破碎岩质斜坡下浅埋连拱隧道施工力学效应研究

邱明明，杨果林，张沛然，段君义

(1.延安大学建筑工程学院，陕西延安716000；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

随着我国交通基础设施建设的大规模发展，地形地质条件复杂的长大公路隧道不断涌现，其中地形偏压隧道是洞口浅埋段常常出现的情况。由于洞口非对称地形分布和浅埋破碎围岩赋存条件，连拱隧道开挖卸荷过程中极易诱发围岩大变形、中墙压裂、斜坡失稳或支护结构侵限等病害[1-3]。因此，地形偏压作用下破碎围岩连拱隧道施工力学研究仍有必要深入研究。

针对浅埋偏压隧道施工力学问题，诸多学者已开展了一定的研究工作，也取得了较多有益的研究成果。李明等[4]分析了台阶法和预留核心土法施工对破碎围岩偏压隧道应力与变形的影响规律。雷明锋等[5]借助缩尺物理模型试验对浅埋偏压隧道围岩与支护结构应力变化规律进行了研究，并给出了衬砌结构和围岩的破坏机制。徐前卫等[6]建立了三维浅埋偏压隧道数值计算模型，并结合实测数据对比分析了隧道施工对围岩和支护结构力学特性的影响。王亚琼等[7]通过数值模拟和现场监测方法，研究了浅埋偏压连拱隧道非对称支护结构的受力特性。潘龙等[8]借助现场测试手段对浅埋偏压连拱隧道受力和变形机制进行了对比分析。王海强等[9]采用数值模拟方法对不同开挖顺序条件下偏压连拱隧道围岩及中隔墙应力和变形规律进行了研究。赵金鹏等[10]对不同施工方案条件下软弱围岩浅埋偏压连拱隧道初期支护结构受力和变形特征进行了研究。来弘鹏[11]、郑明新等[12]采用数值模拟和现场试验方法，对注浆加固浅埋偏压隧道破碎围岩处治效果进行了研究。

上述研究成果表明，地形偏压导致隧道遭受非对称荷载，是引起围岩和支护结构产生大变形和破坏的不利因素。鉴于此，本文以某高速公路隧道工程为研究对象，建立连拱隧道破碎围岩-结构有限元计算模型，研究破碎岩质斜坡下浅埋连拱隧道施工力学响应特征，并分析加固处治措施和开挖顺序对隧道围岩、中隔墙和初期支护结构应力及位移的影响规律，以期为同类地形地质隧道工程设计与施工提供科学参考。

1 工程背景及数值计算模型

1.1 依托工程概况

某Ⅰ级公路隧道工程，设计行车速度为60 km/h，总长230.20 m，隧道内轮廓(宽高)为10.50 m×8.50 m，采用双连拱隧道方案，断面形式为三心圆。隧道上覆岩土体厚度约为1.5～63.0 m，该隧道区属低山丘陵地貌，地形起伏较大。隧道进、出口均处于山前斜坡地带，山体自然坡度45°～55°，地表主要为残、坡积成因的粉质黏土及少量碎石土，不均匀分布于隧道山体，坡体稳定性较差。隧道穿越地层类型主要包括，①粉质黏土(Q4el)：灰黄色，硬塑，稍湿，含约20%的强风化岩碎石、块石，为基岩风化残积形成，该层分布于隧址区斜坡地段，层厚约2.5～4.8 m。②风化粉砂岩(S1lr)：灰黄色、灰绿色，中～薄层状泥质粉砂岩夹砂质泥岩，节理裂隙较发育，岩芯呈破碎块状，岩质较软、岩体破碎，厚度约2.8～11.1 m。③风化页岩(S2lr)：灰黄色、灰色，节理、裂隙发育，岩质极软、岩体破碎，岩芯多呈片块状，遇水易软化，该层较广泛分布于隧址区，钻孔揭露层厚为2.1～8.2 m。④页岩破碎带：灰色泥质夹碎裂状页岩岩块、页岩角砾，水钻岩芯少，岩芯多呈砂状，个别破碎状；干钻呈土状，夹岩石碎屑、角砾，厚度约3.8 m。

隧道支护系统采用柔性支护体系的复合式衬砌结构，初期支护由系统锚杆(Φ25 mm，@800 mm×500 mm(环向纵向)，长度4.0 m)、钢筋网(Φ8 mm，@200 mm×200 mm)、型钢拱架(I20 a，@500 mm)、喷射混凝土(C25，厚度260 mm)等组成，二次衬砌为模筑钢筋砼结构(C 35/P8，厚度600 mm，带仰拱)，初期支护与二衬之间采用1.5 mm厚EVA复合防水板与无纺土工布作为防水结构层，衬砌断面型式为曲墙带仰拱衬砌。其中，曲中墙为变截面钢筋砼结构，墙厚1.05～3.00 m，高6.21 m；隧道洞口段采用超前大管棚(Φ108×6 mm钢花管，@ 400mm，长度40 m，插入角3.0°)和超前小导管(Φ42×4 mm钢管，@400 mm，长度5.0 m，插入角20.0°)共同组成超前支护系统，如图1所示。

图1 双连拱隧道复合式衬砌支护结构系统

1.2 隧道计算模型

根据拟建隧道场地详勘报告及设计资料，隧道跨度25.37 m，高度10.42 m，覆土厚度1.5～63.0 m。考虑土体的无限性及隧道开挖扰动影响范围，取平行隧道横向为X轴、竖向为Z轴，坐标原点为隧道中心点，建立连拱隧道破碎围岩-曲中墙-支护结构系统数值计算模型，模型上表面为地表，下边界取距原点20.0 m，左、右边界取距原点50.0 m，所建立的模型尺寸高(Z)×宽(X)为60 m×100 m，如图2所示。该模型上表面为自由边界，侧面限制水平位移，底面限制水平和竖直位移。在数值模拟计算中，岩土体、注浆加固体和二次衬砌采用实体单元模拟，岩土体材料采用各向同性弹塑性Mohr-Coulomb本构模型；初期支护结构采用结构单元模拟，初期支护、二次衬砌采用线弹性本构模型，各材料主要物理力学性质参数详见表1。隧道施工采用三导洞法，依次进行中导洞、中墙、右洞开挖与支护、左洞开挖与支护施工。

图2 数值计算模型

表1 材料主要物理力学性质参数

2 计算结果对比与分析

为考虑开挖顺序与加固措施对偏压连拱隧道施工力学的影响，分别设置3种工况进行计算分析，依次为工况A：先右洞后左洞开挖，不做加固处理，见图3(a)；工况B：先右洞后左洞开挖，斜坡与隧底围岩注浆加固，见图3(b)；工况C：先右洞后左洞开挖，斜坡与隧底围岩注浆加固，见图3(c)。

图3 偏压连拱隧道施工方案

2.1 围岩位移场分布规律

图4为不同工况下隧道围岩水平位移分布规律。图5为不同工况下隧道围岩竖向位移分布规律。由图可得，围岩水平和竖向位移均呈非对称分布，深埋侧围岩变形大于浅埋侧；斜坡左上方为水平位移敏感区，工况A、B、C条件下边坡坡面最大水平位移依次为9.40、2.20、2.54 mm，工况B、C约为工况A的23.4%、27.0%；深埋侧隧道拱脚水平位移较大，其大小依次-8.27、-2.64、-2.89 mm，工况B、C约为工况A的31.9%、35.0%，且工况B和工况C条件下浅埋侧隧道右拱脚水平位移相对工况A不显著；拱顶表现为沉降，隧道底部表现为隆起，采取加固措施后围岩变形减小明显。由此说明，合理的加固措施和开挖顺序能有效降低隧道施工变形，以保证偏压连拱隧道施工期间围岩稳定。

2.2 中墙应力场分布规律

图6为不同工况下隧道中墙水平应力分布规律。图7为不同工况下隧道中墙竖向应力分布规律。由图可得，工况A、B、C条件下中墙墙脚水平应力均出现应力集中现象，其最大值依次为-5.46、-4.10、-4.22 MPa(受拉为正，受压为负)；工况A、B、C条件下中墙墙身竖向应力呈非对称分布，其最大值依次为-4.29、-3.60、-4.40 MPa；工况A中墙墙身左侧(埋深较大侧)受压明显，而工况B中墙墙身应力分布相对均匀，且工况B中墙墙身最大水平应力和竖向应力较工况A分别减小了24.91%、16.08%，说明加固地形偏压围岩对降低中墙应力水平具有积极作用；工况C与工况B相比，中墙墙身最大水平应力和竖向应力分别增加了2.93%、22.22%，工况C中墙墙身左侧偏压作用加剧，说明连拱隧道开挖顺序对中墙应力分布影响显著，且宜优先进行地形偏压浅埋侧隧道施工。

图4 不同工况下隧道围岩水平位移分布规律(单位：mm)

图5 不同工况下隧道围岩竖向位移分布规律(单位：mm)

图6 不同工况下隧道中墙水平应力分布规律(单位：MPa)

图7 不同工况下隧道中墙竖向应力分布规律(单位：MPa)

2.3 初期支护位移分布规律

图8为不同工况下隧道初期支护结构位移分布规律。由图可得，初期支护结构位移呈非对称曲线分布，拱脚位置水平位移较大，左右两侧位移方向相反；工况A、B、C条件下拱顶沉降变形依次为-14.64、-3.40、-3.73 mm，隧底隆起变形依次为19.23、6.72、6.85 mm，见表2；工况B与工况A相比，拱顶沉降减小了76.78%，隧底隆起减小了65.05%；工况C与工况B相比，拱顶沉降增加了9.71%，隧底隆起增加了1.93%。由此说明，从控制隧道初期支护结构位移角度，对洞口段地形偏压破碎围岩采取加固处治措施是有必要的，且采取加固措施后开挖顺序对初期支护变形仍有一定影响。因此，在工程施工过程中，应重视地形偏压和开挖顺序对隧道受力和变形的影响，以避免隧道施工诱发围岩和结构发生大变形、压裂或侵限等灾害。

图8 不同工况下隧道初期支护结构位移分布规律

表2 不同工况下隧道初期支护结构位移对比

3 结论

(1)偏压连拱隧道围岩水平和竖向位移均呈非对称分布，深埋侧围岩变形大于浅埋侧；斜坡左上方为水平位移敏感区，拱顶表现为沉降变形，隧底表现为隆起变形；从控制围岩位移角度，斜坡与隧底破碎围岩注浆加固处治效果显著。

(2)中墙墙脚处出现水平应力集中现象，墙身竖向应力呈非对称分布，深埋侧偏压作用显著；工况B中墙墙身最大水平应力和竖向应力较工况A分别减小了24.91%、16.08%，工况C中墙墙身最大水平应力和竖向应力较工况B分别增加了2.93%、22.22%；加固地形偏压破碎围岩对降低中墙应力水平具有积极作用，且宜优先进行地形偏压浅埋侧隧道施工。

(3)初期支护结构位移呈非对称曲线分布，拱脚位置处水平位移量较大，左右两侧位移方向相反；工况B拱顶沉降和隧底隆起变形较工况A分别减小了76.78%、65.05%，工况C拱顶沉降和隧底隆起变形较工况B分别增加了9.71、1.93%；建议在工程施工过程中，应重视地形偏压对连拱隧道受力和变形的影响，并采取合理的加固处治措施和施工方案，以避免隧道开挖诱发围岩和结构发生大变形、压裂或侵限等灾害。