浅埋偏压山岭隧道进口段监测分析与数值模拟

李乾坤 吴 勇

(1.徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏 徐州 221000； 2.云南省建筑科学研究院，云南 昆明 650223)

0 引言

为贯彻“一带一路”国家战略，建设中南亚国际经济合作走廊，我国西南地区高速公路、城际快速路建设遇到了新的机遇。但西南地区山地多，这就不可避免的修建大量隧道。同时由于地形地质、环境保护等限制，不得不选在埋深较浅、地形起伏大的地点进洞，导致浅埋偏压隧道的出现。由于隧道进口段埋深浅，且有偏压的情况，使得此种隧道的变形规律不同于常见的浅埋隧道，深入研究浅埋偏压隧道的变形规律十分必要。

目前，在这方面国内学者已做了大量的研究和探讨。高文学等人[1]采用有限元软件建立浅埋偏压隧道分析模型，将隧道开挖应力、位移、塑性区模拟结果与实测监控量测结果对比分析，系统性的研究了浅埋偏压隧道变形规律。李宗长等人[2]通过对湖北宜昌夹活岩公路隧道浅埋偏压段出洞施工项目总结分析，指出准确掌握地形、加强监控量测、合理出洞方案是浅埋偏压隧道出洞施工的关键。周嘉宾等人[3]通过数值模拟结果和实测结果对比分析，结果表明：洞口偏压段初期支护呈现明显不对称弯曲变形，最大拉应力出现在偏压隧道深埋侧拱腰，最大压应力出现在浅埋侧拱腰和深埋侧拱脚。祝文化等人[4]采用数值模拟软件建立浅埋偏压单拱隧道开挖计算模型，结合数值模拟结果和现场实测结果，深入研究了浅埋偏压隧道围岩支护的变形规律。

综上所述，国内学者对浅埋偏压隧道方面研究已经做出了诸多贡献，但对浅埋偏压隧道监控量测数据方面的分析较少，本文以某浅埋偏压隧道为依托，对现场监控量测回归分析，同时建立数值分析模型对开挖过程进行模拟分析，对比现场实测和数值模拟结果，深入研究了浅埋偏压隧道围岩和支护变形规律，为以后类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程概况

某公路隧道位于云贵高原中部，属于构造侵蚀、溶蚀中山地貌，地形波状起伏，山谷相间，谷底较平坦；隧道区属构造侵蚀、剥蚀中高山峡谷地貌区，地形陡峭，地质作用以侵蚀、风化为主。

隧道进口段埋深较浅，入口处覆盖层厚度在1 m～5 m左右，岩性主要为含砾粉质粘土、碎土块、结构松散。隧道进口段穿越一孤峰，隧道轴线与山体斜坡走向相交，隧道右侧埋深较大，呈明显偏压状。

1.2 设计参数

隧道为分幅分离式双向四车道，建筑线界净宽10.25 m，净高5.0 m。左线隧道全长1 702 m，右线隧道全长1 703 m，属长隧道。

隧道结构采用复合衬砌，Ⅴ级围岩浅埋超前支护参数为：隧道洞口采用φ108 mm管棚，间距40 cm×40 cm，长度30 m，搭接长度5 m；隧道洞内采用φ50 mm的小导管，间距40 cm×40 cm，长度30 m，搭接长度5 m；围岩浅埋加强初期支护为：C25喷射混凝土厚25 cm；纵向间距60 cm的Ⅰ18钢拱架；φ8 mm双层钢筋网，间距20 cm×20 cm。

1.3 施工方法

隧道进口段围岩条件差、埋深浅、断面大，采用环形开挖留核心土法进行开挖。环形开挖留核心土法通过预留核心土，分部开挖减小开挖跨度，有效控制隧道变形保证围岩的稳定。

2 监测方案与数据分析

2.1 监测方案

依照规范要求，对该隧道进行监控量测。本文着重对隧道周边收敛和拱顶下沉结果进行分析，同时参照其他监测项目结果。

拱顶下沉采用精密水准仪器测量，周边收敛采用钢尺收敛仪测量。量测频率按照相关规范要求进行如表1所示。

表1 监控量测频率

2.2 监测量测数据分析

一般采用回归分析的方法对监控量测数据进行处理，回归函数一般采用对数函数、指数函数和双曲线方程进行[5]，并将拟合度较高的方程作为围岩随时间变化规律的回归方程。

选取该隧道进口段典型监测断面YK60+574监测数据进行回归分析，结果如表2所示。

由表2两个断面共6个测点(线)的回归拟合结果可知，从决定系数R2可知，采用指数函数回归分析获得的决定系数R2均较大，说明YK60+574监测断面拱顶下沉和收敛曲线符合指数函数回归方程。从回归方程极值来看，指数函数回归方程极值与实际监测终值相差均较少，差值最小为6.246 mm，最大值为9.875 mm；因此指数函数回归方程较能符合监测断面拱顶下沉和收敛曲线。

表2 YK60+574断面数据回归分析结果

由于隧道存在浅埋偏压现象，公路隧道相关规范要求对于Ⅴ级围岩隧道预留变形量为80 mm～100 mm，由表2可知隧道最终变形量均超过预留变形量的1/3，变形较大。同时观察表2监控量测数据可知，隧道收敛测线中右测线均收敛值比中左测线收敛值大，YK60+574监测断面中右测线收敛值均比中左测线收敛值大7.93 mm；隧道拱顶沉降右测点沉降值均比左测点沉降值大，YK60+574监测断面右测点沉降值较左测点大13.40 mm。说明隧道由于偏压的存在，呈现“左右不均匀变形”的规律。

3 数值模拟

以YK60+574断面实际情况，采用数值模拟软件建立分析模型，模型水平方向边界取距隧道中心50 m，隧道底部向下取40 m，上部边界按照实际情况选取。本构方程选用摩尔—库仑，隧道围岩支护参数选取如表3所示。

表3 围岩支护参数选取表

3.1 浅埋偏压隧道围岩位移场分析

数值模拟结果表明：在隧道开挖完成后，围岩的竖向位移最大值出现在拱顶右测(埋深较大一侧)如图1所示，右测水平位移明显比左侧水平位移要大如图2所示。

3.2 浅埋偏压隧道围岩应力场分析

数值模拟结果表明：隧道开挖过程中最小主应力均为压应力，且最小主应力的最大值均发生在隧道开挖面的拱顶和拱底，并在拱顶右侧和拱底左侧出现应力集中现象。隧道开挖过程中存在剪切应力，并在拱顶右侧和拱底左侧出现应力集中现象，如图3～5所示。

4 结语

本文以某浅埋偏压隧道实际工程为依托，通过对监控量测数据回归分析，结合数值模拟结果，系统的研究了浅埋偏压隧道的变形规律，研究结果表明：

1)分别采用对数函数、指数函数和双曲线函数对YK60+574典型监测断面6个测点(线)的数据进行回归分析，结果表明指数函数回归曲线较能反映拱顶下沉和收敛的变化趋势。

2)监控量测数据同时还表明：隧道右侧变形较左侧变形大，YK60+574监测断面右侧点沉降值较左侧点大13.40 mm。说明隧道由于偏压的存在，呈现“左右不均匀变形”的规律。

3)数值模拟结果表明：拱顶右侧(埋深较大一侧)沉降明显较大，右侧变强部位收敛较大，与监测数据一致，且拱顶右侧明显出现应力集中现象。