隧道淺埋偏壓洞口段施工力學(xué)分析與加固措施探討

■張宗鋒

（福州左海控股集團(tuán)有限公司，福州 350028）

近年來，部分雙線隧道因地形條件限制、線路總體線性要求或特殊的橋隧相連等情況，左右線間距不能達(dá)到規(guī)范要求，修建了很多小凈距、連拱等特殊結(jié)構(gòu)型式的隧道。 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）[1]中提出小凈距隧道指上下行雙洞洞壁凈距較小，不能按獨(dú)立雙洞考慮的隧道結(jié)構(gòu)。 超大斷面隧道具有斷面大、跨度大、扁平率小等特點(diǎn)，與常規(guī)隧道相比，其施工工序繁瑣、對圍巖擾動次數(shù)多[2-3]，在隧道洞口段，容易遇到淺埋偏壓等情況；超大斷面小凈距的隧道洞口段的施工力學(xué)行為受覆土厚度、偏壓角度、施工工序等因素影響。 為了保證復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道洞口在施工和運(yùn)營期間的穩(wěn)定，有必要建立精細(xì)三維模型，研究實(shí)際地形狀態(tài)下的洞口施工力學(xué)行為，確保工程安全。

隧道洞口段施工力學(xué)行為受覆土厚度、偏壓角度、施工工序等因素影響，國內(nèi)已有學(xué)者對其展開研究并取得了一定成果。 楊小禮等[4]利用有限元軟件，對某淺埋偏壓小凈距公路隧道的施工工序進(jìn)行了研究。 劉小軍等[5]利用FLAC3D 軟件對老寨隧道淺埋偏壓洞口段的施工過程進(jìn)行了分析。 王立川[6]通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)，對不同偏壓條件下單洞和小凈距隧道的施工力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到了淺埋偏壓單洞和淺埋偏壓小凈距隧道的破壞模式。 侯瑞彬等[7]基于有限元強(qiáng)度折減法，針對廣東某大跨小凈距偏壓隧道開展研究。 王春國[8]采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，對偏壓大跨小凈距隧道施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律問題開展研究。 張惠民[9]基于FLAC3D 軟件，對不同埋深及不同支護(hù)措施下隧道洞口與邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。 Li 等[10]基于上限分析法推導(dǎo)考慮地表邊坡時的洞口開挖面支護(hù)壓力及安全系數(shù)理論解，指出與入口段相比，出口段的施工風(fēng)險(xiǎn)更大。 在多重因素耦合作用下，復(fù)雜地形下超大斷面小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)極為復(fù)雜，偏壓隧道的數(shù)值模型大多簡化處理，以真實(shí)地形建模的較少。 針對本工程存在臨近采石坑的特點(diǎn)， 基于真實(shí)地形建立三維洞口段模型， 利用FLAC3D 有限差分軟件模擬隧道洞口段開挖、 支護(hù)全過程建立了洞口段三維有限差分模型， 針對隧道開挖引起的地表沉降、圍巖位移、圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)及邊仰坡安全系數(shù)等進(jìn)行了分析，提出合理的加固措施建議。

1 工程背景

由于用地紅線限制，某隧道全線為小凈距山嶺隧道，凈距最小為12.589 m（約0.62 B）。 隧道左線長658 m，右線長671 m。單洞最大跨度為20.41 m，最大開挖面積為247.41 m2，為超大斷面隧道。 隧道斷面巖土層主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、坡積礫質(zhì)黏性土、凝灰?guī)r等組成。 按其沉積先后、沉積環(huán)境、成因類型以及工程地質(zhì)性質(zhì)， 自上而下分為9個工程地質(zhì)層。 隧道襯砌按新奧法原理采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，隧道V 級圍巖洞口段復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，見圖1。初期支護(hù)采用A50 中空注漿錨桿（間距為1 000 ×750， 梅花形布置，3.5 m、6 m 長度錨桿交錯布置）、I22a 型鋼拱架（間距0.5 m）、A8 鋼筋網(wǎng)（間距200×200）、500 mm 厚C25 噴射混凝土，二次襯砌為800 mm厚C35 鋼筋混凝土。南端洞口段中巖墻采用預(yù)應(yīng)力長錨桿加固，北端洞口段采用對拉預(yù)應(yīng)力錨桿加固。

圖1 隧道洞口圍巖段施工示意圖

隧道洞口段圍巖開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，隧道洞口段具體施工示意圖見圖1，其施工工序共分18 步：（1）開挖左洞左導(dǎo)坑；（2）施工左洞左導(dǎo)坑初期支護(hù)，設(shè)置中壁墻臨時支撐；（3）開挖左洞右導(dǎo)坑；（4）施工左洞右導(dǎo)坑初期支護(hù)，設(shè)置中壁墻臨時支撐；（5）左洞拱部及核心土第一次開挖；（6）左洞拱部初期支護(hù)；（7）左洞核心土第二次開挖；（8）左洞仰拱混凝土灌筑及隧底填充；（9）拆除左洞中壁墻，整體澆筑二次襯砌；（10）開挖右洞右導(dǎo)坑；（11）施工右洞右導(dǎo)坑初期支護(hù)，設(shè)置中壁墻臨時支撐；（12）開挖右洞左導(dǎo)坑；（13）施工右洞左導(dǎo)坑初期支護(hù)，設(shè)置中壁墻臨時支撐；（14）右洞拱部及核心土第一次開挖；（15）右洞拱部初期支護(hù)；（16）右洞核心土第二次開挖；（17）右洞仰拱混凝土灌筑及隧底填充；（18）拆除右洞中壁墻，整體澆筑二次襯砌。 開挖時，左、右導(dǎo)坑開挖保持4 m 錯距，導(dǎo)坑和上部核心土開挖保持4 m 錯距，上部核心土和下部核心土開挖保持4 m 錯距。

對拉錨桿采用先灌后二次張拉工藝，先行洞開挖且鉆孔內(nèi)水泥漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施加預(yù)應(yīng)力40 kN；后行洞開挖露出錨桿端部后，拆除預(yù)安裝的絲扣保護(hù)包裝，施加預(yù)應(yīng)力到90～110 kN。

2 洞口段施工過程數(shù)值模擬

采用犀牛Rhino 軟件劃分網(wǎng)格，F(xiàn)LAC3D 有限差分軟件[11-12]模擬隧道洞口段開挖、支護(hù)全過程。將圍巖視為各向同性、均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)，采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則條件下的彈塑性本構(gòu)模型； 巖體初始應(yīng)力場僅考慮上覆層自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力；計(jì)算時開挖步長均按1 m 計(jì)算；初期支護(hù)滯后2個開挖步（即滯后2 m）施加；左右洞掌子面間距45 m；計(jì)算時未考慮地下水的影響。 上邊界至地表自由面，下邊界至開挖洞底距離為3 倍洞高，左右邊界距洞口距離分別為4 倍隧道跨度。 模型長210 m，寬140 m，見圖2（a）、圖2（b）。計(jì)算模型的邊界條件為：上部自由，側(cè)面垂直約束，底部完全約束。 為消除邊界效應(yīng)，選擇y=45、y=85、x=-15、x=15斷面作為數(shù)值模擬的目標(biāo)斷面，見圖2（c）。 選用對稱特征點(diǎn)來分析偏壓隧道在施工過程中圍巖變形與應(yīng)力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，見圖2（d）。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1， 抗滑樁力學(xué)參數(shù)彈性模量E 為20 GPa、樁直徑為1 m、剪切粘結(jié)剛度為13 GN·m-2、剪切粘結(jié)力為0 GN·m-1、粘結(jié)剪切角為30°、 法向粘結(jié)剛度為130 GN·m-2、 法向粘結(jié)力為100 GN·m-1、法向粘結(jié)剪切角為30°。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖2 隧道洞口段計(jì)算模型

3 隧道開挖與支護(hù)模型模擬

隧道開挖采用Null 單元進(jìn)行處理，開挖前先施作洞外偏壓控制措施，明挖至洞口里程。 預(yù)加固后，再進(jìn)行隧道暗洞開挖。 隧道開挖后及時施作初期支護(hù)。 圍巖、加固圈以及二次襯砌采用的實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)采用殼單元（Shell 單元）模擬，錨桿用錨索單元（Cable 單元）模擬，見圖3（a）。偏壓擋墻及回填土采用實(shí)體單元模擬， 抗滑樁及管棚鋼管采用樁單元（Pile 單元）。 圍巖和加固圈采用M-C 模型模擬，初期支護(hù)和二次襯砌采用彈性模型模擬，見圖3（b）。

圖3 隧道開挖預(yù)加固措施模型

4 隧道開挖與支護(hù)施工力學(xué)分析

4.1 地表沉降分析

y=45、y=85 斷面地表沉降曲線見圖4。 由圖4可知，y=45 斷面的地表沉降曲線呈不對稱“W”型，最大沉降量為10.66 mm，位于左洞拱頂附近；y=85斷面的地表沉降曲線呈不對稱“U”型，最大沉降量為20.09 mm，位于中巖墻附近。研究結(jié)果表明：隧道埋深對小凈距隧道地表沉降曲線的影響較大。 埋深較淺時，其地表沉降曲線呈不對稱“W”型，中巖墻杠桿支點(diǎn)效應(yīng)明顯；埋深較大時，其沉降曲線呈不對稱“U”型，兩洞上方形成壓力拱，中巖墻支點(diǎn)效應(yīng)被弱化。對此，王海龍等[13]提出可將地表沉降曲線的形狀作為判定小凈距隧道深淺埋的依據(jù)。 地表沉降量隨埋深的減小而減小。 對比左、右洞地表沉降情況，深埋一側(cè)隧道的沉降值及沉降范圍均較大。

圖4 y=45、y=85 斷面地表沉降曲線

4.2 圍巖位移分析

洞室位移主要以豎直方向位移為主， 拱頂下沉，拱底隆起。 目標(biāo)斷面圍巖豎向位移云圖見圖5。由圖5（a）、圖5（b）可知，隧道左洞位移值大于右洞，即后行深埋隧道位移值大于先行淺埋隧道。 y=45斷面左洞拱頂下沉值為12.28 mm， 右洞為7.70 mm，左洞拱頂下沉值比右洞大59%；y=85 斷面左洞拱頂下沉值為24.38 mm，右洞為19.98 mm，左洞拱頂下沉值比右洞大22%。 與y=85 斷面相比，y=45斷面左、右洞拱頂下沉差值更大，偏壓更為嚴(yán)重。 由圖5（c）、圖5（d）可知，隨著開挖的進(jìn)行，隧道埋深逐漸減小，圍巖豎向位移也逐漸減小。 左洞拱頂下沉值由32.30 mm 下降到7.96 mm，右洞拱頂下沉值由27.10 mm 下降到7.70 mm。

圖5 目標(biāo)斷面圍巖豎向位移云圖（單位：m）

標(biāo)斷面圍巖水平位移云圖見圖6， 可知邊坡使隧道右側(cè)水平約束變?nèi)酰?隧道整體呈向右變形趨勢。水平位移向右為正，向左為負(fù)。可以看出在隧道開挖完成后，左、右洞水平方向變形規(guī)律不同。 雖然整體都呈向右變形趨勢，右洞由于側(cè)覆土厚度較薄、提供的反壓不足，拱頂、拱肩位置產(chǎn)生了較大的水平向右位移。 左洞由于埋深相對較深，在拱腳位置產(chǎn)生水平向左位移。 隧道與邊坡相互影響，隧道開挖導(dǎo)致邊坡坡頂水平向右位移，位移值在4～8 mm。隧道開挖前，可采用噴射混凝土、砂漿錨桿等措施對邊坡進(jìn)行防護(hù)。

圖6 目標(biāo)斷面圍巖水平位移云圖（單位：m）

4.3 圍巖應(yīng)力分析

目標(biāo)斷面圍巖最大主應(yīng)力分布云圖見圖7～8，圍巖主應(yīng)力正值受拉，負(fù)值受壓。 由圖7 可知，其最大主應(yīng)力分布特征均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。 隧道拱頂及拱底出現(xiàn)應(yīng)力卸荷區(qū)。 中巖墻以及左洞左側(cè)拱腰至拱腳位置表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象。 與初始地應(yīng)力相比，y=45 斷面應(yīng)力集中最明顯的位置在左洞左側(cè)拱腳，最大主應(yīng)力值增大約0.25 MPa，y=85 斷面應(yīng)力集中最嚴(yán)重的位置在右洞近中巖墻側(cè)拱腳，最大主應(yīng)力值增大約0.32 MPa。左洞最大主應(yīng)力分布基本對稱，右洞受地形偏壓影響不對稱性明顯。由圖8可知， 最小主應(yīng)力分布特征表現(xiàn)為y=85 斷面洞周輪廓線附近均為壓應(yīng)力；y=45 斷面在左、右洞拱頂位置出現(xiàn)了較為明顯的拉應(yīng)力現(xiàn)象，拉應(yīng)力值分別為13、39 kPa。 右洞拱頂?shù)睦瓚?yīng)力大于左洞，且右洞拱頂拉應(yīng)力區(qū)貫通至地表。 由表2 數(shù)據(jù)計(jì)算得出y=45、y=85 斷面洞周圍巖抗剪安全系數(shù)，以安全系數(shù)允許值[K]≥1.2 為圍巖穩(wěn)定性判別條件。

表2 目標(biāo)斷面洞周特征點(diǎn)主應(yīng)力結(jié)果 （單位：×105Pa）

圖7 目標(biāo)斷面圍巖最大主應(yīng)力分布云圖（單位：Pa）

圖8 目標(biāo)斷面圍巖最小主應(yīng)力分布云圖

由圖9 可知，目標(biāo)斷面在左洞特征點(diǎn)2、4、6、8處圍巖抗剪安全系數(shù)小于1.2，即左洞拱肩、拱腳位置圍巖穩(wěn)定性較差。 y=45 斷面在右洞特征點(diǎn)9、10、12、15、16 處圍巖抗剪安全系數(shù)小于1.2，即y=45 斷面右洞拱頂至左拱肩右拱腰位置圍巖穩(wěn)定性較差；y=85 斷面在右洞特征點(diǎn)10、12、14、15 處圍巖抗剪安全系數(shù)小于1.2，即y=85 斷面右洞拱腳、左拱肩、右拱腰位置圍巖穩(wěn)定性較差。 可見，拱肩、拱腳以及右洞拱頂、淺埋側(cè)拱腰為洞口段施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)失穩(wěn)，需采取一定措施加強(qiáng)。

4.4 圍巖塑性區(qū)分布

隧道開挖完成后，圍巖塑性區(qū)分布見圖10。 由圖10 可知， 后行深埋隧道洞周塑性區(qū)體積大于先行淺埋隧道。 y=45 斷面左洞拱肩、中巖墻及邊坡坡腳位置塑性區(qū)較大， 中巖墻塑性區(qū)有貫通趨勢；y=85斷面左洞左側(cè)拱肩及近中巖墻側(cè)拱腳處塑性區(qū)較大。 塑性區(qū)分布規(guī)律與上述圍巖抗剪強(qiáng)度反映的洞周圍巖穩(wěn)定狀況大體一致。 隧道埋深較淺時，中巖墻起重要的支承作用，x=0 斷面的塑性區(qū)主要集中在中巖墻位置；隨著隧道埋深的增加，隧道上方逐漸形成“自然拱”，中巖墻不產(chǎn)生塑性破壞，塑性區(qū)主要分布在中巖墻上、下方位置；埋深進(jìn)一步增大，中巖墻下方塑性區(qū)消失。 故當(dāng)隧道埋深較淺時，需對中巖墻進(jìn)行重點(diǎn)加固，以防中巖墻失穩(wěn)破壞，從而影響施工安全與質(zhì)量。

圖10 目標(biāo)斷面圍巖塑性區(qū)分布

4.5 邊坡安全系數(shù)分析

開挖過程中，邊坡安全系數(shù)的變化見表3。 邊、仰坡開挖使天然邊坡受到擾動，安全系數(shù)由2.031減小至1.707。 隧道最開始施工對邊仰坡穩(wěn)定性影響很大，安全系數(shù)隨開挖的進(jìn)行先減小，后增大，最后趨于穩(wěn)定。

表3 隧道開挖邊坡安全系數(shù)

4.6 二襯受力特征分析

y=85 斷面二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖見圖11～12，可知二襯軸力最大為-692.06 kN，彎矩最大-184.548 kN·m，均位于右洞偏中巖墻側(cè)拱腳處。 后行洞偏中巖墻側(cè)拱腳及拱底處軸力為受拉， 為二襯結(jié)構(gòu)受力最不利部位，施工時可采取一些必要措施。 二襯澆筑時，圍巖與初期支護(hù)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，二襯基本上可以看作安全儲備。

圖11 y=85 斷面二襯結(jié)構(gòu)軸力圖

圖12 y=85 斷面二襯結(jié)構(gòu)彎矩圖

5 結(jié)語

隧道北端洞口段埋深淺、偏壓明顯，屬于淺埋偏壓超大斷面小凈距隧道，建立了洞口真實(shí)的三維精細(xì)有限元模型，對洞口段的圍巖、邊坡以及二襯隧道進(jìn)行了施工力學(xué)分析，得出以下結(jié)論：（1）由于地形偏壓作用， 隧道洞口段整體呈向右變形趨勢。地表沉降曲線受隧道埋深影響。 埋深較淺時，小凈距隧道地表沉降曲線呈不對稱“W”型；埋深較大時，呈不對稱“U”型。（2）由于地形偏壓作用，從主應(yīng)力分布特征來看，中巖墻以及深埋隧道深埋一側(cè)拱腰至拱腳位置表現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道拱頂可能會出現(xiàn)拉應(yīng)力。 深埋一側(cè)隧道拱腳、淺埋一側(cè)隧道拱頂以及中巖墻為淺埋偏壓超大斷面小凈距隧道施工中的薄弱部位，需進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。 （3）隧道開挖導(dǎo)致邊坡有下滑趨勢，影響其穩(wěn)定，尤其是隧道開挖初期，邊坡安全系數(shù)下降較為明顯。 在此工況下，隧道結(jié)構(gòu)受力不對稱性明顯、圍巖穩(wěn)定性差，基于塑性區(qū)、應(yīng)力及圍巖抗剪安全系數(shù)準(zhǔn)則選擇合理的洞口段預(yù)加固措，如采用噴射混凝土、砂漿錨桿等措施對邊坡進(jìn)行防護(hù)。