地形偏壓隧道判定方法及設(shè)計施工措施

白偉　姚紅志　胡曉勇

摘要：針對地形偏壓隧道設(shè)計、施工中的技術(shù)難題，明確偏壓程度的影響因素和變化關(guān)系，采用解析方法及數(shù)值模擬計算等手段展開研究。分析得出了埋深、地面坡度、開挖跨度等因素對偏壓作用的影響規(guī)律，通過埋深和地面坡度可定性判定隧道偏壓程度，初步給出了偏壓地層加固的原則和方法，建議偏壓隧道施工方法以CD法為主，雙側(cè)壁法為補充。

關(guān)鍵詞：公路隧道；地形偏壓；埋深；偏壓角度

中圖分類號：U452.2文獻標志碼：B

Abstract： Aimed at the technical challenges posed by the design and construction of terrain biased tunnel， the study was carried out by means of analytical methods and numerical simulation to clarify the impact factors of bias degree and their relationships. Depth， ground slope， excavation span and other factors on the role of bias effect were analyzed. The bias degree of tunnel could be qualitatively determined by the depth and slope of the ground， and the principle and measures for biased strata reinforcement were given. CD method was proposed for biased tunnel construction， with doublewall method as a supplement.

Key words： highway tunnel； terrain bias； depth； bias angle

0引言

在隧道進出口段，由于線形指標及地形條件的制約，支護結(jié)構(gòu)通常會受到不對稱荷載作用，即地形偏壓。目前，國內(nèi)外對軟弱圍巖偏壓隧道都進行了一定程度的研究，所采用的研究方法主要包括現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值計算和模型試驗等[12]。但是中國的偏壓隧道設(shè)計與施工理論尚落后于施工實踐，特別是對多種偏壓影響因素的關(guān)系和規(guī)律、偏壓地層加固方式、偏壓隧道結(jié)構(gòu)加強方式等關(guān)鍵問題尚未形成統(tǒng)一認識，偏壓隧道變形控制技術(shù)比較孤立，不具備體系性。本文深入探索地形偏壓隧道施工過程圍巖壓力的變化特征，對比分析偏壓角度對常見的Ⅳ級和Ⅴ級圍巖隧道結(jié)構(gòu)的影響程度；根據(jù)埋深、地面坡角和圍巖級別定性判定偏壓影響程度，并進一步就不同程度的偏壓作用給出相應(yīng)的地層加固和結(jié)構(gòu)加強措施。

1偏壓作用影響因素及程度判定

本文從深、淺兩側(cè)荷載不對稱的程度出發(fā)分析偏壓程度的主要影響因素[36]。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTJ D70—2004）的有關(guān)規(guī)定，偏壓隧道拱頂中心處垂直壓力為

式中：h、h′分別為內(nèi)、外側(cè)由拱頂水平至地面的高度（m）；h′=h-Bftan α；Bf為開挖跨度（m）；γ為圍巖重度（kN·m-3）；θ為頂板土柱兩側(cè)摩擦角（°）；λ、λ′分別為內(nèi)、外側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)。

假定偏壓分布圖形與地面坡一致，則埋側(cè)深偏壓qS與淺埋側(cè)偏壓qQ之差Δq=qS-qQ=Bftan αγ，α為地面坡坡角。借鑒工程行業(yè)對于不均勻程度通常的描述習(xí)慣，定義深、淺埋兩側(cè)荷載不對稱系數(shù)

Cun的范圍為0～2，取值越大偏壓情況越嚴重。當該值為0時，表示深淺埋兩側(cè)荷載相等，不存在偏壓情況；當Cun<0.2時，可忽略偏壓；當0.2≤Cun<0.5時，輕微偏壓；當0.5≤ Cun<1時，較嚴重偏壓；當1≤ Cun<2時，嚴重偏壓；當值為2時，表示偏壓的極限狀態(tài)，此時淺埋側(cè)荷載為0，荷載圖形為三角形。

由相關(guān)算式代入可得

由上可知，荷載不對稱系數(shù)與開挖跨度、埋深、地面坡角、圍巖級別有關(guān)。因為隧道偏壓通常出現(xiàn)在洞口V級圍巖段落，故以V級圍巖為典型代表，分別取單洞兩車道、三車道隧道開挖跨度，分析埋深、地面坡角變化時荷載不對稱程度的變化情況。

當開挖跨度、埋深、圍巖級別不變時，荷載不對稱系數(shù)隨地面坡角的增大而增大，如圖2所示。

當開挖跨度、地面坡度、圍巖級別不變時，荷載不對稱系數(shù)隨埋深的增大而減小，并當埋深大于30 m時，基本趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

分別取不同的埋深、地面坡度給合計算荷載不對稱系數(shù)，得出包絡(luò)曲線，如圖4、5所示。

三車道隧道與兩車道隧道相比，偏壓程度為嚴重的區(qū)域明顯擴大，可忽略的區(qū)域縮小。根據(jù)上面得出的埋深及地面坡度對荷載不對稱程度的影響關(guān)系，并結(jié)合已往的工程經(jīng)驗適當修正后，可以得到隧道偏壓程度的分級判定結(jié)果（圖6、7）。

隧道偏壓程度的判斷應(yīng)結(jié)合隧道埋深及地面坡度參照判定表確定，主要以洞口段V級圍巖條件為前提，圍巖條件較好時，可適當降低偏壓程度級別參照本表評估。

2偏壓隧道設(shè)計及施工措施

2.1偏壓隧道施工方法

偏壓隧道常用的施工方法包括雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法及環(huán)形開挖留核心土法。本文從偏壓荷載不均勻程度、結(jié)構(gòu)受力及施工效率3方面對3種施工方案進行綜合對比分析。

圖8荷載不對稱系數(shù)與單次開挖跨度的關(guān)系

以Ⅴ級圍巖，地表坡度為30°，深埋側(cè)埋深為20 m為例。當埋深和地面坡角不變時，荷載不對稱系數(shù)與單次開挖跨度的關(guān)系如圖8、9所示。圖中可以看出，開挖跨度由3 m變?yōu)? m，荷載不對稱系數(shù)隨之減小；在開挖跨度由5 m變?yōu)?3 m的過程中，荷載不對稱系數(shù)隨之增大，總體呈雙曲線關(guān)系。開挖跨度為5 m時，荷載不對稱情況最緩和，減小開挖跨度可以有效減小荷載不均勻程度，減緩偏壓作用。從開挖方法考慮，采用分步分塊開挖導(dǎo)坑法施工是有利于結(jié)構(gòu)安全的。

在常用的3種開挖方式中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法單次開挖跨度約為隧道整體跨度的1/3，CD法約為1/2，環(huán)形導(dǎo)坑法則等于整體跨度。其中雙側(cè)壁法對緩解偏壓的效果最好，CD法次之，但差距不明顯，而環(huán)形導(dǎo)坑法則基本無緩解作用?？紤]實際施工條件，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法速度最慢，占用資源最多，成本也最高；CD法在施工速率、成本控制方面明顯優(yōu)于雙側(cè)壁法，并且可以將荷載不均勻情況控制在較為理想的狀態(tài)。綜合這些因素，對于地形偏壓隧道優(yōu)先推薦采用CD法施工，當?shù)刭|(zhì)條件較差或?qū)Τ两涤刑厥庖髸r可采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，一般不建議采用環(huán)形導(dǎo)坑法。

2.2偏壓地層加固方式

根據(jù)彈塑性理論，如果隧道開挖后圍巖應(yīng)力小于圍巖的強度，圍巖將仍處于彈性狀態(tài)，形成彈性區(qū)；反之，當圍巖局部區(qū)域的應(yīng)力超過圍巖的強度，圍巖則進入塑性狀態(tài)，形成塑性區(qū)。處于塑性區(qū)域的圍巖是施工中掉塊、塌方等不穩(wěn)定因素的主要根源，因此，偏壓隧道地層的加固處理要重點對塑性區(qū)進行加固改良，使其具備一定的穩(wěn)定性而不至于滑塌破壞。

本節(jié)以數(shù)值模擬為主要研究手段，以洞口段淺埋偏壓常見的V級圍巖為典型代表，建立平面彈塑性分析模型（圖10）及計算參數(shù)表（表1）。對不同的埋深（5、10、20、30、40、50 m）和不同地面坡角（0°、5°、10°、15°、20°、25°）組合工況下的施工過程圍巖塑性區(qū)進行分析。

分析結(jié)果顯示，地層的塑性破壞類型大致可分為3類：深、淺埋兩側(cè)塑性區(qū)均貫通至地表；淺埋側(cè)塑性區(qū)貫通至地表；深、淺埋兩側(cè)塑性區(qū)均未發(fā)生貫通情況。如圖11～13所示。

通過對不同埋深和地面坡度組合下的地層塑性區(qū)進行分析，得出地層加固的主要原則和方法。

（1） 偏壓程度為“可忽略”時，可按常規(guī)方法設(shè)計、施工。

（2） 偏壓程度為“輕微”時，隧道按常規(guī)方法實施，但宜結(jié)合實際情況，局部采取加固或加強措施，可應(yīng)用注漿加固、局部錨桿等。

（3） 偏壓程度為“較嚴重”時，建議對偏壓地層進行加固，以徑向系統(tǒng)錨桿為主，錨桿長度不應(yīng)小于4 m，以保證錨桿穿越塑性區(qū)錨固至彈性區(qū)。

（4） 偏壓程度為“嚴重”時，應(yīng)進行偏壓設(shè)計，地層加固以縱向超前支護體系為主，加固范圍在拱部以上180° 內(nèi)，圍巖特別破碎時應(yīng)輔助進行洞內(nèi)注漿和地表注漿，注漿范圍應(yīng)沿隧道起拱線向上（45°+φ/2）范圍內(nèi)。明洞設(shè)計偏壓式結(jié)構(gòu)，在淺埋側(cè)設(shè)置小擋墻穩(wěn)定地表塑性破壞區(qū)域。

3結(jié)語

（1） 通過定義偏壓荷載不對稱系數(shù)，分析埋深及地面坡度的影響關(guān)系，最終得出偏壓程度分級判定表。

（2） 從偏壓荷載不均勻程度、結(jié)構(gòu)受力及施工效率3方面對偏壓隧道常用的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、環(huán)形導(dǎo)坑留核心土法進行了對比分析。提出偏壓隧道施工方案宜CD法為主，雙側(cè)壁法為補充。

（3） 從圍巖塑性范圍和貫通情況以及結(jié)構(gòu)受力特征分析，對偏壓隧道地層加固方式進行了對比研究。偏壓程度為“嚴重”時，地層加固以縱向超前支護體系為主；偏壓程度為“較嚴重”時，以徑向系統(tǒng)錨桿為主；其余情況可按常規(guī)方法實施，局部采用注漿或錨桿加固。

參考文獻：

[1]萬明福.超大跨公路隧道開挖力學(xué)行為研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[2]姜勇，朱合華.巖石偏壓隧道動態(tài)分析及相關(guān)研究[J].地下空間，2004，24（3）：312315.

[3]TB 1003—2005，鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[5]黃強，董迎娜，陳倫，等.淺埋偏壓隧道開挖方案的分析研究[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，19（4）：2326.

[6]于躍勛.地質(zhì)順層偏壓隧道施工力學(xué)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2004.

[責任編輯：杜衛(wèi)華]