞嚴重，偏壓連拱隧道在施工中隔墻時應防止其受剪切產生破壞.(2)在相同的橫坡坡度下，最大剪應力隨側覆土厚度的增加而增加.隨著側覆土厚度的增加，在隧道的拱腳處應力集中有所改善.

3.2 淺埋偏壓段關鍵點位移分析

取拱頂沉降、左側拱肩水平位移作為關鍵點進行分析，并繪制不同工況下隧道開挖后隨側覆土厚度的變化拱頂沉降、左側拱肩水平位移曲線圖見圖6、圖7.

根據圖6、圖7分析可以得出：(1)隧道洞身開挖時，豎向位移值總體上都隨著側覆土厚度t值的增加而增加；在側覆土的厚度t值很小時，偏壓隧道洞身的開挖對豎向位移影響較大；隨著側覆土厚度的增加，隧道洞身的豎向位移增加量逐漸減小，當側覆土厚度t=21 m時，豎向位移受側覆土厚度t值影響較小，只受圍巖本身巖土性質的影響.(2)深埋主洞開挖會造成淺埋側主洞拱頂沉降量的大幅增加，是因為隨著深埋主洞開挖，支撐兩洞拱頂土層重力的中隔墻反復受到擾動，且中隔墻本身厚度較小，使得承載能力減小，造成拱頂沉降量增大.(3)在同一工況下，對于拱頂沉降量，深埋側主洞總是大于淺埋側主洞的沉降量，這是因為深埋側主洞上覆土層較淺埋側厚所造成的.(4)在相同的橫坡坡度下，左側拱肩水平位移值總體上隨側覆土厚度t值的增大而減小，但是隨著側覆土厚度t值的增加，左側拱肩的水平位移值減小的速度越來越慢.

圖6 側覆土與拱頂位移關系圖

圖7 側覆土與拱肩水平位移關系圖

4 結論

通過對偏壓連拱隧道的偏壓特性進行理論與數值分析，并結合現場監測數據得出結論：

(1)圍巖的水平壓力和豎向壓力都隨著埋深的增加而增加，且隨著埋深的增加水平壓力比豎向壓力增量更快，當埋深大于20 m以后，豎向壓力增加量逐漸減小.

(2)隨著側覆土厚度的增加以及深埋主洞開挖對中隔墻的擾動，中隔墻受到了較大的剪切應力作用，受擾動后，這時需要特別注意中隔墻上方的巖土體的沉降，中隔墻斜上方的巖土體開挖擾動后向臨空面移動，作用在中隔墻上，中隔墻受重復的拉、壓、剪切作用，中隔墻的施工質量成為控制上覆圍巖移動變形的關鍵.同時淺埋偏壓隧道開挖時拱腳出現了較大的應力集中，隧道施工中要注意避免拱腳出現應力集中.

(3)隧道洞身開挖時，豎向位移值總體上都隨著側覆土厚度t值的增加而增加；當側覆土厚度t=21 m時，豎向位移與側覆土厚度t值基本沒有關系，基本只受圍巖本身巖土性質的影響.