軟弱圍巖淺埋隧道洞口失穩數值分析

楊斌 周雄 蒲端 張逸

摘要：隧道洞口的修建一直是隧道建設過程中重要的一環節，它是否穩定，直接關系到隧道的建設工期，以及是否順利地進洞或出洞。文章以廣東某高速公路淺埋偏壓隧道為依托工程，采用Midas GTS軟件建立數值模型，對隧道洞口圍巖變形、失穩進行數值分析研究。結果表明：在埋深淺的一側施作偏壓擋墻，有助于圍巖穩定，對隧道偏壓處治具有良好的效果;在淺埋一側施作護拱對隧道偏壓處治時，建議結合實際情況進行計算分析，再根據計算結果確定護拱合理的截面形狀、布置坡率、厚度等參數，以確保能較好地減小對隧道的偏壓作用，否則會增大隧道的偏壓作用效應，加速圍巖變形，不利于隧道偏壓處治。

關鍵詞：軟弱圍巖;偏壓;淺埋;洞口;數值分析

文獻標識碼：U457+.2-A-27-089-5

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，越來越多的鐵路、公路隧道投入建設中。由于隧道洞口常常出現淺埋、偏壓等不良地質，圍巖多松散、破碎、軟弱，自穩能力較差，受降雨、施工擾動等外部環境影響較大，易出現較大的變形，甚至出現塌方冒頂、滑坡等失穩現象。而隧道洞口的修建一直是隧道建設過程中重要的環節，它是否穩定，直接關系到隧道的建設工期，以及是否順利地進洞或出洞。

國內外許多學者對隧道洞口塌方、滑坡等失穩情況做了相關分析、研究。鄭玉欣[1]從鐵路、公路隧道1 050個塌方資料中統計分析了隧道出現塌方的主要原因及塌方的機理，將塌方進行歸納分類，并提出隧道塌方的處治方法。吳學智等[2]對施工過程中出現過2次變形的淺埋偏壓隧道進口段采用變形觀察及監控量測信息化手段，及時采用一系列有針對性的補救措施，成功加固變形隧道，制止隧道塌方及山體滑坡。汪宏、劉小軍等[3-4]用數值模型分析了隧道支護變形和坍塌發生的原因，并結合工程實際提出了有效的治理措施。上述文獻均來源于實際的工程案例，為淺埋偏壓隧道方面的研究積累了豐富的資源，但分析研究主要以實際工程資料統計分析、經驗總結為主，深入分析、研究依然還顯得不足。本文以廣東某高速公路淺埋偏壓隧道為依托工程，采用Midas GTS軟件建立數值模型，對隧道洞口圍巖變形、失穩進行數值分析研究，并依據研究結果和實際工程情況提出相應的處治措施。

1 數值模型的建立

1.1 工程概況

本隧道右線出口段長約104 m，存在偏壓、淺埋地質，隧道圍巖地質條件較差，為Ⅴ級圍巖，計算斷面埋深4.5 m。0～14.3 m為粉質黏土、全風化變質砂巖：粉質黏土為灰褐色-褐黃色，稍濕，可塑，土質不均，黏性一般，夾少量碎石;全風化變質砂巖為褐紅色，巖石風化完全，巖質極軟，手捏易散，遇水軟化崩解。14.3～28.3 m為強風化變質砂巖（J3dl），灰褐色，變余結構，塊狀構造，巖質較軟，敲擊易碎，節理裂隙極發育，裂隙面銹染，局部中風化，巖質較硬，敲擊聲脆。28.3～53.3 m為中風化變質砂巖（J3dl）為灰褐色，變余結構，塊狀構造，巖芯破碎多呈碎塊狀，巖石風化不均，夾少量強風化碎塊，巖質較硬，表面較粗糙，裂隙極發育，裂隙面銹染明顯。

隧道出口已完成套拱施工，在大管棚的支護下，采用環形開挖留核心土法向里面開挖，上臺階掘進不足10 m，仰坡、截水溝均出現大范圍開裂，初期支護多處開裂、滲水，出現較大的變形。

1個月過后，初期支護開裂處復噴處理后再次開裂，右拱腳處變形較大、侵限，且存在股狀滲水;之前仰坡、截水溝裂縫依舊存在，其中部分裂縫繼續發展、擴大。

為了進一步深入了解洞口圍巖變形的原因、失穩機制，本文結合實際工程情況，建立數值模型進行深入分析、研究。

1.2 數值模型

參照相關設計文件，采用Midas GTS有限元軟件對本隧道建立二維平面應變模型進行數值分析，如圖1所示。隧道洞頂橫坡模擬實際地形情況，左、右側距離隧道取50 m，隧道底部距離下邊界取40 m。對模型的左、右側、下邊界均施加法向約束，地表為自由邊界，不加約束條件。

在模型中，隧道圍巖采用摩爾-庫倫本構模型，初期支護、錨桿采用彈性本構模型，進行線性靜力計算;采用一維梁單元模擬管棚、噴射混凝土和鋼拱架，一維桁架單元模擬錨桿，采用二維三邊形或四邊形實體單元模擬隧道圍巖，采用材料參數替換模擬C20偏壓擋墻及護拱、偏壓擋墻處基礎加固。

在數值模擬計算中，圍巖、初期支護采用與實際相符的物理力學參數，如表1所示。

（1）初期支護：C25，噴射混凝土，厚24 cm;工字鋼Ⅰ18@60 cm。

對于初期支護的參數，將鋼拱架彈性模量等效給噴射混凝土[5]，其計算方法為：

E′h=E0h+AgEgAh

式中，E′h、E0h、Ah分別為考慮鋼拱架作用后噴射混凝土的彈性模量、噴射混凝土的原始彈性模量和噴射混凝土的截面積;Ag和Eg分別為鋼拱架的截面積和彈性模量。

（2）錨桿：中注式25 mm，壁厚5.5 mm，長度350 cm，按100×60 cm布置，HPB300。

1.3 施工工況

為了較好地對隧道存在的情況進行有針對性分析，數值分析按如下幾種工況進行考慮（表2）。

1.4 施工工序

計算斷面位于Ⅴ級淺埋巖段，在超前支護完成后，隧道采用環形開挖留核心土法進行開挖。隧道施工工序方案如圖2所示。

施工主要步驟：

（1）開挖導坑上半斷面（預留核心土弧形開挖1）。

（2）上導坑拱部初期支護1。

（3）開挖上臺階核心土2。

（4）左右交錯開挖下臺階（3、4）。

（5）下臺階邊墻、仰拱初期支護Ⅱ。

2 洞口失穩分析

下面從無偏壓處治、偏壓擋墻、護拱這三方面對洞口圍巖穩定性的影響進行數值分析，分析洞口圍巖失穩運行機制，以及以何種處治措施對偏壓隧道洞口圍巖穩定性具有更好的效果。

2.1 無偏壓處治時洞口圍巖失穩分析

本隧道上覆土層左側較薄，右側較厚，在上覆土自重荷載作用下，洞口圍巖塑性應變、位移、初期支護內力均是呈不對稱分布，表現出了明顯的偏壓現象。

2.1.1 塑性變形

在上臺階弧形土開挖后，左拱腰處、坡腳處圍巖出現塑性變形，隨著施工開挖、支護工序的推進，塑性應變區域逐漸擴大，右拱腰、右拱腳相繼出現。這種現象與現場初期支護開裂、洞頂地表、坡腳開裂均一一吻合（圖3）。

2.1.2 圍巖位移

在圍巖荷載作用下，隧道開挖后，拱部圍巖向隧道內位移，呈擠壓狀態，拱頂沉降右側、左側分別為84.8 mm、54.2 mm，右側比左側大56%;拱底圍巖向上隆起。偏壓荷載對洞口圍巖產生了水平推力，在這樣的作用力下，隧道拱腳、拱底左側部分向右側位移;整個坡面均向臨空側位移，左拱腰坡面水平位移最大;拱部、右拱腰圍巖水平位移次之，向隧道內位移;左拱腰水平位移最小，向圍巖內部位移。這些均與現場初期支護開裂、洞頂地表開裂現象一致。

2.1.3 初期支護內力

在偏壓荷載作用下，隧道開挖后，初期支護軸力上臺階部分整體大于下臺階部分，左拱腰最大，右拱腰次之，拱底最小;初期支護剪力左拱腰、右拱腳最大，右拱腰次之;初期支護左拱腰承受最大正彎矩，右拱腰承受最大負彎矩。這與現場初期支護開裂位置相符合。

2.2 偏壓擋墻對洞口圍巖穩定性的影響

數值分析偏壓擋墻能否對本隧道洞口圍巖起到穩定作用，其效果如何，以便為處治施工做出良好的指導作用。

工況1為無偏壓處治，工況2為偏壓擋墻處治。如下頁圖4所示，隨著隧道開挖、支護等工序的開展，在隧道拱頂下沉、地表水平位移、地表沉降方面，工況1、工況2對應的趨勢一致。其中，拱頂沉降、地表沉降先是隨著施工進行而迅速增大，在上臺階噴射混凝土硬化后，在后續的施工中逐步緩慢地反彈，并隨著下臺階仰拱封閉后逐漸收斂;而地表向坡面臨空側水平位移先隨施工推進而迅速增大，在上臺階噴射混凝土硬化后，增量逐漸減小，并隨著下臺階仰拱封閉后逐漸收斂。

但是，施作偏壓擋墻后，隧道開挖前，拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降均大于無偏壓擋墻的情況。在隧道開始開挖掘進后，拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降總是比無偏壓擋墻的情況要小些，分別小7.8%、23.7%、6.3%?？梢?，在埋深淺的一側施作偏壓擋墻，對平衡隧道非對稱土壓力形成的水平推力具有較好的作用，對本隧道洞口偏壓處治是非常合理的。

2.3 護拱對洞口圍巖穩定性的影響

為簡化計算，在計算模型中，在左側拱部將護拱沿著斜坡布置，從左至右，護拱逐漸增厚。如后頁圖5所示可知，在自重荷載作用下，隧道開始開挖后，工況3中的拱頂沉降、地表沉降、地表水平位移均分別比工況2的大。可見，沿著坡面設置護拱，在自重荷載作用下，增加了埋深厚的一側對埋深淺的一側偏壓作用效應，增大了隧道拱頂沉降、坡面地表沉降以及坡面地表向臨空側的水平位移。因此，在隧道上方淺埋側沿著坡面設置護拱不能平衡非對稱土壓力形成的水平推力，只會增大它的作用，對偏壓處治是不合理的。在偏壓處治過程中應注意護拱選取合理的截面形狀、布置坡率、厚度等，以確保能較好地減小對隧道的偏壓作用。

3 偏壓處治

通過對隧道偏壓施工過程進行數值計算，探明了洞口偏壓隧道失穩運行機制，分析了偏壓擋墻、護拱對偏壓隧道處治措施效果，為偏壓處治提供了施作思路和相應的依據。根據以上數值計算結果，結合現場實際情況，提出切實可行的處治措施，減小圍巖偏壓作用，確保隧道圍巖的穩定，以保障洞口淺埋偏壓段隧道施工安全推進。

左拱腰處坡面圍巖塑性變形較大，坡面大范圍向臨空側水平位移，現場觀察坡面出現開裂，初期支護大變形、開裂、侵線，但未出現整體滑坡。為此，本隧道現場處治基本思路[6]為：先停止掌子面開挖施工，進行偏壓處治加固施工，等圍巖穩定后再進行施工，同時做好隧道洞內外監控量測。

3.1 封閉裂縫

對地表開裂處噴射混凝土進行封閉，避免雨水進入隧道內，軟化圍巖，降低了圍巖承載能力。對初期支護裂縫進行噴射混凝土封閉處理，提高結構承載能力。同時加強地表沉降和洞內初期支護觀測。

3.2 擋墻基礎加固

對YK20+875～YK20+885段左側邊坡附著物進行清表處理，施作42 mm×4 mm小導管徑向注漿加固擋墻基礎處，小導管單根長度為6 m，橫向×縱向間距為1 m×1 m。

3.3 施作偏壓擋墻

在YK20+885～YK20+891段，隧道左側增設長6 m、高8.5 m、寬7 m的擋墻（底寬5.5 m、頂寬8.5 m），如圖6所示。防止洞口左側邊坡向明洞方向滑塌，同時取消原設計對該側漿砌片石的回填。擋土墻采用擴大基礎，深1.5 m，支護開挖，基礎底部換填0.5 m厚的碎石。采用22 mm鋼筋連接擋墻和明洞，采用C25混凝土澆筑墻身。

3.4 施作護拱

在YK20+875～YK20+885段淺埋側施作護拱，采用C20混凝土澆筑護拱，厚度為2 m，護拱基礎用混凝土擋墻作為基礎，結合現場地形，以小于自然坡率的角度施作護拱。

經過歷時兩個月的偏壓處治，消除了偏壓現象，圍巖變形得到了有效控制，并趨于穩定，避免了可能因隧道塌方冒頂而耽誤工期，有條不紊地安全推進隧道施工，安全通過了淺埋偏壓地段，實現了順利進洞，保證了后續施工工序的正常、安全進行。

4 結語

通過對廣東某高速公路隧道洞口偏壓失穩運行機制、處治措施進行了數值計算分析，并進行偏壓處治，可以得出以下結論：

（1）隧道開挖后，淺埋一側拱腰、坡腳圍巖塑性變形嚴重，以及深埋一側拱腳、拱墻出現塑性變形;拱部圍巖向隧道內位移，拱頂沉降深埋一側比淺埋一側大56%，拱底圍巖向上隆起;整個坡面均向臨空側水平位移，淺埋一側拱腰處坡面水平位移最大。這些數值分析結果較好地詮釋了現場坡腳、坡面、初期支護開裂現象。

（2）在埋深淺的一側施作偏壓擋墻，可以減小圍巖對淺埋一側的偏壓作用，降低隧道開挖施工中拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降，有助于圍巖穩定，對隧道偏壓處治具有良好的效果。

（3）在淺埋一側施作護拱對隧道偏壓處治時，建議結合實際情況進行計算分析，再根據計算結果確定護拱合理的截面形狀、布置坡率、厚度等參數，以確保能較好地減小對隧道的偏壓作用，否則會增大隧道的偏壓作用效應，加速圍巖變形，不利于隧道偏壓處治。

參考文獻

[1]鄭玉欣.隧道施工塌方機理分析及處治技術[J].鐵道工程學報，1999（2）：69-72.

[2]吳學智，王 建，楊保全，等.某強傾倒變形體內淺埋偏壓洞口段的隧道變形分析及處治技術研究[J].隧道建設，2015，35（7）：721-726.

[3]汪 宏，蔣 超.淺埋偏壓隧道洞口坍方數值分析與處治[J].巖土力學，2009，30（11）：3 481-3 485.

[4]劉小軍，張永興，高世軍，等.軟弱圍巖隧道洞口段失穩機制分析與處置技術[J].巖土力學，2012，33（7）：2 229-2 234.

[5]呂國仁，隋 斌，王永進，等.淺埋偏壓隧道開挖數值模擬及穩定性研究[J].山東大學學報（工學版），2013，43（4）：68-73.

[6]王 浩，楊 斌，汪 洋.偏壓淺埋隧道安全施工控制技術研究[J].西部交通科技，2019（11）：115-118.

收稿日期：2021-03-22

作者簡介：楊 斌（1986—），工程師，主要從事橋梁與隧道工程檢測、咨詢及維修加固設計方面的工作。