偏压隧道的稳定性研究

代树林， 万怡祯， 张永春

(1.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026; 2.中建三局工程设计有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

在大部分隧道建设中，由于施工技术和工程地质等原因，致使左右围岩位移不一致，造成隧道偏压。而偏压隧道是隧道工程中一种常见的隧道，其偏压大多数出现在洞口处。隧道选址设计时，地形出现左右不对称的现象是不可避免的，不同的倾角使隧道围岩变形及衬砌和锚杆受力不同。因此，研究地表倾角不同造成偏压隧道对工程具有实际意义。

国内外对偏压隧道研究有许多方面，于清杨[1]根据铁路双线隧道设计规范，采用数值模拟的方法，以拱肩的应力比判别偏压隧道；聂建春等[2]研究在不同的偏压状况下选择合适的开挖方法，并优化台阶法；董建华等[3]提出一种洞口浅埋偏压隧道的新型防护结构并优化防护结构计算方法；李伟瀚等[4]研究了Mohr-Coulomb与Hoek-Brown强度准则在浅埋偏压隧道数值模拟中的不同处；冯成奎等[5]依托麻栗亚隧道建立施工风险评估体系，为浅埋偏压隧道施工提供意见；Chehade等[6]模拟分析3种不同形式的隧道，发现隧道施工受力的变化取决于施工方法和顺序的选择；潘晓明[7]用FLAC3D分析有无行车荷载作用下对隧道施工的影响，发现行车荷载对施工影响较小；S.L. Chen等[8]采用数值分析的方法分析雪山隧道，发现洞室间距大于2倍洞径时围岩受邻近隧道开挖影响小；王佳欣等[9]用ANSYS有限元软件分析偏压状态下非对称连拱隧道受力特征。刘远亮[10]利用Maidas GTS分析基坑开挖对邻近隧道的影响，通过监测数据和模拟数据对比，指导工程施工。此外，有许多学者[11-13]研究了偏压隧道围岩压力分布、衬砌结构内力变化及变形规律，提出了合理的荷载设计计算方法及隧道优化计算公式。

1 数值模拟

1.1 模型建立

隧道模型的建立依托鹤大高速公路中的朝阳隧道工程，对不同地表倾角进行数值模拟分析。朝阳隧道位于鹤大高速公路ZT16合同段，左线长3095 m，起讫桩号为LK319+510～LK322+605，右线长3070 m，起讫桩号为RK319+540～RK322+610；隧道断面净空最大宽度为12.76 m，隧道建筑界限宽度10.25 m，净高5.00 m。该工程位于辽东隆起地区的东部铁岭-靖宇隆起区南段，构造格架受燕山运动影响，北东、北北东向构造发育，控制了区域构造轮廓，穿越主要岩性为花岗片麻岩，洞口段围岩等级为Ⅴ级，洞身段为Ⅲ～Ⅴ级[14]。

利用AUTOCAD绘制隧道截面图，然后导入MAIDAS GTS NX进行有限元数值分析。岩体的初始应力为自重应力场。根据隧道衬砌断面，净宽为12.76 m，净高为5.00 m，依据圣维南原理，在弹性均匀和处于无限域的介质中开挖硐室，由于开挖扰动而应力重分布范围在3～5倍洞径，而在5倍范围外影响<1%，所以取隧道两侧及底部边界≥5倍洞半径，最终取得模型宽度为60 m，最大高度为80 m。结合隧址区工程地质概况，将围岩分为强风化角砾岩和强风化花岗片麻岩，其中强风化角砾岩层厚度为4 m。模型顶面为自由面，两侧为水平位移约束，底部为竖向位移和水平位移约束。强度准则选用莫尔-库伦弹塑性强度准则，初始应力场为围岩自重。

1.2 计算参数

在计算模型中假设岩石应力为大地重力场模型，在应力分析中不考虑地下水的影响，因初衬中存在管棚，因此需要对弹性模量进行折算，经查阅资料得折算公式如下[14]：

E=E0+SgEg/Sc

(1)

式中：E——折算后初衬的弹性模量，GPa；E0——初衬喷射混凝土的弹性模量，GPa；Eg——型钢拱架的弹性模量，GPa；Sg——型钢拱架的横截面积，m2；Sc——初衬喷射混凝土的横截面积，m2。

隧道在初衬前往围岩中植入注浆锚杆，长度3.5 m，环向间距1.0 m，纵向间距0.6 m。根据“钢管混凝土统一理论”[15]，D25中空注浆锚杆的容重计算公式为：

γ=γg-(R2/R1)2(γg+γs)

(2)

式中：γ——折算后注浆锚杆的容重，kN/m3；γg——钢管的容重，kN/m3；γs——砂浆的容重，kN/m3；R1——钢管的直径，m；R2——砂浆的直径，m。

通过现场勘查和后期室内试验及公式(1)、(2)，确定各级围岩及支护材料参数如表1所示。

表1 围岩和衬砌物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters ofsurrounding rock and tunnel lining

1.3 计算工况

朝阳隧道采用台阶法施工，因此数值模拟分析采用相同的工法进行模拟。隧道在开挖过程中会破坏围岩原始地应力，开挖后的临空面周围会产生位移，当围岩应力释放完成后，形成新的应力场，隧道开挖过程中的围岩应力按系数为0.4、0.3、0.3释放[16]，以此符合实际施工过程中围岩应力释放规律。为了研究地表倾角与隧道受力的关系，依次设计地表倾角0°、5°、10°、15°、20°、25°、35°、40°、45°，网格示意图见图1。

2 数值模拟结果分析

在对比9种不同地表倾角模拟分析后，发现在地表倾角45°时隧道开挖发生边坡失稳，各角度位移云图如图2所示。

图1 部分网格示意图Fig.1 Partial grid diagram

从图2中可以看出，总位移随倾角增大而增大，深埋侧变形范围越来越大。在地表倾角45°时，隧道开挖完成后位移无法合理有效的收敛，由图中显示可以看出隧道两侧形成位移贯通面，表示围岩整体发生了向右的移动，说明隧道开挖过程的扰动致使地表边坡失稳，所以当地表倾角>45°时，应当对地表边坡及围岩进行加固，控制变形。

2.1 位移分析

2.1.1 隧道拱顶沉降和仰拱隆起分析

从图3中可以看出拱顶位移值随着地表倾角的增大而增大，其中在0°～10°增长缓慢，在10°～30°增长加速，在30°后面出现大幅度增加，从0°～40°，位移值增加3 cm，而从变化规律来看从地表倾角>10°开始，有明显的隧道偏压情况出现。仰拱整体增长规律和拱顶相似，但是仰拱位移值变化不大，位移增大明显在地表倾角30°后，说明地表倾角在0°～30°时对仰拱隆起变形影响较小，在30°后偏压对仰拱隆起明显。因此，地表倾角>10°时应重视地形偏压造成的隧道偏压影响；当地表倾角>35°时，要注意监测拱顶和仰拱变形情况。

图2部分围岩总位移云图
Fig.2Partial total displacement nephogram of surrounding rock

2.1.2 隧道周边收敛分析

从图4中可以看出右侧拱肩随着地表倾角增大而增大，增长幅度很小，但是右侧拱腰不断减少，在35°时出现拐点开始增加；右侧拱肩和拱腰均随着地表倾角增大而增大，且拱肩增长速率大于拱腰处，最大值0.0252 m；可以得出在地表倾角增大过程中，隧道在自重应力大的一侧衬砌受到的影响大于另一侧；同时发现，当倾角>35°变形速率增大，隧道左侧变形增大，和拱顶变形规律相同。因此，在偏压隧道施工时要注意自重应力大的一侧的支护。

图3 不同地表倾角隧道拱底和仰拱位移量Fig.3 The arch floor and invert roof displacement of thetunnel at different surface dip angles

图4 不同地表倾角隧道周边收敛量Fig.4 Tunnel peripheral convergence displacementat different surface dip angles

2.2 内力分析

2.2.1 锚杆轴力分析

从图5中可以看出，随着地表倾角的增大，锚杆的最大轴力不断增大，在地表平坦时，最大轴力在拱腰处，轴力为173 kN左右；在地表倾角40°时，最大轴力是261.041 kN，并且可以看出受偏压影响，左侧锚杆的轴力增大趋势大于右侧，到40°时发现右侧锚杆轴力变化最大，最大轴力在右侧，因为此时地表倾角过大，造成右侧地表有边坡失稳趋势，使得锚杆轴力增大，维持边坡稳定，此时进一步证实当地表倾角过大隧道开挖容易造成地表产生滑坡现象。

2.2.2 塑性区分析

对比图6中隧道塑性区图，其中蓝色表示未进入屈服状态，而其他颜色表示剪应力屈服程度，红色表示处于屈服状态。从图中可以清楚看到隧道塑性区演化过程，随着地表倾角的增大，左侧塑性区不断扩大，而在30°到40°有一个明显的变化，右侧塑性区已经扩散到地表，说明40°时地表可能发生边坡失稳的情况。因此，隧道施工时需监测隧道左侧拱脚的变形情况，重视左侧支护；当地表倾角>30°时，隧道开挖时要关注地表沉降情况，预防边坡失稳，可进行注浆加固等措施加固地表。

图5不同地表倾角隧道锚杆轴力
Fig.5Tunnel bolt axial forces at different surface dip angles

图6 不同地表倾隧道塑性区分布Fig.6 Tunnel plastic zone distribution at different surface dip angles

3 结论

依托朝阳隧道工程，模拟分析在不同地表倾角状况下，隧道周围变形过程及隧道锚杆和塑性区发展特征，总结了隧道变形和受力随地表倾角的关系，得出以下结论：

(1)隧道围岩变形随着地表倾角增大而增大，隧道左侧围岩整体变形大于右侧；在地表倾角<30°时，偏压情况造成拱顶仰拱变形增加速率缓慢；当在地表倾角>30°后，隧道右侧拱腰变形减少，左侧变形出现明显增大；在45°时，因地表倾角过大，导致边坡失稳，地表变形整体下滑。因此，当地表倾角>30°时，隧道受地形偏压明显，深埋侧围岩变形大，所以开挖过程中要重视左侧围岩、拱底和仰拱变形情况。

(2)由于左侧为隧道的深埋侧，自重应力大的一侧，隧道锚杆轴力左侧大于右侧，锚杆最大值在拱腰处，且轴力的大小随着地表倾角增大而增大；在塑性区可以发现塑性区是以隧道拱脚开展，左侧拱脚塑性区范围随地表倾角增大而增大，右侧拱脚塑性区先减少后增加；在地表倾角40°时，地表出现塑性区，所以当地表倾角>30°时，隧道开挖时，除了要关注拱脚变形变化，还应关注地表沉降情况，预防边坡失稳，可进行注浆加固等措施加固地表。

(3)当遇到地形不同造成隧道偏压，可以采用数值模拟方式判定隧道偏压情况及地表变形范围，指导施工。