不良地質(zhì)條件下公路隧道施工力學(xué)特性研究

王修斌

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的不斷實施，我國高速公路建設(shè)規(guī)模越來越大。在此形勢下，高速公路隧道所遇到的地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，如巖溶、斷層破碎帶、膨脹巖、高地應(yīng)力、軟弱圍巖、淺埋偏壓、富水等不良地質(zhì)情況越來越多，導(dǎo)致隧道在施工過程中極易產(chǎn)生突泥、涌水、掉塊、塌方、冒頂、基底隆起等施工災(zāi)害，給施工人員及機(jī)械安全帶來了極大的威脅。為此，研究不良地質(zhì)條件下隧道施工過程中的力學(xué)特性對于提高隧道施工效率、保證施工安全具有非常重要的意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者們針對不良地質(zhì)條件下隧道施工力學(xué)特性、處治技術(shù)開展了大量深入而詳細(xì)的研究工作，也取得了一系列的研究成果。李樹忱[1]等人研究了膨脹性黃土隧道的力學(xué)機(jī)制，提出了相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式；吳廣明[2]結(jié)合高地應(yīng)力軟巖隧道——蘭渝鐵路兩水隧道的工程實例，分析其力學(xué)機(jī)理，提出支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化方案；陳建勛[3]依托劉家坪2號隧道的工程實例，通過施工監(jiān)測，全面了解黃土隧道淺埋偏壓洞口段的套拱受力特性；孟德鑫[4]利用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬手段，分析了大斷面黃土隧道地層變形規(guī)律、初期支護(hù)力學(xué)機(jī)理，并對比分析了各類圍巖變形控制技術(shù)。本文依托某淺埋偏壓隧道的工程實例，利用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬手段，分析其施工力學(xué)特性，從而為類似工程施工、設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

某高速公路隧道是寶天高速的控制性工程，為雙向四車道分離式隧道，左洞長3525 m，右洞長3470 m，屬特長公路隧道。隧址區(qū)位于秦嶺北麓，山勢險峻，屬典型的高山峽谷地帶，具有較強(qiáng)的切割、剝蝕地質(zhì)作用。根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，隧址區(qū)洞身段地層主要為第四系全新統(tǒng)角礫巖、片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其節(jié)理裂隙極為發(fā)育，圍巖條件極差，屬Ⅴ級圍巖；且隧道洞身段穿越3條地質(zhì)斷層帶，該斷層帶圍巖破碎，風(fēng)化程度高，富水性強(qiáng)；隧址區(qū)地表巖層主要為坡崩積塊石土（Q4dl+el），坡殘積紅黏土（Q4dl+el）、粉質(zhì)黏土、碎石土等。受地形條件的影響，該隧道洞口段屬典型的淺埋偏壓地形，其最小埋深僅為3.5 m，其具體情況如圖1所示。當(dāng)施工至斷層破碎帶時，由于其圍巖富水性較強(qiáng)，隧道初期支護(hù)存在滲漏水現(xiàn)象，且伴隨裂縫出現(xiàn)，具體情況如圖2所示。

圖2 隧道洞內(nèi)施工情況

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方法

結(jié)合本項目的實際特點，通過布設(shè)土壓力計分別監(jiān)測圍巖與初支、初支與二襯之間的接觸壓力，并布設(shè)振弦式鋼筋應(yīng)力計來監(jiān)測鋼拱架應(yīng)力情況，從而全面分析整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。在傳感器布設(shè)方面，首先在隧道洞口淺埋偏壓段的初期支護(hù)與圍巖之間布設(shè)9個壓力計，其布設(shè)位置以隧道軸線呈對稱狀態(tài)；其次在初期支護(hù)與二襯之間布設(shè)9個壓力計，位置與初期支護(hù)和圍巖之間的壓力計相對應(yīng)；最后在二襯鋼筋上布設(shè)7個鋼筋應(yīng)變計，其具體位置如圖3所示。

圖3 傳感器布設(shè)位置圖

在土壓力計布設(shè)過程中，應(yīng)嚴(yán)格保證土壓力計的受壓面朝向被測界面，承受土壓力計的界面應(yīng)整平，且安裝就位后土壓力計初始值應(yīng)大于布設(shè)前土壓力計自由狀態(tài)下的讀數(shù)，具體情況如圖4所示。鋼筋應(yīng)力計布設(shè)時應(yīng)將其焊接在主筋上，且焊接面積不應(yīng)小于主筋的有效面積；同時，在焊接時為避免鋼筋應(yīng)力計受溫度的影響，應(yīng)采取敷設(shè)濕毛巾或流水冷卻等措施進(jìn)行保護(hù)，其現(xiàn)場布設(shè)情況如圖5所示。

圖4 土壓力計現(xiàn)場布設(shè)情況

圖5 鋼筋應(yīng)力計現(xiàn)場布設(shè)情況

2.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

利用上述現(xiàn)場監(jiān)測手段，對圍巖-初期支護(hù)間接觸壓力、初期支護(hù)-二襯間接觸壓力、鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合本項目的實際情況，選取淺埋偏壓洞口段為典型隧道監(jiān)測斷面，所測得的結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 圍巖與初支間壓力監(jiān)測結(jié)果（單位：kPa）

從圖6中可以看出，圍巖與初支間接觸壓力分布極不均衡，右側(cè)壓力明顯大于左側(cè)壓力，其最大值為260 kPa，發(fā)生在測點3處，為最小值86.3 kPa的3倍?？梢?，在偏壓地形條件下，圍巖與初支間接觸壓力極易形成應(yīng)力集中，尤其在埋深較大一側(cè)對應(yīng)的拱肩部位，不利于整體穩(wěn)定性。

圖7 初支與二襯間壓力監(jiān)測結(jié)果（單位：kPa）

從圖7中可以看出，在二襯施作完成后，二襯開始承受部分壓力，其值范圍為17.2～45.4 kPa，其右側(cè)壓力仍普遍大于左側(cè)壓力，最大值45.4 kPa發(fā)生在測點5處。可見，軟弱圍巖隧道二襯在施作完成后迅速承擔(dān)部分荷載，且受偏壓地形條件的影響，其二襯與初支間接觸壓力分布不均衡。

圖8 鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果（單位：kPa）

從圖8中可以看出，鋼拱架外側(cè)壓力分布不均衡，右側(cè)壓力明顯大于左側(cè)壓力，其最大值13.3 kPa發(fā)生在右側(cè)拱腰處；而鋼拱架內(nèi)側(cè)壓力值最大值15.3 kPa分布在左側(cè)拱肩處，且左側(cè)壓力值明顯大于右側(cè)。此原因在于，在偏壓軟弱圍巖的影響下，鋼拱架整體向左側(cè)傾斜，導(dǎo)致鋼拱架內(nèi)外壓力值分布情況正好相反。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型及參數(shù)

為進(jìn)一步分析驗證不良地質(zhì)條件下公路隧道施工力學(xué)特性，本文采用大型有限元分析軟件MADIS-GTS，建立數(shù)值模型進(jìn)行分析。假定隧道圍巖材料為均質(zhì)彈塑性體，其材料力學(xué)特性遵循Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，其數(shù)值模型如圖9所示，所得隧道襯砌彎矩、軸力的模擬結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖9 隧道有限元模型

圖10 隧道襯砌彎矩圖（單位：kN·m）

圖11 隧道襯砌軸力圖（單位：kN）

從圖10中可以看出，隧道襯砌的彎矩拱頂左右45°范圍內(nèi)為正彎矩，從拱肩到拱腰上側(cè)為負(fù)彎矩，拱腳處所受的彎矩最大，可見拱腳為襯砌受力最不利位置。受不良地質(zhì)條件的影響，其右側(cè)拱腳彎矩值較大，且分布范圍較大，最大值達(dá)到了87.05 kN·m，相鄰仰拱處彎矩最大值為-66.24 kN·m，該處極易產(chǎn)生襯砌縱向裂縫；而左側(cè)彎矩值分布范圍較小，且相鄰仰拱處彎矩最大值較小，發(fā)生裂縫的風(fēng)險相對較小。從圖11中可以看出，隧道襯砌軸力受不良地質(zhì)條件的影響，其在拱頂和仰拱處均產(chǎn)生了應(yīng)力集中，其最大值達(dá)到了573.8 kN，極易產(chǎn)生拱頂下沉及基底隆起病害；因此在不良地質(zhì)段隧道施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)襯砌拱頂背后注漿質(zhì)量，并加強(qiáng)仰拱強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文依托某淺埋偏壓隧道的工程實例，利用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬手段，分析其施工力學(xué)特性，得出以下幾點結(jié)論：

a）在偏壓地形條件下，圍巖與初支間接觸壓力極易形成應(yīng)力集中，其應(yīng)力最大值發(fā)生在埋深較大一側(cè)對應(yīng)的拱肩部位，不利于整體穩(wěn)定性。

b）軟弱圍巖隧道二襯在施作完成后迅速承擔(dān)部分荷載，且受偏壓地形條件的影響，其二襯與初支間接觸壓力分布不均衡。

c）在偏壓軟弱圍巖的影響下，鋼拱架整體向左側(cè)傾斜，導(dǎo)致鋼拱架內(nèi)外壓力值分布情況正好相反。

d）受不良地質(zhì)條件的影響，其右側(cè)拱腳彎矩值較大，且分布范圍較大；隧道襯砌軸力在拱頂和仰拱處均產(chǎn)生了應(yīng)力集中。