不良地质条件下公路隧道施工力学特性研究

王修斌

（山西省交通建设工程监理总公司，山西 太原 030012）

0 引言

随着国民经济的快速发展及“一带一路”发展战略的不断实施，我国高速公路建设规模越来越大。在此形势下，高速公路隧道所遇到的地质条件也越来越复杂，如岩溶、断层破碎带、膨胀岩、高地应力、软弱围岩、浅埋偏压、富水等不良地质情况越来越多，导致隧道在施工过程中极易产生突泥、涌水、掉块、塌方、冒顶、基底隆起等施工灾害，给施工人员及机械安全带来了极大的威胁。为此，研究不良地质条件下隧道施工过程中的力学特性对于提高隧道施工效率、保证施工安全具有非常重要的意义。

目前，国内外学者们针对不良地质条件下隧道施工力学特性、处治技术开展了大量深入而详细的研究工作，也取得了一系列的研究成果。李树忱[1]等人研究了膨胀性黄土隧道的力学机制，提出了相应的支护结构型式；吴广明[2]结合高地应力软岩隧道——兰渝铁路两水隧道的工程实例，分析其力学机理，提出支护参数的优化方案；陈建勋[3]依托刘家坪2号隧道的工程实例，通过施工监测，全面了解黄土隧道浅埋偏压洞口段的套拱受力特性；孟德鑫[4]利用现场监测和数值模拟手段，分析了大断面黄土隧道地层变形规律、初期支护力学机理，并对比分析了各类围岩变形控制技术。本文依托某浅埋偏压隧道的工程实例，利用现场监测和数值模拟手段，分析其施工力学特性，从而为类似工程施工、设计提供数据支持。

1 工程概况

某高速公路隧道是宝天高速的控制性工程，为双向四车道分离式隧道，左洞长3525 m，右洞长3470 m，属特长公路隧道。隧址区位于秦岭北麓，山势险峻，属典型的高山峡谷地带，具有较强的切割、剥蚀地质作用。根据地质勘察资料显示，隧址区洞身段地层主要为第四系全新统角砾岩、片麻岩、强风化花岗岩，其节理裂隙极为发育，围岩条件极差，属Ⅴ级围岩；且隧道洞身段穿越3条地质断层带，该断层带围岩破碎，风化程度高，富水性强；隧址区地表岩层主要为坡崩积块石土（Q4dl+el），坡残积红黏土（Q4dl+el）、粉质黏土、碎石土等。受地形条件的影响，该隧道洞口段属典型的浅埋偏压地形，其最小埋深仅为3.5 m，其具体情况如图1所示。当施工至断层破碎带时，由于其围岩富水性较强，隧道初期支护存在渗漏水现象，且伴随裂缝出现，具体情况如图2所示。

图2 隧道洞内施工情况

2 现场监测

2.1 监测方法

结合本项目的实际特点，通过布设土压力计分别监测围岩与初支、初支与二衬之间的接触压力，并布设振弦式钢筋应力计来监测钢拱架应力情况，从而全面分析整个支护结构的力学特性。在传感器布设方面，首先在隧道洞口浅埋偏压段的初期支护与围岩之间布设9个压力计，其布设位置以隧道轴线呈对称状态；其次在初期支护与二衬之间布设9个压力计，位置与初期支护和围岩之间的压力计相对应；最后在二衬钢筋上布设7个钢筋应变计，其具体位置如图3所示。

图3 传感器布设位置图

在土压力计布设过程中，应严格保证土压力计的受压面朝向被测界面，承受土压力计的界面应整平，且安装就位后土压力计初始值应大于布设前土压力计自由状态下的读数，具体情况如图4所示。钢筋应力计布设时应将其焊接在主筋上，且焊接面积不应小于主筋的有效面积；同时，在焊接时为避免钢筋应力计受温度的影响，应采取敷设湿毛巾或流水冷却等措施进行保护，其现场布设情况如图5所示。

图4 土压力计现场布设情况

图5 钢筋应力计现场布设情况

2.2 监测结果及分析

利用上述现场监测手段，对围岩-初期支护间接触压力、初期支护-二衬间接触压力、钢拱架应力进行监测，结合本项目的实际情况，选取浅埋偏压洞口段为典型隧道监测断面，所测得的结果如图6～图8所示。

图6 围岩与初支间压力监测结果（单位：kPa）

从图6中可以看出，围岩与初支间接触压力分布极不均衡，右侧压力明显大于左侧压力，其最大值为260 kPa，发生在测点3处，为最小值86.3 kPa的3倍。可见，在偏压地形条件下，围岩与初支间接触压力极易形成应力集中，尤其在埋深较大一侧对应的拱肩部位，不利于整体稳定性。

图7 初支与二衬间压力监测结果（单位：kPa）

从图7中可以看出，在二衬施作完成后，二衬开始承受部分压力，其值范围为17.2～45.4 kPa，其右侧压力仍普遍大于左侧压力，最大值45.4 kPa发生在测点5处。可见，软弱围岩隧道二衬在施作完成后迅速承担部分荷载，且受偏压地形条件的影响，其二衬与初支间接触压力分布不均衡。

图8 钢拱架应力监测结果（单位：kPa）

从图8中可以看出，钢拱架外侧压力分布不均衡，右侧压力明显大于左侧压力，其最大值13.3 kPa发生在右侧拱腰处；而钢拱架内侧压力值最大值15.3 kPa分布在左侧拱肩处，且左侧压力值明显大于右侧。此原因在于，在偏压软弱围岩的影响下，钢拱架整体向左侧倾斜，导致钢拱架内外压力值分布情况正好相反。

3 数值模拟

3.1 计算模型及参数

为进一步分析验证不良地质条件下公路隧道施工力学特性，本文采用大型有限元分析软件MADIS-GTS，建立数值模型进行分析。假定隧道围岩材料为均质弹塑性体，其材料力学特性遵循Drucker-Prager屈服准则，其数值模型如图9所示，所得隧道衬砌弯矩、轴力的模拟结果如图10、图11所示。

图9 隧道有限元模型

图10 隧道衬砌弯矩图（单位：kN·m）

图11 隧道衬砌轴力图（单位：kN）

从图10中可以看出，隧道衬砌的弯矩拱顶左右45°范围内为正弯矩，从拱肩到拱腰上侧为负弯矩，拱脚处所受的弯矩最大，可见拱脚为衬砌受力最不利位置。受不良地质条件的影响，其右侧拱脚弯矩值较大，且分布范围较大，最大值达到了87.05 kN·m，相邻仰拱处弯矩最大值为-66.24 kN·m，该处极易产生衬砌纵向裂缝；而左侧弯矩值分布范围较小，且相邻仰拱处弯矩最大值较小，发生裂缝的风险相对较小。从图11中可以看出，隧道衬砌轴力受不良地质条件的影响，其在拱顶和仰拱处均产生了应力集中，其最大值达到了573.8 kN，极易产生拱顶下沉及基底隆起病害；因此在不良地质段隧道施工过程中，应加强衬砌拱顶背后注浆质量，并加强仰拱强度。

4 结论

本文依托某浅埋偏压隧道的工程实例，利用现场监测和数值模拟手段，分析其施工力学特性，得出以下几点结论：

a）在偏压地形条件下，围岩与初支间接触压力极易形成应力集中，其应力最大值发生在埋深较大一侧对应的拱肩部位，不利于整体稳定性。

b）软弱围岩隧道二衬在施作完成后迅速承担部分荷载，且受偏压地形条件的影响，其二衬与初支间接触压力分布不均衡。

c）在偏压软弱围岩的影响下，钢拱架整体向左侧倾斜，导致钢拱架内外压力值分布情况正好相反。

d）受不良地质条件的影响，其右侧拱脚弯矩值较大，且分布范围较大；隧道衬砌轴力在拱顶和仰拱处均产生了应力集中。