偏壓連拱隧道滲流-應(yīng)力耦合分析及處治技術(shù)研究

中鐵十五局集團(tuán)第二工程有限公司，上海 201713

1 引言

淺埋偏壓連拱隧道工序繁雜，雙洞開(kāi)挖、支護(hù)交錯(cuò)進(jìn)行，引起隧道位移變形激增，不利于隧道的穩(wěn)定；在持續(xù)強(qiáng)降雨季節(jié)，更易發(fā)生大量地表水滲入而導(dǎo)致的隧道塌方，冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害。李地元［1］等通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算分析深埋連拱隧道孔隙水壓力場(chǎng)分布特征研究隧道的滲流機(jī)理。于清楊［2］等進(jìn)行數(shù)值模擬求出地形偏壓隧道對(duì)稱位置的應(yīng)力比值，給出了將拱肩處應(yīng)力比作為定量判別隧道是否偏壓的特征值。朱正國(guó)等［3］基于數(shù)值計(jì)算對(duì)左右洞開(kāi)挖次序?qū)B拱隧道的受力特征的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。金美海［4］等進(jìn)行數(shù)值模擬得出了淺埋偏壓隧道不同偏壓坡度導(dǎo)致的隧道變形分布特征。但是由于不同地區(qū)圍巖、低質(zhì)情況差別較大、取得的經(jīng)驗(yàn)和成果尚不具普遍指導(dǎo)意義。

本文以湖南省在建安鄉(xiāng)至慈利高速公路（安慈高速）雷家臺(tái)淺埋偏壓連拱隧道為工程背景，基于MIDAS/GTS 數(shù)值分析，并對(duì)比施工實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析連拱隧道的滲流應(yīng)力特征，為加固提供理論支撐。

2 偏壓連拱隧道數(shù)值模擬

2.1 雷家臺(tái)隧道工程概況

雷家臺(tái)隧道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為235m，最大埋深約54m，隧道最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值約為54m，隧道縱坡為0.8%，山脊線與水平向夾角約為20°～35°，山坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧道縱斷面如圖1 所示，隧道出入口設(shè)于山前斜坡位置。地表覆蓋層為第四系更新統(tǒng)坡積碎石，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖。隧道圍巖按V 級(jí)圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)支護(hù)，遵循“短進(jìn)尺，早封閉”的原則，防止圍巖爆露太長(zhǎng)而引起的坍方，圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 隧道圍巖及支護(hù)的基本參數(shù)指標(biāo)

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)斷面布置與數(shù)據(jù)采集，選取雷家臺(tái)隧道K112+665 斷面建立模型。隧道圍巖采用Mohr-Coulomb 模型，其他支護(hù)構(gòu)件采用彈性模型。連拱隧道根據(jù)實(shí)際情況，每一步開(kāi)挖，模擬初期錨桿支護(hù)、噴混支護(hù)，以及二次襯砌的施做，以達(dá)到最大效果模擬實(shí)際施工。

3 隧道數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.1 連拱隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1.拱隧道左洞沉降監(jiān)測(cè)

隧道拱頂沉降向下取正值，左洞斷面沉降曲線見(jiàn)圖1。

圖1 ZK112+665 斷面拱頂沉降隨時(shí)間變化

如圖所示，23～40d 由于上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中較為嚴(yán)重的破壞了圍巖穩(wěn)定性，錨噴會(huì)逐步穩(wěn)定拱頂位移沉降；41～55d 開(kāi)挖過(guò)程中引起沉降但隨著二次襯砌的及時(shí)閉合成環(huán)，抑制了拱頂位移，沉降時(shí)態(tài)曲線已成收斂趨勢(shì)；56～75d 由于右洞上臺(tái)階的開(kāi)挖引起左洞“斷崖式”沉降位移。在右洞開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)左洞的位移場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，致使左洞沉降收斂穩(wěn)定的狀態(tài)破壞，也說(shuō)明了連拱隧道位移場(chǎng)變化較為復(fù)雜；76 天以后右洞核心土分三臺(tái)階由上至下依次開(kāi)挖，隨著右洞二次襯砌的完成，后續(xù)變形會(huì)基本趨于穩(wěn)定，連拱隧道沉降控制以此穩(wěn)定狀態(tài)為參照指標(biāo)較為合理。

3.1.2 連拱隧道右洞沉降檢測(cè)

右洞開(kāi)挖拱頂沉降分為兩個(gè)階段：

第一階段（1～20d）為右洞開(kāi)挖到核心土前，在剛開(kāi)挖初期拱頂沉降出現(xiàn)急劇增加，這是由于右洞受到左洞開(kāi)挖干擾，圍巖較為破碎，平均收斂為20mm，約占總拱頂沉降的76%；

第二階段（21～40d）為右洞開(kāi)挖完成，沉降變化值大約為6mm，占總拱頂沉降的23%，右洞全部開(kāi)挖完成后及時(shí)閉合成拱有利于隧道開(kāi)挖穩(wěn)定，整體支護(hù)結(jié)構(gòu)抑制了拱頂沉降，收斂趨于穩(wěn)定。右洞斷面沉降曲線見(jiàn)圖2。

圖2 YK112+665 斷面拱頂沉降隨時(shí)間變化

3.1.3 連拱隧道斷面收斂檢測(cè)

對(duì)于左洞開(kāi)挖時(shí)，在導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，圍巖收斂變化不明顯，測(cè)線D-E 收斂值大概為2mm，在22d 開(kāi)始開(kāi)挖左洞上臺(tái)階，約在40d 重新趨于收斂，范圍在5～6mm 之間，在55d 開(kāi)始進(jìn)行左洞完全開(kāi)挖收斂變化不明顯，測(cè)線D-E 收斂變化值約1mm左右，說(shuō)明下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)隧道橫向收斂影響有局限，二次襯砌的澆筑閉合成環(huán)迅速限制隧道變形；右洞上臺(tái)階開(kāi)挖完成前左洞測(cè)線D-E 收斂值急劇增加，之后趨于收斂，右洞開(kāi)挖擾動(dòng)左洞圍巖穩(wěn)定性，左洞測(cè)線D-E 最終收斂值約在12mm；左洞測(cè)線F-G 周邊位移值最終收斂值約為6mm；

右洞測(cè)線D-E 在75 天之前，是于右洞處于偏壓隧道深埋側(cè)，地質(zhì)環(huán)境較差，圍巖上部自重大，斷面收斂最終穩(wěn)定在13mm左右；右洞測(cè)線F-G最終收斂于8mm。K112+665斷面周邊收斂曲線如圖3 所示。

圖3 K112+665 斷面周邊收斂隨時(shí)間變化

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

在流固耦合作用下圍巖受力更加復(fù)雜，在開(kāi)挖過(guò)程中隧道周邊孔隙水壓力變化，產(chǎn)生孔隙水壓力差作用，造成滲流場(chǎng)改變，拱頂位移較大處在拱頂和拱腳處。

圖4 考慮流固耦合作用下圍巖Y 方向位移

圖5 考慮流固耦合作用下圍巖X 方向位移

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算出的拱頂沉降值可得：隧道拱頂沉降最大處都在B 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處。拱頂沉降最終結(jié)果為29.1mm，出現(xiàn)位置為右洞拱頂邊角，水平收斂值右洞測(cè)線D-E 為15.2mm。這是由于地形影響產(chǎn)生的偏壓效應(yīng)。（注：左洞B 點(diǎn)位于左洞拱頂與中墻交界處，右洞B 點(diǎn)位于右邊墻拱頂處）。

對(duì)洞周收斂作用主要為右洞右拱腳位置處受偏壓作用產(chǎn)生正方向位移，左洞左邊墻以及左墻角由于埋深較深一側(cè)圍巖偏壓作用，主要產(chǎn)生負(fù)方向位移，在隧道開(kāi)挖后對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)破壞程度較大。

4 結(jié)論

（1）由于是淺埋的偏壓連拱隧道，右洞埋深大，左部埋深相對(duì)較淺，圍巖受擾動(dòng)后作用在隧道左右支護(hù)結(jié)構(gòu)上的受力不一致，所產(chǎn)生的拱頂沉降在左右洞之間不完全對(duì)稱，左洞的拱頂沉降小于右洞。中隔墻與左洞上臺(tái)階連接處、中隔墻與右洞拱腰連接處兩處的豎向位移較大。施工要對(duì)上述位置采取強(qiáng)化措施，加強(qiáng)錨噴作用或改變連接方式，優(yōu)化支護(hù)。

（2）右洞上臺(tái)階的開(kāi)挖時(shí)，引起左洞“斷崖式”沉降位移，所以建議施工開(kāi)挖左洞盡早完成閉合支護(hù)，以加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，防止右洞開(kāi)挖對(duì)左洞干擾而造成坍塌事故。

（3）連拱隧道所處IV、V 級(jí)圍巖，巖性較差，處于多雨的富水地區(qū)，抗?jié)B性差，隧道上部承壓水流經(jīng)圍巖裂隙滲入隧道內(nèi)，同時(shí)地下水壓力增加圍巖裂隙貫通性，致使圍巖位移增加。