偏壓隧道病害特征及其控制措施＊

李 彬

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)校辦產(chǎn)業(yè)處，湖南長(zhǎng)沙 410076)

偏壓隧道病害特征及其控制措施＊

李 彬

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)校辦產(chǎn)業(yè)處，湖南長(zhǎng)沙 410076)

通過(guò)案例收集和資料統(tǒng)計(jì)分析，研究了造成隧道偏壓的原因及偏壓對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的危害，分析了應(yīng)考慮偏壓作用的臨界埋深的影響因素及其規(guī)律，揭示了偏壓控制措施的原理。結(jié)果表明:造成隧道偏壓的原因有地形、地質(zhì)和施工3個(gè)方面，而地形是主要因素，特別是在洞口淺埋地段;偏壓使得襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖受力不對(duì)稱，更易發(fā)生剪切破壞和整體失穩(wěn);臨界偏壓埋深與隧道跨度、圍巖條件、地表坡度有關(guān)，跨度越大、圍巖越差、坡度越陡，則臨界埋深越大;治理偏壓應(yīng)從減小偏壓程度的角度出發(fā)，綜合采取地表和洞內(nèi)的控制措施，如偏壓回填、偏壓擋墻、預(yù)應(yīng)力錨桿和半明半暗結(jié)構(gòu)等。

隧道工程;偏壓病害;臨界埋深;控制措施

所謂隧道偏壓，是指由于種種原因引起圍巖壓力呈明顯的不對(duì)稱性，從而使襯砌結(jié)構(gòu)受不對(duì)稱荷載的隧道。隨著新一輪西部大開發(fā)的推進(jìn)，山區(qū)高速公路和鐵路建設(shè)進(jìn)一步發(fā)展，隧道在公路和鐵路工程中所占的比例也越來(lái)越高［1－4］。由于山區(qū)地形復(fù)雜多變，路線展線較為困難，因此偏壓隧道等情況就難以避免，尤其在洞口段、沿溪線和傍山線中表現(xiàn)更為顯著。

由于偏壓隧道受不對(duì)稱荷載，施工難度大，需對(duì)其施工技術(shù)進(jìn)行研究，目前已有不少學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)其展開了大量的研究［5－12］，但大都針對(duì)具體的個(gè)案，缺乏綜合的統(tǒng)計(jì)分析。

本文主要通過(guò)案例收集和資料的統(tǒng)計(jì)分析，研究偏壓隧道的力學(xué)特征及對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的危害，分析應(yīng)考慮偏壓作用的臨界埋深的影響因素及其影響規(guī)律，并統(tǒng)計(jì)偏壓隧道常采用的控制措施及其原理。

1 偏壓隧道案例調(diào)研分析

在偏壓隧道施工中，引起偏壓的原因很多，加之地質(zhì)復(fù)雜和不可預(yù)見因素很多，其控制措施沒(méi)有固定模式。在“山區(qū)高速公路偏壓隧道特性及控制技術(shù)研究”的項(xiàng)目中，通過(guò)收集的22座偏壓隧道工程實(shí)例，統(tǒng)計(jì)分析了偏壓特性、施工中出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)應(yīng)的控制措施。有如下結(jié)論［13］:

(1)存在偏壓的隧道一般都位于淺埋段，淺埋隧道中圍巖不能形成有效的承載拱，偏壓影響較大;而在深埋段，圍巖能形成有效的承載拱，偏壓對(duì)隧道施工影響相對(duì)較小。

(2)收集的22座偏壓隧道案例中，地形偏壓(地表傾角)的有19座，圍巖順層引起的偏壓有3座，可見地形是造成隧道偏壓的主要因素。

(3)偏壓控制措施有很多種，主要可分為改善偏壓條件(如偏壓擋墻、反壓回填等)、地表注漿加固、加強(qiáng)初期支護(hù)、改變施工方案、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)等。

2 偏壓對(duì)隧道的影響分析

偏壓對(duì)隧道的影響主要體現(xiàn)在襯砌結(jié)構(gòu)受力、洞口邊仰坡穩(wěn)定及施工3個(gè)方面［13］:

(1)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響。由于隧道存在偏壓，作用在隧道襯砌上的荷載不對(duì)稱，容易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)剪切破壞，特別是地形和地質(zhì)因素引起的偏壓，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)體系影響最大。隧道洞口段襯砌裂縫大都是因偏壓引起的，偏壓荷載越大引起的裂縫幾率就越大，裂縫走向主要為斜向裂縫和縱向裂縫。

(2)對(duì)洞口邊仰坡的影響。由于偏壓及隧道開挖后圍巖應(yīng)力釋放，會(huì)導(dǎo)致洞口段山體變形，并發(fā)生一定水平位移;若圍巖強(qiáng)度低，當(dāng)含水量增大時(shí)極易被軟化，隧道深埋側(cè)山體會(huì)產(chǎn)生下滑的偏壓推力，擠壓淺埋側(cè)圍巖，從而導(dǎo)致地表多處開裂，使洞內(nèi)二次襯砌變形加重，裂紋擴(kuò)展;地表越陡，偏壓越嚴(yán)重，在偏壓力的作用下越容易使邊坡失穩(wěn)。偏壓對(duì)隧道邊坡的影響，特別是對(duì)特殊地質(zhì)土(如軟弱黃土地層、坡崩積土層、沖積塊碎石土等)邊坡影響更大。

(3)對(duì)施工的影響。隧道偏壓情況下，對(duì)隧道的開挖方法、開挖順序及其支護(hù)形式有很高的要求，工序復(fù)雜，技術(shù)要求高。力求避免引起隧道局部塌方，保證圍巖壓力相對(duì)穩(wěn)定。在施工過(guò)程中必須遵循“短開挖、強(qiáng)支護(hù)、及時(shí)密貼、實(shí)回填、嚴(yán)治水、勤量測(cè)”的施工原則，必須對(duì)洞內(nèi)和洞口處邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，通過(guò)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析與判斷，確定圍巖支護(hù)體系的穩(wěn)定狀態(tài)。

3 造成隧道偏壓的原因調(diào)研分析

造成隧道偏壓的因素主要有3個(gè):地形因素、地質(zhì)因素和工程因素。其中地形和地質(zhì)屬于內(nèi)在因素，而施工屬于外在因素［13－14］。

(1)地形因素。地面橫坡較陡，隧道埋深較淺，兩側(cè)的側(cè)壓力將不均衡，且側(cè)壓力較大，隧道將承受偏壓，多見于隧道洞口段或傍山隧道，地質(zhì)松軟，往往處于風(fēng)化堆積體中，有一定的偏壓規(guī)律可循，具有一定的普遍性。圖1給出了通過(guò)數(shù)值模擬得到的不同埋深和不同傾角下的A值(為深埋側(cè)拱腰軸力/淺埋側(cè)拱腰軸力之比)和B值(為深埋側(cè)拱腳軸力與淺埋側(cè)拱腳軸力之比)的變化規(guī)律，從圖中分析表明:傾角越大，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力越不對(duì)稱，偏壓越嚴(yán)重;隨埋深的增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力漸趨均衡，受偏壓影響越小。

圖1 不同傾角和埋深下A值與B值的變化規(guī)律Fig.1 Value of A and B under different slope angle and cover

(2)地質(zhì)因素。主要包括2種情況，一種是圍巖產(chǎn)狀傾斜并且存在軟弱結(jié)構(gòu)面。在原巖狀態(tài)下，由于無(wú)外力作用，尚能保持穩(wěn)定，而隨隧道施工的進(jìn)行，圍巖受到擾動(dòng)，將容易發(fā)生順層滑動(dòng);另一種情況是處于巖溶地區(qū)的隧道，由于溶洞內(nèi)填塞物多為黏土、淤砂，富含水，甚至處于流塑狀態(tài)，自穩(wěn)能力極差，施工過(guò)程中極易引起地質(zhì)性偏壓。

(3)施工因素。因施工方法不當(dāng)引起的偏壓，有2個(gè)方面，一是因隧道施工造成局部坍塌而引起的局部偏壓;二是采用CD法/CRD法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，因不對(duì)稱開挖而引起的施工偏壓。類似情況，如處理得當(dāng)，一般不會(huì)影響正常施工。

4 偏壓隧道臨界埋深分析

考慮隧道偏壓作用的臨界埋深可參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］，如表1，也可根據(jù)普氏理論求得的坍落拱是否于地表線相交確定。對(duì)于公路隧道，在《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中未對(duì)偏壓隧道的臨界厚度做出規(guī)定，其可以參考雙線鐵路隧道。

從表中分析可知，考慮隧道偏壓作用的臨界埋深與圍巖條件、隧道跨度和地表坡度有關(guān)，具體如下［13］:

(1)對(duì)于同一級(jí)圍巖，考慮偏壓作用的最小覆蓋厚度隨著地面坡度的增加而增加，即地面坡度越陡，傾角越大，則最小覆蓋厚度也越大。

(2)對(duì)于同一個(gè)坡度，則考慮偏壓作用的最小覆蓋厚度隨著圍巖級(jí)別的提高而增大，即圍巖越差，則最小覆蓋厚度要求越大。

(3)對(duì)于同一坡度和同一圍巖級(jí)別，雙線隧道的最小覆蓋厚度大于單線隧道的最小覆蓋厚度，即隧道跨度越大，開挖面積越大，則所需的最小覆蓋厚度也越大。

5 偏壓隧道的控制措施

目前治理偏壓隧道的措施多種多樣，如在隧道洞內(nèi)可采取的措施類似淺埋軟弱圍巖段的相關(guān)施工措施，即“短開挖，強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)密貼，實(shí)回填，嚴(yán)治水，勤量測(cè)”的施工原則，同時(shí)，也可采取不對(duì)稱的初期支護(hù)方案和不對(duì)稱的開挖方法進(jìn)行處理，如 CD 法，從而減小偏壓的影響［13－14］，而從地表治理措施出發(fā)，主要有以下幾種。

5.1 偏壓回填控制技術(shù)

偏壓回填是在隧道覆蓋層厚度較薄，且地表傾角較小時(shí)采取的措施。通過(guò)在埋深較淺一側(cè)的回填，使得覆蓋層厚度超過(guò)臨界埋深，從而減小地表傾角，減少荷載偏壓的程度，特別是水平壓力的偏壓程度。當(dāng)?shù)乇韮A角較大，且隧道有整體失穩(wěn)的趨勢(shì)時(shí)，則必須與治理邊仰坡失穩(wěn)相關(guān)的抗滑措施相結(jié)合，進(jìn)行綜合處治。

5.2 偏壓擋墻控制技術(shù)

偏壓擋墻適用于地表傾角較大，偏壓嚴(yán)重或邊坡有失穩(wěn)趨勢(shì)的地段。利用了擋土墻的原理，即利用擋墻自身重力抵抗水平偏壓荷載，同時(shí)在擋墻背后進(jìn)行回填，一方面可加強(qiáng)對(duì)因偏壓產(chǎn)生拱頂變形的約束，另一方面可將部分偏壓直接傳遞給偏壓擋墻。

5.3 半明半暗隧道結(jié)構(gòu)控制技術(shù)

當(dāng)邊坡坡度較陡，覆蓋層較薄，若按明洞開挖則會(huì)造成邊坡的大面積刷坡，不僅破壞了原生態(tài)植被，還極易引起深埋側(cè)邊坡坍塌，此類情況下，可以考慮采用半明半暗的隧道結(jié)構(gòu)，明挖側(cè)的結(jié)構(gòu)也是利用了擋土墻的作用機(jī)理，同時(shí)在隧道拱頂進(jìn)行回填。

表1 考慮偏壓作用時(shí)的隧道外側(cè)拱肩山體厚度tTable 1 Critical cover depth considering unsymmetrical pressure m

5.4 預(yù)應(yīng)力錨桿控制技術(shù)

在偏壓隧道施工中，預(yù)應(yīng)力錨桿不但起到抗滑作用，同時(shí)可加固軟弱圍巖，加強(qiáng)薄板狀或不牢固的巖體，從而改善巖體的穩(wěn)定性。值得注意的是，預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度一般要貫穿隧道邊坡失穩(wěn)的滑裂面才能有效發(fā)揮其作用，且其一般也要與別的偏壓措施聯(lián)合使用。

5.5 地表注漿加固控制技術(shù)

地表注漿加固的目的是提高圍巖的力學(xué)性能和整體穩(wěn)定性，從而有效地減小隧道的偏壓程度。其通常也是要和其他偏壓控制措施聯(lián)合使用，如偏壓擋墻、偏壓回填等。

6 結(jié)論

(1)造成隧道偏壓的原因有地形因素、地質(zhì)因素和施工因素，其中地形因素是主要的，特別是在洞口淺埋段;地質(zhì)因素分為巖層順層偏壓和隧道一側(cè)存在空洞(如溶洞)引起的偏壓;施工因素為局部坍方和不對(duì)稱施工引起的偏壓。

(2)偏壓對(duì)隧道的影響體現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)、洞口邊坡和施工3個(gè)方面:偏壓情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載不均勻，容易導(dǎo)致剪切破壞;洞口段邊坡會(huì)發(fā)生一定水平位移，如果圍巖條件差、遇降水的情況，邊坡容易出現(xiàn)裂紋及整體失穩(wěn)。

(3)應(yīng)考慮偏壓作用的臨界偏壓厚度與圍巖級(jí)別、地表坡度和開挖跨度有關(guān):對(duì)于同一級(jí)圍巖，坡度越陡，臨界偏壓厚度越大;對(duì)于同一個(gè)坡度，圍巖越差，臨界偏壓厚度越大;隧道跨度越大，開挖面積越大，則臨界偏壓厚度也越大。

(4)治理偏壓隧道的措施多種多樣，對(duì)于地表可采取偏壓擋墻、偏壓回填、預(yù)應(yīng)力錨桿、地表注漿和半明半暗結(jié)構(gòu);對(duì)于隧道洞內(nèi)采取的措施可參考淺埋軟弱圍巖段的，即“短開挖，強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)密貼，實(shí)回填，嚴(yán)治水，勤量測(cè)”的施工原則，同時(shí)，也可采取不對(duì)稱的初期支護(hù)方案和不對(duì)稱的開挖方法進(jìn)行處理，如CD法，從而減小偏壓的影響。

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China Railway Eryuan Engineering Group CO.LTD.TB 10003 － 2001，Code for designing of railway tunnel［S］.Beijing:China Railway Press，2005.

Study on disease characteristics of unsymmetrcial pressure tunnel and its control measures

LI Bin

(School－ run Industry Department，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China)

Through cases collection and statistical analysis，causes and hazards of unsymmetrical pressure tunnel were studied.Influence factors of critical depth of unsymmetrical pressure tunnel were analyzed as well as principle of control measures.Results show that causes of unsymmetrical pressure tunnel are terrain，geology and construction.The terrain is major factor，especially in shallow cover section of tunnel entrance.It is more susceptible to occur shear failure and overall unstable failure due to unsymmetrical pressure acting on lining and surrounding rock.Critical depth is proportional to rock condition，tunnel span and surface gradient.In view of reducing degree of bias，comprehensive measures are taken both on ground surface and inside tunnel，such as backfill bias，bias retaining walls，pre －stressed anchor and half－light structure.

tunnel engineering;unsymmetrical pressure disease;critical depth;control measures

U457.2

A

1672－7029(2011)06－0059－05

2011－10－27

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃重大課題(2009G005－E;2008G025－C);湖南省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX2010B094)

李 彬(1964－)，男，湖南邵陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事土木工程施工與管理方面的工作