軟弱圍巖淺埋隧道洞口失穩(wěn)數(shù)值分析

楊斌 周雄 蒲端 張逸

摘要：隧道洞口的修建一直是隧道建設(shè)過程中重要的一環(huán)節(jié)，它是否穩(wěn)定，直接關(guān)系到隧道的建設(shè)工期，以及是否順利地進(jìn)洞或出洞。文章以廣東某高速公路淺埋偏壓隧道為依托工程，采用Midas GTS軟件建立數(shù)值模型，對(duì)隧道洞口圍巖變形、失穩(wěn)進(jìn)行數(shù)值分析研究。結(jié)果表明：在埋深淺的一側(cè)施作偏壓擋墻，有助于圍巖穩(wěn)定，對(duì)隧道偏壓處治具有良好的效果;在淺埋一側(cè)施作護(hù)拱對(duì)隧道偏壓處治時(shí)，建議結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算分析，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定護(hù)拱合理的截面形狀、布置坡率、厚度等參數(shù)，以確保能較好地減小對(duì)隧道的偏壓作用，否則會(huì)增大隧道的偏壓作用效應(yīng)，加速圍巖變形，不利于隧道偏壓處治。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖;偏壓;淺埋;洞口;數(shù)值分析

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U457+.2-A-27-089-5

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，越來越多的鐵路、公路隧道投入建設(shè)中。由于隧道洞口常常出現(xiàn)淺埋、偏壓等不良地質(zhì)，圍巖多松散、破碎、軟弱，自穩(wěn)能力較差，受降雨、施工擾動(dòng)等外部環(huán)境影響較大，易出現(xiàn)較大的變形，甚至出現(xiàn)塌方冒頂、滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象。而隧道洞口的修建一直是隧道建設(shè)過程中重要的環(huán)節(jié)，它是否穩(wěn)定，直接關(guān)系到隧道的建設(shè)工期，以及是否順利地進(jìn)洞或出洞。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)隧道洞口塌方、滑坡等失穩(wěn)情況做了相關(guān)分析、研究。鄭玉欣[1]從鐵路、公路隧道1 050個(gè)塌方資料中統(tǒng)計(jì)分析了隧道出現(xiàn)塌方的主要原因及塌方的機(jī)理，將塌方進(jìn)行歸納分類，并提出隧道塌方的處治方法。吳學(xué)智等[2]對(duì)施工過程中出現(xiàn)過2次變形的淺埋偏壓隧道進(jìn)口段采用變形觀察及監(jiān)控量測(cè)信息化手段，及時(shí)采用一系列有針對(duì)性的補(bǔ)救措施，成功加固變形隧道，制止隧道塌方及山體滑坡。汪宏、劉小軍等[3-4]用數(shù)值模型分析了隧道支護(hù)變形和坍塌發(fā)生的原因，并結(jié)合工程實(shí)際提出了有效的治理措施。上述文獻(xiàn)均來源于實(shí)際的工程案例，為淺埋偏壓隧道方面的研究積累了豐富的資源，但分析研究主要以實(shí)際工程資料統(tǒng)計(jì)分析、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為主，深入分析、研究依然還顯得不足。本文以廣東某高速公路淺埋偏壓隧道為依托工程，采用Midas GTS軟件建立數(shù)值模型，對(duì)隧道洞口圍巖變形、失穩(wěn)進(jìn)行數(shù)值分析研究，并依據(jù)研究結(jié)果和實(shí)際工程情況提出相應(yīng)的處治措施。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 工程概況

本隧道右線出口段長(zhǎng)約104 m，存在偏壓、淺埋地質(zhì)，隧道圍巖地質(zhì)條件較差，為Ⅴ級(jí)圍巖，計(jì)算斷面埋深4.5 m。0～14.3 m為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化變質(zhì)砂巖：粉質(zhì)黏土為灰褐色-褐黃色，稍濕，可塑，土質(zhì)不均，黏性一般，夾少量碎石;全風(fēng)化變質(zhì)砂巖為褐紅色，巖石風(fēng)化完全，巖質(zhì)極軟，手捏易散，遇水軟化崩解。14.3～28.3 m為強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖（J3dl），灰褐色，變余結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，敲擊易碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，裂隙面銹染，局部中風(fēng)化，巖質(zhì)較硬，敲擊聲脆。28.3～53.3 m為中風(fēng)化變質(zhì)砂巖（J3dl）為灰褐色，變余結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯破碎多呈碎塊狀，巖石風(fēng)化不均，夾少量強(qiáng)風(fēng)化碎塊，巖質(zhì)較硬，表面較粗糙，裂隙極發(fā)育，裂隙面銹染明顯。

隧道出口已完成套拱施工，在大管棚的支護(hù)下，采用環(huán)形開挖留核心土法向里面開挖，上臺(tái)階掘進(jìn)不足10 m，仰坡、截水溝均出現(xiàn)大范圍開裂，初期支護(hù)多處開裂、滲水，出現(xiàn)較大的變形。

1個(gè)月過后，初期支護(hù)開裂處復(fù)噴處理后再次開裂，右拱腳處變形較大、侵限，且存在股狀滲水;之前仰坡、截水溝裂縫依舊存在，其中部分裂縫繼續(xù)發(fā)展、擴(kuò)大。

為了進(jìn)一步深入了解洞口圍巖變形的原因、失穩(wěn)機(jī)制，本文結(jié)合實(shí)際工程情況，建立數(shù)值模型進(jìn)行深入分析、研究。

1.2 數(shù)值模型

參照相關(guān)設(shè)計(jì)文件，采用Midas GTS有限元軟件對(duì)本隧道建立二維平面應(yīng)變模型進(jìn)行數(shù)值分析，如圖1所示。隧道洞頂橫坡模擬實(shí)際地形情況，左、右側(cè)距離隧道取50 m，隧道底部距離下邊界取40 m。對(duì)模型的左、右側(cè)、下邊界均施加法向約束，地表為自由邊界，不加約束條件。

在模型中，隧道圍巖采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，初期支護(hù)、錨桿采用彈性本構(gòu)模型，進(jìn)行線性靜力計(jì)算;采用一維梁?jiǎn)卧M管棚、噴射混凝土和鋼拱架，一維桁架單元模擬錨桿，采用二維三邊形或四邊形實(shí)體單元模擬隧道圍巖，采用材料參數(shù)替換模擬C20偏壓擋墻及護(hù)拱、偏壓擋墻處基礎(chǔ)加固。

在數(shù)值模擬計(jì)算中，圍巖、初期支護(hù)采用與實(shí)際相符的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

（1）初期支護(hù)：C25，噴射混凝土，厚24 cm;工字鋼Ⅰ18@60 cm。

對(duì)于初期支護(hù)的參數(shù)，將鋼拱架彈性模量等效給噴射混凝土[5]，其計(jì)算方法為：

E′h=E0h+AgEgAh

式中，E′h、E0h、Ah分別為考慮鋼拱架作用后噴射混凝土的彈性模量、噴射混凝土的原始彈性模量和噴射混凝土的截面積;Ag和Eg分別為鋼拱架的截面積和彈性模量。

（2）錨桿：中注式25 mm，壁厚5.5 mm，長(zhǎng)度350 cm，按100×60 cm布置，HPB300。

1.3 施工工況

為了較好地對(duì)隧道存在的情況進(jìn)行有針對(duì)性分析，數(shù)值分析按如下幾種工況進(jìn)行考慮（表2）。

1.4 施工工序

計(jì)算斷面位于Ⅴ級(jí)淺埋巖段，在超前支護(hù)完成后，隧道采用環(huán)形開挖留核心土法進(jìn)行開挖。隧道施工工序方案如圖2所示。

施工主要步驟：

（1）開挖導(dǎo)坑上半斷面（預(yù)留核心土弧形開挖1）。

（2）上導(dǎo)坑拱部初期支護(hù)1。

（3）開挖上臺(tái)階核心土2。

（4）左右交錯(cuò)開挖下臺(tái)階（3、4）。

（5）下臺(tái)階邊墻、仰拱初期支護(hù)Ⅱ。

2 洞口失穩(wěn)分析

下面從無偏壓處治、偏壓擋墻、護(hù)拱這三方面對(duì)洞口圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行數(shù)值分析，分析洞口圍巖失穩(wěn)運(yùn)行機(jī)制，以及以何種處治措施對(duì)偏壓隧道洞口圍巖穩(wěn)定性具有更好的效果。

2.1 無偏壓處治時(shí)洞口圍巖失穩(wěn)分析

本隧道上覆土層左側(cè)較薄，右側(cè)較厚，在上覆土自重荷載作用下，洞口圍巖塑性應(yīng)變、位移、初期支護(hù)內(nèi)力均是呈不對(duì)稱分布，表現(xiàn)出了明顯的偏壓現(xiàn)象。

2.1.1 塑性變形

在上臺(tái)階弧形土開挖后，左拱腰處、坡腳處圍巖出現(xiàn)塑性變形，隨著施工開挖、支護(hù)工序的推進(jìn)，塑性應(yīng)變區(qū)域逐漸擴(kuò)大，右拱腰、右拱腳相繼出現(xiàn)。這種現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)開裂、洞頂?shù)乇?、坡腳開裂均一一吻合（圖3）。

2.1.2 圍巖位移

在圍巖荷載作用下，隧道開挖后，拱部圍巖向隧道內(nèi)位移，呈擠壓狀態(tài)，拱頂沉降右側(cè)、左側(cè)分別為84.8 mm、54.2 mm，右側(cè)比左側(cè)大56%;拱底圍巖向上隆起。偏壓荷載對(duì)洞口圍巖產(chǎn)生了水平推力，在這樣的作用力下，隧道拱腳、拱底左側(cè)部分向右側(cè)位移;整個(gè)坡面均向臨空側(cè)位移，左拱腰坡面水平位移最大;拱部、右拱腰圍巖水平位移次之，向隧道內(nèi)位移;左拱腰水平位移最小，向圍巖內(nèi)部位移。這些均與現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)開裂、洞頂?shù)乇黹_裂現(xiàn)象一致。

2.1.3 初期支護(hù)內(nèi)力

在偏壓荷載作用下，隧道開挖后，初期支護(hù)軸力上臺(tái)階部分整體大于下臺(tái)階部分，左拱腰最大，右拱腰次之，拱底最小;初期支護(hù)剪力左拱腰、右拱腳最大，右拱腰次之;初期支護(hù)左拱腰承受最大正彎矩，右拱腰承受最大負(fù)彎矩。這與現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)開裂位置相符合。

2.2 偏壓擋墻對(duì)洞口圍巖穩(wěn)定性的影響

數(shù)值分析偏壓擋墻能否對(duì)本隧道洞口圍巖起到穩(wěn)定作用，其效果如何，以便為處治施工做出良好的指導(dǎo)作用。

工況1為無偏壓處治，工況2為偏壓擋墻處治。如下頁圖4所示，隨著隧道開挖、支護(hù)等工序的開展，在隧道拱頂下沉、地表水平位移、地表沉降方面，工況1、工況2對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)一致。其中，拱頂沉降、地表沉降先是隨著施工進(jìn)行而迅速增大，在上臺(tái)階噴射混凝土硬化后，在后續(xù)的施工中逐步緩慢地反彈，并隨著下臺(tái)階仰拱封閉后逐漸收斂;而地表向坡面臨空側(cè)水平位移先隨施工推進(jìn)而迅速增大，在上臺(tái)階噴射混凝土硬化后，增量逐漸減小，并隨著下臺(tái)階仰拱封閉后逐漸收斂。

但是，施作偏壓擋墻后，隧道開挖前，拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降均大于無偏壓擋墻的情況。在隧道開始開挖掘進(jìn)后，拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降總是比無偏壓擋墻的情況要小些，分別小7.8%、23.7%、6.3%。可見，在埋深淺的一側(cè)施作偏壓擋墻，對(duì)平衡隧道非對(duì)稱土壓力形成的水平推力具有較好的作用，對(duì)本隧道洞口偏壓處治是非常合理的。

2.3 護(hù)拱對(duì)洞口圍巖穩(wěn)定性的影響

為簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算模型中，在左側(cè)拱部將護(hù)拱沿著斜坡布置，從左至右，護(hù)拱逐漸增厚。如后頁圖5所示可知，在自重荷載作用下，隧道開始開挖后，工況3中的拱頂沉降、地表沉降、地表水平位移均分別比工況2的大。可見，沿著坡面設(shè)置護(hù)拱，在自重荷載作用下，增加了埋深厚的一側(cè)對(duì)埋深淺的一側(cè)偏壓作用效應(yīng)，增大了隧道拱頂沉降、坡面地表沉降以及坡面地表向臨空側(cè)的水平位移。因此，在隧道上方淺埋側(cè)沿著坡面設(shè)置護(hù)拱不能平衡非對(duì)稱土壓力形成的水平推力，只會(huì)增大它的作用，對(duì)偏壓處治是不合理的。在偏壓處治過程中應(yīng)注意護(hù)拱選取合理的截面形狀、布置坡率、厚度等，以確保能較好地減小對(duì)隧道的偏壓作用。

3 偏壓處治

通過對(duì)隧道偏壓施工過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，探明了洞口偏壓隧道失穩(wěn)運(yùn)行機(jī)制，分析了偏壓擋墻、護(hù)拱對(duì)偏壓隧道處治措施效果，為偏壓處治提供了施作思路和相應(yīng)的依據(jù)。根據(jù)以上數(shù)值計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出切實(shí)可行的處治措施，減小圍巖偏壓作用，確保隧道圍巖的穩(wěn)定，以保障洞口淺埋偏壓段隧道施工安全推進(jìn)。

左拱腰處坡面圍巖塑性變形較大，坡面大范圍向臨空側(cè)水平位移，現(xiàn)場(chǎng)觀察坡面出現(xiàn)開裂，初期支護(hù)大變形、開裂、侵線，但未出現(xiàn)整體滑坡。為此，本隧道現(xiàn)場(chǎng)處治基本思路[6]為：先停止掌子面開挖施工，進(jìn)行偏壓處治加固施工，等圍巖穩(wěn)定后再進(jìn)行施工，同時(shí)做好隧道洞內(nèi)外監(jiān)控量測(cè)。

3.1 封閉裂縫

對(duì)地表開裂處噴射混凝土進(jìn)行封閉，避免雨水進(jìn)入隧道內(nèi)，軟化圍巖，降低了圍巖承載能力。對(duì)初期支護(hù)裂縫進(jìn)行噴射混凝土封閉處理，提高結(jié)構(gòu)承載能力。同時(shí)加強(qiáng)地表沉降和洞內(nèi)初期支護(hù)觀測(cè)。

3.2 擋墻基礎(chǔ)加固

對(duì)YK20+875～YK20+885段左側(cè)邊坡附著物進(jìn)行清表處理，施作42 mm×4 mm小導(dǎo)管徑向注漿加固擋墻基礎(chǔ)處，小導(dǎo)管單根長(zhǎng)度為6 m，橫向×縱向間距為1 m×1 m。

3.3 施作偏壓擋墻

在YK20+885～YK20+891段，隧道左側(cè)增設(shè)長(zhǎng)6 m、高8.5 m、寬7 m的擋墻（底寬5.5 m、頂寬8.5 m），如圖6所示。防止洞口左側(cè)邊坡向明洞方向滑塌，同時(shí)取消原設(shè)計(jì)對(duì)該側(cè)漿砌片石的回填。擋土墻采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，深1.5 m，支護(hù)開挖，基礎(chǔ)底部換填0.5 m厚的碎石。采用22 mm鋼筋連接擋墻和明洞，采用C25混凝土澆筑墻身。

3.4 施作護(hù)拱

在YK20+875～YK20+885段淺埋側(cè)施作護(hù)拱，采用C20混凝土澆筑護(hù)拱，厚度為2 m，護(hù)拱基礎(chǔ)用混凝土擋墻作為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形，以小于自然坡率的角度施作護(hù)拱。

經(jīng)過歷時(shí)兩個(gè)月的偏壓處治，消除了偏壓現(xiàn)象，圍巖變形得到了有效控制，并趨于穩(wěn)定，避免了可能因隧道塌方冒頂而耽誤工期，有條不紊地安全推進(jìn)隧道施工，安全通過了淺埋偏壓地段，實(shí)現(xiàn)了順利進(jìn)洞，保證了后續(xù)施工工序的正常、安全進(jìn)行。

4 結(jié)語

通過對(duì)廣東某高速公路隧道洞口偏壓失穩(wěn)運(yùn)行機(jī)制、處治措施進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，并進(jìn)行偏壓處治，可以得出以下結(jié)論：

（1）隧道開挖后，淺埋一側(cè)拱腰、坡腳圍巖塑性變形嚴(yán)重，以及深埋一側(cè)拱腳、拱墻出現(xiàn)塑性變形;拱部圍巖向隧道內(nèi)位移，拱頂沉降深埋一側(cè)比淺埋一側(cè)大56%，拱底圍巖向上隆起;整個(gè)坡面均向臨空側(cè)水平位移，淺埋一側(cè)拱腰處坡面水平位移最大。這些數(shù)值分析結(jié)果較好地詮釋了現(xiàn)場(chǎng)坡腳、坡面、初期支護(hù)開裂現(xiàn)象。

（2）在埋深淺的一側(cè)施作偏壓擋墻，可以減小圍巖對(duì)淺埋一側(cè)的偏壓作用，降低隧道開挖施工中拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降，有助于圍巖穩(wěn)定，對(duì)隧道偏壓處治具有良好的效果。

（3）在淺埋一側(cè)施作護(hù)拱對(duì)隧道偏壓處治時(shí)，建議結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算分析，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定護(hù)拱合理的截面形狀、布置坡率、厚度等參數(shù)，以確保能較好地減小對(duì)隧道的偏壓作用，否則會(huì)增大隧道的偏壓作用效應(yīng)，加速圍巖變形，不利于隧道偏壓處治。

參考文獻(xiàn)

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[6]王 浩，楊 斌，汪 洋.偏壓淺埋隧道安全施工控制技術(shù)研究[J].西部交通科技，2019（11）：115-118.

收稿日期：2021-03-22

作者簡(jiǎn)介：楊 斌（1986—），工程師，主要從事橋梁與隧道工程檢測(cè)、咨詢及維修加固設(shè)計(jì)方面的工作。