淺埋偏壓對連拱隧道施工力學效應的影響及處治措施

邱明明， 楊果林， 張沛然， 段君義

(1.延安大學建筑工程學院， 延安 716000； 2.中南大學土木工程學院， 長沙 410075)

隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，穿越山區(qū)復雜地質(zhì)條件的連拱隧道工程大量涌現(xiàn)，不可避免地會遇到圍巖條件惡劣與淺埋偏壓問題。工程實踐表明，此類隧道多出現(xiàn)在斜坡洞口段，由于圍巖穩(wěn)定性差、地形和兩側(cè)荷載不對稱，隧道在施工期間和運營過程極易出現(xiàn)圍巖大變形、襯砌侵限、中墻壓裂、邊坡失穩(wěn)等工程災害[1-3]，嚴重影響隧道施工和運營安全。

淺埋偏壓連拱隧道進洞施工力學行為一直是中外學者的研究熱點。雷明鋒等[4-5]借助模型試驗研究了淺埋偏壓條件下隧道力學特性，并認為偏壓作用是隧道受力的不利因素。王海強等[6]對淺埋偏壓條件下連拱隧道襯砌開裂原因、發(fā)展規(guī)律及防治措施進行了研究。余莉等[7]通過現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計和室內(nèi)試驗方法對偏壓洞口段隧道襯砌開裂誘發(fā)因素及處理措施進行了分析。季毛偉等[8]研究了淺埋偏壓雙連拱隧道施工過程中圍巖與支護結(jié)構(gòu)應力與位移變化規(guī)律。徐前衛(wèi)等[9]通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬方法研究了淺埋偏壓隧道洞口段施工力學特性。黃維新等[10]結(jié)合軟弱圍巖偏壓隧道工程實例，對比分析了不同開挖順序條件對隧道圍巖位移變形量的影響規(guī)律。李輝等[11]分析了偏壓連拱隧道不同施工方案引起的的隧道-支護結(jié)構(gòu)位移與應力變化規(guī)律。楊果林等[12]通過現(xiàn)場監(jiān)測對偏壓連拱隧道復合式曲中墻力學特性進行了研究，認為偏壓荷載會誘發(fā)施工階段中墻發(fā)生偏轉(zhuǎn)。李建宇等[13]對軟弱圍巖偏壓連拱隧道中隔墻受力特點和穩(wěn)定性進行了研究，分析了對稱和不對稱型式中隔墻結(jié)構(gòu)合理選型。來弘鵬等[14]通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬對地表預加固破碎圍巖淺埋偏壓隧道處治效果進行了研究，分析結(jié)果表明注漿處治效果顯著。

綜上所述，淺埋偏壓賦存條件下連拱隧道有著特殊的施工力學特性，是影響隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。盡管現(xiàn)有的研究在偏壓連拱隧道方面已取得諸多有益的成果，但由于地質(zhì)條件的特殊性和巖土介質(zhì)的復雜性等顯著特點，淺埋偏壓連拱隧道施工力學行為仍需深入研究。鑒于此，現(xiàn)以淺埋偏壓連拱隧道工程為背景，借助數(shù)值模擬方法建立連拱隧道破碎圍巖-曲中墻-支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有限元計算模型，對比分析不同開挖方案條件下偏壓連拱隧道圍巖、支護結(jié)構(gòu)及曲中墻力學行為變化規(guī)律，并結(jié)合具體工程實例分析偏壓洞口失穩(wěn)災害原因及處治措施，為軟弱圍巖偏壓隧道施工安全與變形控制提供參考。

1 依托工程背景

1.1 工程及地質(zhì)概況

某Ⅰ級公路隧道工程，起止樁號為K9+309.8～K9+540.0，總長230.2 m，坡度i=2.24%，設(shè)計行車速度60.0 km/h。隧道內(nèi)輪廓寬×高為10.50 m×8.50 m，采用雙連拱隧道方案，斷面形式為三心圓。上覆巖土體厚度為1.5～63.0 m，隧道開挖總寬25.37 m，高度10.42 m。擬建隧道場地屬低山丘陵地貌，地形起伏較大，山體自然坡度45°～55°，植被較發(fā)育。隧道進、出口段均處于山前斜坡地帶，地表主要為殘、坡積成因的粉質(zhì)黏土及少量碎石土，不均勻分布于隧道山體，坡體穩(wěn)定性較差。洞口段隧道覆土厚度1.5～16.0 m，且為淺埋偏壓地段，該段地質(zhì)類型為軟弱破碎圍巖，主要為強(中)風化粉砂巖、頁巖破碎帶，局部為硬塑狀粉質(zhì)黏土。巖體淺部節(jié)理裂隙發(fā)育、極破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，無支護時拱部易坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)。巖層傾向?qū)λ淼琅潘^不利，集中降雨條件下洞內(nèi)呈線狀、淋雨狀或涌流狀出水。

雙連拱隧道支護系統(tǒng)采用柔性支護體系的復合式襯砌結(jié)構(gòu)，即以系統(tǒng)錨桿[直徑25 mm，長度4.0 m，@800 mm×500 mm(環(huán)向×縱向)]、噴射混凝土(C25，厚度260 mm)、鋼筋網(wǎng)(直徑8 mm，間距200 mm×200 mm)、型鋼拱架(I20a，間距500 mm)等為初期支護，模筑鋼筋混凝土二次襯砌(C35/P8，厚度600 mm，帶仰拱)，并在兩次襯砌之間鋪設(shè)EVA防水板(1.5 mm EVA復合防水板+無紡土工布)，襯砌斷面型為曲墻帶仰拱襯砌。其中，復合式曲中墻結(jié)構(gòu)墻高6.21 m，墻厚1.05～3.00 m；隧道洞口段采用超前大管棚(φ108 mm×6 mm管棚，@400 mm，長度40 m，插入角3.0°)和超前小導管(φ42 mm×4 mm鋼管，@400 mm，長度5.0 m，插入角20.0°)共同組成超前支護系統(tǒng)，如圖1所示。隧道施工采用三導洞法，具體施工順序為：中導洞超前支護→中導洞開挖與初期支護→左側(cè)導洞開挖與支護→右側(cè)導洞開挖與支護→中墻底部小導管注漿加固(中導洞貫通后)→中墻施工→施做中墻臨時支撐→左洞主洞開挖與支護→右洞主洞開挖與支護。

圖1 雙連拱隧道支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)Fig.1 Support structure system of double multi-arch tunnel

1.2 偏壓洞口失穩(wěn)特征

在偏壓隧道洞口施工過程中，受開挖卸荷、斜坡體偏壓和降雨入滲共同作用，左洞洞頂上方坡面出現(xiàn)可見裂紋、套拱開裂，初期支護發(fā)生過大變形、掉塊現(xiàn)象，如圖2所示；套拱拱頂水平位移約50.0 mm，左洞拱腰水平和豎向位移分別達67.0、-30.0 mm；已施作的中墻墻肩開裂、墻身多處出現(xiàn)可見裂紋等病害，如圖3所示。主要原因有：①斜坡土體穩(wěn)定性差，致使偏壓作用更加突出；②持續(xù)性降雨入滲誘發(fā)斜坡土體強度劣化，隧道支護結(jié)構(gòu)遭受偏壓荷載加劇；③斜坡預加固和防排水處理考慮不足；④隧道施工順序?qū)ζ珘憾纯诘挠绊懣紤]不足，引起斜坡和隧道結(jié)構(gòu)大變形。

圖2 洞口套拱結(jié)構(gòu)位移隨時間變化規(guī)律Fig.2 Change rules of umbrella arch structure displacement with time at portal section

圖3 淺埋偏壓連拱隧道洞口失穩(wěn)現(xiàn)象實況Fig.3 The instability phenomenon of shallow biased multi-arch tunnel at portal section

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型建立

為分析偏壓條件下淺埋連拱隧道施工力學特性，結(jié)合擬建隧道場地勘察報告及設(shè)計資料，考慮土體的無限性及隧道開挖擾動影響范圍，取模型上表面為地表，取為自由邊界；左、右邊界取距原點50.0 m，模型側(cè)面限制水平位移；下邊界取距原點20.0 m，底面固定限制水平和豎直位移。取平行隧道橫向為X軸、豎向為Z軸，坐標原點為隧道中心點，采用有限元軟件PLAXIS2D建立的連拱隧道軟弱破碎圍巖-曲中墻-支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)數(shù)值計算模型尺寸寬(X)×高(Z)為100.0 m×60.0 m，模型共劃分1 665個單元，13 427個節(jié)點，如圖4所示。在數(shù)值模擬計算中，巖土體、注漿加固體和二次襯砌采用實體單元模擬，初期支護結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)單元模擬。巖土體為各向同性彈塑性材料，屈服準則采用能較好描述土體破壞應力狀態(tài)的莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服條件[15]，利用增量理論計算，見式(1)；初期支護、二次襯砌采用彈性本構(gòu)模型。各材料主要物理力學參數(shù)如表1所示。

圖4 偏壓連拱隧道數(shù)值計算模型Fig.4 Numerical analysis model of multi-arch tunnel under unsymmetrical loading

表1 圍巖及結(jié)構(gòu)主要物理力學參數(shù)Table 1 The main physical and mechanical parameters of surrounding rock and structure

fs=(σ1-σ3)-(σ1+σ3)sinφ-2ccosφ=0

(1)

式(1)中：fs為屈服函數(shù)；σ1為大主應力；σ3為小主應力；c為土體黏聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

2.2 計算結(jié)果對比與分析

在淺埋偏壓條件下連拱隧道開挖順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)力學響應影響顯著，故設(shè)置先右洞后左洞(開挖方案Ⅰ：Ⅰ-1右洞開挖，Ⅰ-2左洞開挖)和先左洞后右洞(開挖方案Ⅱ：Ⅱ-1左洞開挖，Ⅱ-2右洞開挖，實際采用方案)兩種隧道開挖方案，以進一步探討不同開挖方案條件下偏壓連拱隧道及曲中墻力學行為變化規(guī)律。

圖5 開挖方案Ⅰ條件下偏壓連拱隧道圍巖位移分布規(guī)律Fig.5 Displacement distribution of surrounding rock of biased multi-arch tunnel under the excavation scheme Ⅰ

圖6 開挖方案Ⅱ條件下偏壓連拱隧道圍巖位移分布規(guī)律Fig.6 Displacement distribution of surrounding rock of biased multi-arch tunnel under the excavation scheme Ⅱ

2.2.1 圍巖位移場分布規(guī)律

如圖5所示為開挖方案Ⅰ條件下偏壓連拱隧道圍巖位移分布規(guī)律。如圖6所示為開挖方案Ⅱ條件下偏壓連拱隧道圍巖位移分布規(guī)律。由圖可得，圍巖水平位移和豎向位移呈非對稱分布，且左側(cè)變形量大于右側(cè)，即偏壓荷載對左隧道施工變形影響較右側(cè)顯著；在方案Ⅰ條件下，右洞先施工后，坡面最大水平位移為3.26 mm，右洞左側(cè)拱腳水平位移為-4.46 mm，拱頂下沉-8.96 mm，而左洞施工后，坡面最大水平位移為9.40 mm，左洞左側(cè)拱腳水平位移為-8.27 mm，拱頂下沉-14.64 mm，如圖5所示；在方案Ⅱ條件下，左洞先施工后，坡面最大水平位移為8.01 mm，左洞左側(cè)拱腳水平位移為-6.15 mm，拱頂下沉-12.78 mm，而右洞施工后，坡面最大水平位移為10.95 mm，左洞左側(cè)拱腳水平位移為-8.60 mm，拱頂下沉-16.38 mm，如圖6所示。兩種開挖方案對比可知，先進行受偏壓荷載影響較小的右隧道施工，使右隧道支護結(jié)構(gòu)與坡體形成整體，有利于坡體穩(wěn)定和控制隧道施工變形，相反，若先施工左隧道會加劇偏壓荷載釋放，誘發(fā)隧道圍巖大變形，故方案Ⅱ條件下的圍巖變形大于方案Ⅰ。

2.2.2 曲中墻應力分布規(guī)律

如圖7所示為開挖方案Ⅰ條件下偏壓連拱隧道曲中墻應力變化規(guī)律。如圖8所示為開挖方案Ⅱ條件下偏壓連拱隧道曲中墻應力變化規(guī)律。由圖可得，兩種開挖方案條件下中墻水平應力(σxx)分布差異較小，且均在中墻墻腳(拱腳)位置壓應力集中現(xiàn)象顯著；工況Ⅰ-1下僅在中墻右側(cè)墻腳區(qū)域出現(xiàn)壓應力集中，最大應力為-3.40 MPa，工況Ⅱ-1下在中墻左側(cè)區(qū)域整體出現(xiàn)較大壓應力，墻體中上部和墻腳應力集中現(xiàn)象顯著，最大應力為-4.80 MPa，約為工況Ⅰ-1的1.41倍，且在右側(cè)墻體中上部出現(xiàn)拉應力區(qū)；左右洞開挖完成后中墻左側(cè)均為受壓狀態(tài)，且工況Ⅱ-2墻體最大豎向應力為工況Ⅰ-2的1.18倍；兩種開挖方案條件下中墻豎向應力(σzz)分布差異明顯，工況Ⅱ-2條件下相對于工況Ⅰ-2更易引起中墻左側(cè)因遭受附加偏壓荷載作用而發(fā)生壓裂破壞，此現(xiàn)象與實際情況吻合，見圖3。因此，從控制偏壓連拱隧道變形和中墻力學狀態(tài)角度，采用開挖方案Ⅰ更優(yōu)于方案Ⅱ。

圖7 開挖方案Ⅰ條件下偏壓連拱隧道曲中墻應力變化規(guī)律Fig.7 Stress distribution of middle wall of biased multi-arch tunnel under the excavation scheme Ⅰ

圖8 開挖方案Ⅱ條件下偏壓連拱隧道曲中墻應力變化規(guī)律Fig.8 Stress distribution of middle wall of biased multi-arch tunnel under the excavation scheme Ⅱ

2.2.3 初期支護位移分布規(guī)律

如圖9所示為不同開挖方案條件下連拱隧道初期支護位移分布規(guī)律。由圖9可得，隨著隧道左右洞逐步開挖，隧道初期支護變形逐漸增大，且呈非對稱曲線分布；工況Ⅱ-1條件下拱頂水平(Ux)和豎向位移(Uz)依次為6.05、-12.78 mm，為工況Ⅰ-1的1.49、1.43倍；方案Ⅱ條件下隧道初期支護變形大于方案Ⅰ，尤其是工況Ⅰ-1與工況Ⅱ-1相比差異更為顯著，見表2。因此，在工程實踐中應重視淺埋偏壓連拱隧道合理開挖順序和斜坡體加固措施，以防止由于施工不當加劇隧道遭受附加偏壓荷載作用，并誘發(fā)洞口斜坡和隧道支護結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。

表2 不同開挖方案條件下隧道初期支護位移對比Table 2 Comparison between displacements of tunnel primary support under different conditions

圖9 不同開挖方案條件下連拱隧道初期支護位移分布規(guī)律Fig.9 Displacement distribution of primary support of biased multi-arch tunnel under different conditions

3 偏壓洞口失穩(wěn)處治措施

針對偏壓洞口病害提出了相應的加固處治方案，主要包括臨時加固、二襯強化、套拱換拱、侵限鋼拱架換拱等工程措施，具體措施如下：

3.1 臨時加固措施

對邊坡開裂區(qū)域采用人工灌注水泥砂漿，再采用防水土工布覆蓋坡面，以防止降雨入滲而加劇邊坡失穩(wěn)；將坡體噴射砼已開裂或即將掉塊區(qū)域人工鑿除，并重新補噴；在洞內(nèi)偏壓側(cè)人工鑿出初支工字鋼，在其上沿縱向設(shè)置I20a工字鋼橫梁和斜撐，采用φ630鋼管施作立柱并支撐于拱頂，見圖10。臨時支護結(jié)構(gòu)可將偏壓荷載傳遞至仰拱，以抑制隧道變形繼續(xù)發(fā)展。

圖10 偏壓隧道洞口臨時加固與支護措施Fig.10 The measures of temporary reinforcement and support of biased tunnel at portal section

圖11 偏壓隧道洞口套拱加固與二襯施工Fig.11 Umbrella arch reinforcement and second lining construction of biased tunnel at portal section

3.2 二襯強化措施

提高左洞洞口未侵限段二襯混凝土強度等級(由原設(shè)計的C35調(diào)整為C40)，以增強二襯承載性能；快速施作未侵限段二襯結(jié)構(gòu)，但不得過早拆移臺車以避免二襯受偏壓荷載影響而開裂變形；加快右洞洞口開挖與明洞結(jié)構(gòu)施工，使右洞明洞與山體盡快形成整體。

3.3 洞口套拱換拱

在左洞原套拱外側(cè)施作新套拱，新套拱采用25 m長φ108 mm×8 mm熱軋無縫鋼花管+微型鋼筋籠(4φ20 mm)+注漿組合型大管棚，待右洞明洞及左洞大管棚施工完成后方可進行原有侵限套拱的拆除；套拱拆除時采用人工和炮機相結(jié)合的方式由內(nèi)而外按榀破除，拆除后立即施作新鋼拱架、噴射混凝土和鎖腳錨桿，同時在拱腰鋼板連接處增設(shè)2根鎖腳錨桿，增強初支結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，如圖11所示；侵限套拱拆除過程中應避免破壞新套拱，強化施工監(jiān)測，以確保施工安全。

3.4 洞口二襯施工

左洞套拱破除及侵限初支處理完成后，立即由內(nèi)而外施作二襯結(jié)構(gòu)，而后進行洞門、明洞回填等施工。

通過采取上述加固處治措施，有效抑制了斜坡坡體與隧道支護結(jié)構(gòu)變形繼續(xù)發(fā)展，保證了洞口段淺埋偏壓連拱隧道施工得以順利實施，說明該處治方案是合理、可行的。

4 結(jié)論

以淺埋偏壓連拱隧道工程為背景，建立連拱隧道軟弱破碎圍巖-曲中墻-支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有限元計算模型，研究不同開挖方案條件下偏壓連拱隧道及曲中墻力學行為變化規(guī)律，并結(jié)合具體工程實例分析偏壓洞口失穩(wěn)災害原因及處治措施。主要研究結(jié)論如下。

(1)圍巖水平位移和豎向位移呈非對稱分布，開挖條件下受偏壓左側(cè)隧道施工變形較右側(cè)隧道影響顯著；方案Ⅱ條件下的圍巖變形大于方案Ⅰ，建議先進行受偏壓荷載影響較小的右隧道施工，使右隧道支護結(jié)構(gòu)與坡體形成整體，有利于坡體穩(wěn)定和控制隧道施工變形。

(2)不同開挖方案條件下連拱隧道中墻水平應力分布差異較小，而豎向應力分布差異較大，中墻墻腳(拱腳)位置水平壓應力集中現(xiàn)象顯著；從控制偏壓連拱隧道變形和中墻力學狀態(tài)角度，方案Ⅱ相較于方案Ⅰ更易引起中墻左側(cè)因遭受附加偏壓荷載作用而發(fā)生壓裂破壞。

(3)方案Ⅱ條件下隧道初期支護變形大于方案Ⅰ，尤其是工況Ⅰ-1與工況Ⅱ-1相比差異更為顯著，在工程實踐中應重視淺埋偏壓連拱隧道合理開挖順序和斜坡體加固措施，以防止由于施工不當加劇隧道遭受附加偏壓荷載作用，并誘發(fā)洞口斜坡和隧道支護結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。

(4)針對偏壓連拱隧道洞口失穩(wěn)災害，分析了隧道大變形、支護結(jié)構(gòu)侵限、曲中墻墻體壓裂原因，給出了臨時加固、二襯強化、套拱換拱、侵限鋼拱架換拱等處治加固措施，工程實踐表明，采取的加固處治方法合理可行、施工效果顯著。