淺埋大偏壓隧道洞口聯(lián)合支護方案及穩(wěn)定性分析

摘 要：云盤隧道洞口段存在淺埋偏壓、半明半暗、山體陡峭等不利條件，施工難度極大。為保證隧道洞口穩(wěn)定，確保進洞施工安全，根據(jù)地質(zhì)勘測報告及地形特點，提出抗滑樁+擋墻+錨索等聯(lián)合支護方案及合理的施工方法；采用有限元軟件建立三維模型，分析洞口段圍巖與支護結(jié)構(gòu)的位移及應力，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了支護效果。結(jié)果表明：X、Z方向的位移最大值分別約為20.04、18.74 mm，均處于設計預留變形量范圍內(nèi)；隧道初期支護最大拉、壓應力分別約為1.22、3.99 MPa，均低于C30混凝土的軸心抗拉、抗壓強度設計值，表明支護受力較為合理；隧道現(xiàn)場監(jiān)測拱頂累計沉降值為16.90 mm，斷面周邊收斂值為17.70 mm，與計算值相近，表明采用抗滑樁+擋墻+錨索等聯(lián)合支護可有效控制隧道圍巖位移和初期支護應力變化，應用效果良好。

關鍵詞：隧道工程；淺埋偏壓；洞口施工；數(shù)值分析；現(xiàn)場監(jiān)測

中圖分類號：U453.1 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.04.006

0 引言

山區(qū)隧道洞口常處于埋深較淺、地形地質(zhì)條件較差的陡峭山坡上，當拱頂兩側(cè)土層厚度存在較大差距時，會形成大偏壓現(xiàn)象。此類隧道進洞施工過程中會打破周邊圍巖的穩(wěn)定，極易使邊坡及隧道結(jié)構(gòu)變形過大而發(fā)生破壞甚至坍塌，嚴重危及施工人員安全并造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。

由于淺埋偏壓隧道的不良因素較多，對圍巖及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求更高，也更容易引發(fā)施工事故[2]。為了減少此類災害的發(fā)生，國內(nèi)許多研究者對淺埋偏壓隧道展開了大量研究。黃柳云等[3]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和有限元模擬，分析4種開挖順序下隧道的穩(wěn)定性變化規(guī)律，結(jié)果表明先開挖深埋側(cè)隧道導洞能夠更加有效地抑制隧道形變量。Panji等[4]采用直接邊界元法對淺埋隧道在非均勻表面牽引和對稱重力荷載作用下的應力特性展開研究，得出偏心荷載顯著影響隧道周圍巖體的應力模式。董建華等[5]提出的洞口段淺埋偏壓隧道新型防護結(jié)構(gòu)能夠減小施工過程中對土體的擾動和隧道偏壓應力，提高隧道圍巖強度。蘇興矩[6]提出半明拱進洞施工方案，并通過有限元模型分析得出本工法能夠減少邊仰坡開挖高度以及對隧道周圍巖體的擾動，更利于隧道主體穩(wěn)定。劉春等[7]采用有限元軟件，對比分析了2種不同工法下隧道圍巖變化情況，結(jié)果表明采用雙側(cè)壁導坑法開挖隧道淺埋偏壓段時，對隧道圍巖擾動程度更小，隧道主體穩(wěn)定性更高。姜冰等[8]為了減少淺埋偏壓地形帶來的施工風險，采用聯(lián)合支護方案進洞，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果相比較，驗證了方案的合理性。武建華[9]結(jié)合實際工程，提出對于圍巖穩(wěn)定性較差的淺埋隧道可采用噴射混凝土加錨桿的支護手段，且采用CRD法施工對隧道安全更為有利。宋戰(zhàn)平等[10]基于試驗結(jié)果的分析表明，采用新意法施工隧道洞口段的超前管棚支護能促進應力拱的形成，改善超前核心土的受力，減少圍巖的塑性區(qū)范圍。

綜上所述，雖有不少關于淺埋偏壓隧道的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和施工防護加固的研究，但有關淺埋偏壓、半明半暗隧道洞口段的支護加固設計研究還不夠充分，還需要大量工程實例進行驗證。因此，本文根據(jù)云盤隧道工程復雜的地形情況，提出抗滑樁+擋土墻+錨索等聯(lián)合支護的進洞方案，并采用軟件模擬與工程實際監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析和驗證該方案的可行性，可為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

云盤隧道位于廣西某縣，為分離式小凈距長隧道，左、右線長分別為14.63、14.56 km。隧道洞口所在自然斜坡坡角為35°，坡形為單面山，隧道軸線與坡向相交角度較小，此外隧道左右線均存在偏壓地形和半明半暗段。

隧址位于丘陵坡腳斜坡上，所處山體較為陡峭，在流水、風化作用下總體表現(xiàn)為深谷、臺梁式地貌，受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的影響，泥質(zhì)較多巖段易形成谷底或剝蝕槽狀地形，砂巖段易形成鰭脊陡坡。隧址斜坡表面層主要為粉質(zhì)黏土，在進口端見基巖大面積出露，出口端局部出露，谷地、緩坡一帶墾有水田、旱地，農(nóng)SGo7b/6sAxFxwvO7r/sDBlU4tdBRmnegbLcZRWG8H2Q=舍多沿谷底溪溝分布。

根據(jù)地質(zhì)報告結(jié)合鉆探結(jié)果，隧道所處區(qū)域地層由第四系覆蓋層殘積粉質(zhì)黏土、震旦系南沱組下段粉砂巖及其風化層組成。現(xiàn)根據(jù)鉆孔資料，將地層巖性分述如下：

1）第四系覆蓋層

耕植土（Qpd）：灰褐色，松散狀，稍濕，含少量礫石及植物根系。局部分布，厚度為0.60 m。

粉質(zhì)黏土（Qdl）：紅褐色，稍濕，呈可塑狀，局部夾少量碎石及細砂。局部分布，厚度為1.20～3.70 m。

2）粉砂巖

強風化粉砂巖（Zan）：黃褐色、紅褐色、淺灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，節(jié)理裂隙極發(fā)育-發(fā)育，裂隙面有鐵錳質(zhì)浸染，巖芯極破碎，巖芯多呈塊狀、碎石狀，塊徑為2.0～10.0 cm，少量短柱狀，巖質(zhì)軟。局部夾中風化巖塊，厚度為5.00～41.00 m。

中風化粉砂巖（Zan）：青灰色、藍灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，巖質(zhì)硬，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育-較發(fā)育，裂隙面有鐵錳質(zhì)浸染。其中54.0～59.2 m 巖芯呈短柱狀、碎塊狀，采取率約為70%；59.2～69.9 m巖芯呈碎塊狀，采取率約為40%；69.9～72.7 m巖芯呈短柱狀，少量碎塊狀，采取率約為60%，節(jié)長大于10 cm 的巖芯約占20%。局部分布，厚度為13.20～82.70 m。

隧道進口段斜坡坡面分布連續(xù)的薄層第四系坡積（Qdl）粉質(zhì)黏土，下伏殘積粉質(zhì)黏土（Qel）為硬塑狀，該層厚度為0.30～1.60 m。下伏基巖為震旦系南沱組下段粉砂巖。根據(jù)地質(zhì)報告，隧道洞口附近地層產(chǎn)狀傾向89°，傾角18°，相對洞口右側(cè)邊坡為順向坡。碎屑巖層巖土體風化層強度較弱，遇水易軟化崩解，形成軟弱夾層，容易導致坡體表層發(fā)生滑移崩塌。在地質(zhì)勘探期間自然坡體仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

云盤隧道進口段淺埋偏壓特征明顯，并存在半明半暗段；洞口圍巖均為Ⅴ級圍巖且山體陡峭，洞口開挖施工必定會影響周圍巖體的穩(wěn)定，若處理不當極易導致邊坡或隧道主體坍塌。云盤隧道地貌如圖1所示。

2 進洞方案設計

云盤隧道進口段圍巖較差，坡體開挖后易發(fā)生楔形體破壞導致崩塌。為了保證洞口邊坡穩(wěn)定，開挖前要進行刷坡處理，采用長3.5 mΦ42 mm注漿小導管+Φ8 mm間距20 cm@20 cm鋼筋網(wǎng)+噴射10 cm厚C20砼防護，要盡量減少邊坡暴露時間。

因進口位于山坡坡腳處，為了減少偏壓地形帶來的影響，進洞前在洞口左側(cè)設置3根長18 m、直徑2.2 m的旋挖鉆孔抗滑樁，并用鋼筋混凝土冠梁進行聯(lián)接。考慮到右側(cè)地形陡峭，特別設置了高20.5 m、C30混凝土偏壓擋墻，墻體澆筑進行分段、分層施工。為了進一步加強穩(wěn)定性，在偏壓擋墻底部增設3根長20 m單排I類錨索，其縱向間距為2 m，單索抗拔力設計值為300 kN[11]。具體的洞口設計方案與進洞施工順序如圖2、圖3所示。

3 隧道工程數(shù)值分析

為了探究該方案下云盤隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定性，采用有限元數(shù)值分析軟件來模擬隧道施工過程，分析圍巖與支護結(jié)構(gòu)的位移、應力，以驗證方案的可行性。

3.1 數(shù)值模擬模型

1）模型尺寸

有限元模型根據(jù)云盤隧道施工設計圖和地址勘探報告建立，計算將考慮自重，邊界條件選用自動約束條件。根據(jù)圣維南原理，隧道開挖施工只會對隧道主體一定范圍內(nèi)巖體產(chǎn)生影響，對遠離隧道主體的圍巖幾乎無影響，因此為了減少邊界效應給計算結(jié)果帶來的影響，將模型邊界選為隧道斷面尺寸的數(shù)倍，設置邊界寬為80 m，高為70 m，長為12 m。

2）參數(shù)取值

隧道的覆蓋土層均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，擋墻、錨索、抗滑樁等材料的選用依據(jù)彈性準則[12]，隧道圍巖計算參數(shù)和支護結(jié)構(gòu)具體參數(shù)（表1）是根據(jù)設計規(guī)范JTG 3370.1—2018[13]以及隧道設計方案書中的建議值選取。

3）模型建立

數(shù)值模擬分析采用三維計算模型，土層、抗滑樁、擋墻等均采用3D實體單元，初期支護和錨索則分別采用2D板單元和1D植入式桁架單元，建立三維計算模型如圖4所示。

4）施工階段分析控制

在施工階段管理設置中，采用激活網(wǎng)格組來模擬抗滑樁、擋墻、錨索的施作，反之通過鈍化網(wǎng)格組來模擬隧道主體的開挖，二襯和管棚則利用改變屬性的功能進行模擬。

聯(lián)合支護方案進洞施工順序為：①邊坡開挖以及防護；②抗滑樁施作；③偏壓擋墻施作；④回填土并打入錨索；⑤施工管棚及套拱；⑥采用三臺階七步開挖工法開挖進洞；⑦初期支護；⑧完成二次襯砌澆筑。

在施工階段分析中，之前階段施加的荷載或者應力不會影響任何階段激活的單元，而巖土單元在被鈍化之前會受到力的作用。故模擬開挖的關鍵是要完全釋放開挖面上的應力，使其成為應力自由面。當鈍化n個單元時，可通過式（1）來計算開挖釋放荷載（P）[14]，

[P=i=1nviBTδ0dv-i=1nviNTfdv+siNTpds][ ，] （1）

式中：B為單元應變矩陣；[δ0]為開挖區(qū)域初始地應力；[v]為開挖體積；[N]為單元形狀函數(shù)；[f、p分別]為引起初應力場單元內(nèi)體力和應力邊界上的面力；[s]為開挖面積。

荷載釋放率能夠較好地反映出隧道施工過程中地層損失等各種因素的變化，其大小可根據(jù)測試資料加以確定，一般可近似取為本階段隧道控制測點的變形值與施工完成、變形趨于穩(wěn)定后該控制測點的總變形值的比值[15]。

3.2 隧道圍巖位移場分析

對模型計算分析，得出最終施工階段的隧道主體圍巖位移云圖如圖5所示。

分析圖5可知，受淺埋偏壓地形的影響，隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)壓力為非對稱分布；在埋深較深處，拱頂至左拱腰處圍巖變形量大于隧道周邊其他部位。當隧道開挖完成，圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，沿著X方向，圍巖最大形變量位于拱腰和拱肩處，其數(shù)值分別約為20.04、17.06 mm；沿著Z方向，圍巖最大形變量位于拱頂和拱腳處，其數(shù)值分別約為18.74、14.22 mm。隧道施工開挖時，圍巖穩(wěn)定遭到破壞，圍巖勢必會朝著臨空的斷面發(fā)生形變，而上述隧道圍巖形變量完全符合施工設計書中要求的預留變形量120.00 mm，表明了采用抗滑樁+擋墻+錨索等聯(lián)合支護的進洞方案在控制隧道圍巖形變上起到良好的效果。

3.3 初期支護受力分析

計算得到初期支護受力分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：由于受到淺埋偏壓、半明半暗等不良地質(zhì)的影響，隧道初期支護第一主應力（拉應力）最大值位于深埋側(cè)左邊拱肩處，數(shù)值約為1.22 MPa，低于C30混凝土軸心抗拉強度設計值（1.43 MPa）；而第三主應力（壓應力）最大值位于支護左邊拱腳處，數(shù)值約為3.99 MPa，數(shù)值低于C30混凝土軸心抗壓強度設計值（14.30 MPa）；初期支護其余部分的應力大小也均滿足設計要求。當隧道斷面開挖完成并施作支護后，為了控制圍巖應力的釋放，必將會造成初期支護出現(xiàn)新的應力平衡狀態(tài)，這個過程中，圍巖應力會重新分布并作用于初期支護結(jié)構(gòu)上。在采取抗滑樁+擋墻+錨索等聯(lián)合支護的進洞方案下，隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土材料的抗拉、抗壓強度值均小于容許值，滿足規(guī)范要求，表明隧道初期支護結(jié)構(gòu)受力較為合理[16]。

4 隧道監(jiān)控測量

隧道周邊收斂、拱頂下沉是隧道圍巖狀態(tài)變化的最直接表現(xiàn)，故基于周邊收斂和拱頂沉降的變形狀況，對隧道圍巖展開周期性檢測，以確保隧道的施工過程安全。

為了驗證該聯(lián)合支護方案的可行性，根據(jù)規(guī)范JTG/T 3660—2020[17]進行現(xiàn)場監(jiān)測。選取隧道左線進口ZK2+529斷面的拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)并進行擬合計算，拱頂下沉、周邊收斂數(shù)據(jù)擬合曲線如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，隧道斷面開挖完成后，圍巖位移發(fā)展主要分為3個階段：第1階段，0～30 d內(nèi)，圍巖處于急劇變形階段，該段曲線較陡，圍巖位移快速增長，當日拱頂沉降速率和周邊收斂速率分別處于-0.6～2.0 mm/d和-0.5～2.6 mm/d區(qū)間內(nèi)，隧道開挖完成后下圍巖處于臨空狀態(tài)時，圍巖變形加劇，故此時要加強觀測，并做好加固準備。第2階段，30[<] ～50 d為緩慢增長階段，該段曲線增長較為平緩，當日圍巖位移量增長速率均處于

-0.5～1.0 mm/d之內(nèi)。第3階段，50 d之后基本為穩(wěn)定階段，圍巖位移量增長速率逐漸降低，擬合曲線也以接近水平的趨勢收斂。在監(jiān)測期間斷面拱頂處的60 d累計沉降值、周邊累計收斂值分別為16.90、17.70 mm，與采用有限元模擬分析的結(jié)果（Z、X方向位移分別約為18.74、20.04 mm）相近，考慮數(shù)值模擬材料受到參數(shù)、邊界條件的限制，誤差處于一個可接受的范圍內(nèi)。計算分析表明，本文采用多種支護方式聯(lián)合支護的方案應用效果良好，能夠有效控制隧道主體圍巖的變形，可保障隧道進洞安全。

5 結(jié)論

1）本文提出的抗滑樁+擋墻+錨索等聯(lián)合支護方案在云盤隧道洞口段應用效果良好，抗滑樁、偏壓擋墻和錨索的施作能夠有效地抵抗偏壓地形和半明半暗段帶來的不利影響，保證淺埋偏壓隧道洞口段施工期間隧道主體的穩(wěn)定。

2）根據(jù)有限元軟件模擬結(jié)果可知，隨著隧道開挖不斷深入，拱頂沉降和周邊收斂變形逐漸擴大。由于地形偏壓的影響，深埋側(cè)位移大于淺埋側(cè)位移，因此最大形變量出現(xiàn)在了左邊拱頂和左邊拱腰處，數(shù)值大小分別約為18.74 、20.04 mm，與預測拱頂和周邊最大位移值16.90、21.90 mm相接近，遠低于預留變形量值120.00 mm，表明圍巖位移控制較為合理。此外支護拉、壓應力均低于混凝土軸心抗拉、抗壓強度設計值，結(jié)構(gòu)受力較為合理。

3）通過現(xiàn)場監(jiān)測可知，隧道斷面開挖完成初期，圍巖處于急劇變形階段，形變速率達到了最大值，隧道主體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，此時應加強防護和現(xiàn)場監(jiān)控；30～60 d內(nèi)，圍巖變形速率逐漸降低并趨于平穩(wěn)，在監(jiān)測期間隧道拱頂沉降值、周邊累計收斂值分別為16.90、17.70 mm，遠小于設計的預留變形量120.00 mm，表明控制圍巖形變效果良好。

4）通過對比數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，實測隧道的拱頂沉降、周邊累計收斂值與數(shù)值模擬計算值相差不大，處于合理的誤差范圍內(nèi)，表明采用有限元數(shù)值模擬的方法在一定程度上也能反映圍巖的變形情況，可對實際工程起到參考與輔助作用。

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Joint support scheme of shallow-buried tunnel entrance with large bias pressure and its stability analysis

TANG Xianyuan1， WU Weijing1， WEN Kehao2， TANG Zhanpeng2

（1. School of Architecture and Traffic Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China; 2. Guangxi Guitong Engineering Management Group Co.， Ltd.， Nanning 530029， China）

Abstract： There were adverse conditions such as shallow-buried tunnel entrance with large bias pressure， semi-dark and semi-light， steep mountains in Yunpan Tunnel. So the construction was extremely difficult. To ensure the stability of the tunnel entrance and the safety of the construction， a joint support scheme and construction methods of anti-slide pile + retaining wall + anchor cable were proposed according to the geological survey report and terrain characteristics. Then， the thr83e9da0febb40164658a2075af3095696c68bfa6929f2c8587b913744585312eee-dimensional model was established by using finite element software. And the displacement and stress of surrounding rock and supporting structure of the entrance section were analyzed. Finally， the supporting effect was verified combining field monitoring data. The results show that the maximum displacement values of X direction and Z direction were about 20.04 mm and 18.74 mm respectively， which were both within the range of reserved deformation; The maximum tensile and compressive stresses of the initial support of the tunnel were about 1.22 MPa and 3.99 MPa respectively， which were lower than the design values of the axial tensile and compressive strength of C30 concrete， indicating that the support force is reasonable. The cumulative settlement value of the arch roof monitored on site was 16.90 mm; The convergence value around the section was 17.70 mm， which were in agreement with the calculated values， indicating that the proposed joint support scheme can effectively control the displacement of tunnel surrounding rock and the change of initial support stress， and the application effect is good.

Keywords：tunnel engineering; shallow burial bias pressure; entrance construction; numerical analysis; on-site monitoring

（責任編輯：羅小芬）

收稿日期：2023-09-30；修回日期：2023-12-08

基金項目：國家自然科學基金項目（42067044）；廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目（YCSW2021171）資助

第一作者：唐咸遠，博士，正高級工程師，研究方向：橋梁與隧道工程、高性能混凝土材料，E-mail：Thy1188@126.com