浅埋偏压双线公路隧道变形特性和施工优化研究

刘之江

上海公路桥梁（集团）有限公司 上海 200433

山岭隧道往往会穿越斜坡地段，这时就不可避免地形成偏压隧道。同时，洞口段由于岩体风化程度较高，并且埋深往往较浅，在施工中容易发生变形过大甚至变形超限的现象。因此，大断面浅埋偏压隧道的施工风险较大，控制围岩变形、防止塌方是这类隧道的共同难题。

国内外专家及学者对浅埋偏压隧道开展了一些研究。谢小鱼[1]对浅埋偏压隧道围岩松动圈的影响因素进行分析，认为含水量、隧道埋深和斜坡坡度对围岩中的松动圈存在较大影响。雷军[2]分析了大断面双线浅埋偏压隧道变形较大的原因，并提出设置临时仰拱或横撑、双层拱架支护等方法可以对洞内变形进行有效控制。张秀田[3]对不同浅埋偏压双连拱隧道的施工方案以及施工工序进行了研究，并提出偏压段隧道施工过程中的支护方法和岩体加固措施。罗德等[4]以成贵铁路廖家坡隧道为例，对该工程出洞段的施工技术进行介绍，为类似工程提供了经验。王薇等[5]对采用核心土法和台阶法的偏压双线隧道施工顺序对地表边坡沉降和中岩柱的应力变化进行了研究，得出先施工浅埋隧道有利于控制地表沉降，保证中岩柱稳定的结论。蔡骁[6]对不同施工工法所引起的浅埋偏压小净距隧道的围岩应力与变形、中岩柱应力与变形规律进行了对比和分析。褚衍玉等[7]研究了浅埋偏压隧道两洞室不同掌子面距离对围岩应力分布的影响，认为间距大于40 m更有利于围岩稳定。滕俊洋等[8]采用理论分析的方法，推导出了不同斜坡坡度下浅埋偏压隧道围岩压力的分布公式，得出隧道拱腰处容易发生剪切破坏的结论。

综上所述，针对浅埋偏压大断面隧道洞口段施工中的围岩变形特性以及对双线隧道中深埋侧与浅埋侧隧道施工顺序的优化研究还较少。但此类工程存在的安全隐患较大，可供借鉴的经验较少。因此，本文基于大风垭口隧道洞口段浅埋偏压双线隧道，对采用双侧壁导坑法＋中隔壁法施工后的围岩变形特性进行研究，并对不同施工顺序进行对比分析，提出优化后的施工顺序。

1 工程概况

大风垭口隧道是设计速度为80 km/h的上、下行分离的六车道高速公路隧道。隧道左洞里程ZK101＋445～ZK104＋375，长2 950 m；右洞里程YK101＋450～YK104＋395，长2 945 m。大风垭口隧道位于云贵高原，在低山单面穿越，穿越低山部分的隧道上方为含碎石粉质黏土覆盖层。

大风垭口隧道进口段为浅埋偏压双线小净距隧道，左线隧道（下称深埋侧隧道）对应里程标号ZK101＋445～ZK101＋460，右线隧道（下称浅埋侧隧道）对应里程标号 YK101＋450～YK101＋465。根据地勘报告，该段地质条件为一般-较差，进洞口附近覆盖层厚度为7.0～12.5 m，洞口外侧全风化岩层厚度大，围岩为Ⅴ级。双线隧道存在部分偏压，其深埋侧隧道上方地面坡度为20°，浅埋侧隧道地层近似水平。根据大风垭口隧道设计图，隧道洞室宽17.44 m，隧道高10.55 m，典型断面的隧道横截面情况如图1所示。

图1 大风垭口隧道双线隧道截面

2 浅埋偏压双线隧道施工优化

2.1 计算模型建立

根据大风垭口隧道设计图和相关勘探资料，隧道洞口处Ⅴ级围岩对应的浅埋偏压隧道段长约24 m。左洞隧道地表为一斜坡，坡度约为20°。为分析隧道施工过程中的围岩变形特性并以此对施工过程进行优化，利用FLAC3D有限差分软件建立大风垭口隧道洞口段的计算分析模型。其中，深埋侧隧道拱顶对应埋深14.3 m，浅埋侧隧道拱顶对应埋深9.8 m，两侧隧道洞室净距为10.0 m，纵向长度取24.0 m，不考虑纵向的地形坡度变化。为减少边界效应的影响，模型左边界距离深埋侧隧道30 m，右边界距离浅埋侧隧道30 m，模型底部距隧道底部40 m。数值计算模型严格按照大风垭口隧道地质勘探报告和相关设计图纸建立，模型如图2所示。

图2 数值计算模型

隧道支护采用超前支护＋初期支护＋二次衬砌的支护体系。初支采用厚28 cm的C20喷射混凝土、双层E6钢筋焊接网（15cm ×15cm）和纵向间距50 cm的22b#工字型钢拱架。二衬采用厚60 cm的后模筑钢筋混凝土。锚杆体系采用长4.5 m的φ25 mm先锚后灌式注浆锚杆，锚杆呈梅花形布置，纵向间距50 cm，横向间距100 cm；中岩柱处采用长6.0 m的φ42 mm注浆锚杆，纵向与横向间距不变。

2.2 模型参数确定

本计算模型岩体采用Mohr-Coulomb本构模型，初期支护采用shell单元模拟，二衬采用变参数的shell单元模拟，开挖部分采用null单元模拟，超前支护采用实体单元模拟，锚杆采用cable单元模拟。钢拱架、钢筋网和超前管棚采用式（1）的等效刚度进行换算考虑。

式中：E——折算后的支护弹性模量；

E0——支护初始弹性模量；

Eg——加强材料的弹性模量；

A0——支护的截面面积；

Ag——加强材料的截面面积。

岩体和支护的力学参数根据JTG D70—2014《公路隧道设计规范》和大风垭口隧道勘察报告进行取值，各单元参数如表1所示。

表1 计算模型中相关力学参数

2.3 双线隧道施工优化研究

大风垭口隧道洞口段双线隧道具有围岩软弱破碎、埋深浅、偏压等特点，根据设计要求，深埋侧隧道拟采用双侧壁导坑法，浅埋侧隧道拟采用中隔壁法进行双线隧道的施工。但由于工程环境的特殊性，对深埋侧和浅埋侧隧道施工采用不同的施工顺序，势必会对围岩的最终变形以及支护受力产生影响。因此，对先深埋侧、后浅埋侧和先浅埋侧、后深埋侧这2种不同的隧道施工顺序，从围岩变形和支护受力2个角度进行对比分析，以期得出合理的浅埋偏压双线隧道施工顺序。

2.3.1 围岩变形

根据相关经验，浅埋隧道的围岩变形量较大，施工过程中对隧道周边的围岩变形量进行控制是施工中的难点。

为更好地认识浅埋偏压双线隧道施工过程中围岩的变形规律，并对不同施工顺序下的围岩变形情况进行对比，在数值计算过程中，选取2个隧道的拱顶下沉、仰拱隆起和边墙收敛共计6个监测量进行围岩变形监测。不同施工顺序下，各监测点的变形量如表2所示。

表2 不同施工顺序围岩关键监测变形量单位：mm

由表2可知，不同的施工顺序下，深埋侧隧道的拱顶下沉和仰拱隆起量均大于浅埋侧隧道，而深埋侧隧道的边墙收敛量要明显小于浅埋侧隧道。对于深埋侧隧道而言，虽然采用先深埋侧、后浅埋侧以及先浅埋侧、后深埋侧的施工顺序对其监测的围岩变形量的控制效果存在差异，但差距并不明显。然而，采用先浅埋侧、后深埋侧的双线隧道施工顺序对浅埋侧隧道监测的围岩变形量均小于采用先深埋侧、后浅埋侧的施工顺序对应的变形量，这种优势主要体现在对浅埋侧隧道拱顶下沉和边墙收敛的控制效果上。采用先浅埋侧、后深埋侧的双线隧道施工顺序比另一种顺序能分别减少拱顶下沉量和边墙收敛量18.0%和25.1%。

综上所述，采用先浅埋侧、后深埋侧的双线隧道施工顺序能更好地控制隧道周边的围岩变形，但在施工过程中应特别注意对两侧隧道拱顶和浅埋侧隧道边墙收敛的监测。

2.3.2 支护受力

在大风垭口隧道洞口段浅埋偏压双线隧道工程施工中，为防止后掘隧道爆破对先掘隧道二次衬砌施工产生影响，根据设计要求，二次衬砌施作应当与掌子面相距50 m。因此，前期隧道主要是依靠初支支护围岩。2种不同施工顺序对应的初支结构和锚杆内力情况如表3所示。

表3 不同施工顺序支护内力

在隧道结构施工完成后，各锚杆均处于受拉状态。由表3可知，2种不同施工顺序下的锚杆最大轴力均没有超过150 kN，且初支喷射混凝土所受的最大拉应力差距不大，均小于0.2 MPa。而采用先浅埋侧、后深埋侧的施工顺序时，初支喷射混凝土所受到的最大压应力为3.798 MPa，比采用先深埋侧、后浅埋侧顺序时的初支喷射混凝土最大压应力小19.6%。

因此，综合对比考虑2种不同施工顺序对围岩变形和支护受力的影响，建议采用先浅埋侧、后深埋侧的施工顺序进行浅埋偏压双线隧道的施工。

2.4 现场监测对比

本计算模型分析的工程对应大风垭口隧道洞口段小净距浅埋偏压双线隧道里程标号为ZK101＋445～ZK101＋460及YK101＋450～YK101＋465。对隧道周边围岩变形进行监测是该段工程施工的重点。结合数值计算结果，本文选择ZK101＋450、YK101＋450（下称断面1），ZK101＋455、YK101＋455（下称断面2）和ZK101＋460、YK101＋460（下称断面3）这3个断面处的拱顶下沉和水平收敛量与模型计算结果进行比对分析，现场监测结果与数值计算结果如图3和图4所示。

图3 深埋侧隧道现场监测与数值计算对比

图4 浅埋侧隧道现场监测与数值计算对比

由图3和图4可知，3个断面的变形约35 d后趋于稳定，且断面1的监测变形量要大于断面2和断面3。这是因为3个监测断面处隧道的实际埋深由于纵向坡度的存在而不同，而在模拟计算建模中，仅考虑了横向坡度的变化，未考虑纵向坡度的变化，且计算模型所选取的隧道埋深更接近于断面2、断面3对应的埋深，因此计算结果与断面2、断面3的监测数据更为吻合。

由现场监测断面最终变形量（表4）可见，深埋侧隧道的拱顶下沉量均明显大于浅埋侧隧道，但其边墙收敛量要小于浅埋侧隧道。监测结果反映的最终变形量与数值计算结果相近，验证了数值计算结果的可靠性。

表4 现场监测断面最终变形量单位：mm

3 浅埋偏压隧道施工与加固技术

针对大风垭口隧道洞口段特殊的工程条件以及数值计算反映的围岩变形规律和支护内力结果，拟采用如下措施保证洞口段浅埋偏压双线隧道的施工安全。后期施工监测结果表明，采取相应措施后，大风垭口隧道洞口段浅埋偏压双线隧道的围岩变形能得到有效控制。

3.1 施工方案

针对大风垭口隧道洞口段浅埋偏压双线隧道工程处岩体等级差、风化程度较高等现状，提出深埋侧隧道采用双侧壁导坑、拱部预留核心土弧形开挖工法，埋深较浅侧采用中隔壁法进行施工。隧道施工时，先掘进洞超前后掘进洞不小于50 m，后掘进洞开挖掌子面必须在先掘进洞仰拱施工完成后进行。开挖时为了避免对周边围岩的扰动，每循环进尺应当控制在0.5～1.0 m。先、后进洞室内的中隔壁应当在初期支护变形稳定后才可进行拆除，单次拆除长度应当小于5 m，并采用交错拆除的方式。

3.2 爆破控制

在洞口段软弱围岩中进行隧道施工时，应当保证围岩稳定，无大规模剥落或坍塌；围岩的扰动深度小于1 m；距离掌子面1倍洞径处的拱顶质点垂直向振动速度小于 3 m/s。先掘进洞和后掘进洞衬砌处的振动速度应当控制在15 cm/s之内。爆破中必须采用微差控制爆破技术，各段起爆时间根据振动测试确定，以大于200 ms为宜。

3.3 超前管棚支护

在大风垭口隧道进口Ⅴ级围岩段，采用超前长管棚进行支护。长管棚采用长度40 m、外径108 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管，钢管环向间距40 cm，纵向外插角2°，并配合混凝土套拱施工，同时对围岩进行注浆加固，保证大风垭口隧道进洞段的施工安全。

3.4 中岩柱与拱腰加固技术

双线隧道中部采用长6 m的φ42 mm×4 mm径向注浆小导管，其纵向间距0.5 m，横向间距1.0 m，对隧道边墙和拱腰处约51°范围进行支护并进行注浆加固。

4 结语

1）浅埋偏压双线隧道施工中，深埋侧隧道的拱顶沉降和仰拱隆起量大于浅埋侧隧道，而边墙收敛量小于浅埋侧隧道，在隧道施工中应当对两侧隧道不同的变形特征进行针对性的监控。

2）相比先深埋侧、后浅埋侧的顺序，采用先浅埋侧、后深埋侧的顺序进行浅埋偏压双线隧道施工，对控制双线隧道的变形更为有效，能分别减少浅埋侧隧道的拱顶下沉量和水平收敛量约18.0%和25.1%，减少初期喷射混凝土结构的最大压应力19.6%。因此，采用先浅埋侧、后深埋侧的浅埋偏压双线隧道施工顺序更有利于控制隧道周边围岩变形和促进隧道稳定。

3）大风垭口隧道洞口段浅埋偏压双线隧道深埋侧隧道施工采用双侧壁导坑法、浅埋侧隧道施工采用中隔壁法，在超前管棚支护下采用微差控制爆破技术，并加强两侧洞室拱腰和边墙处的支护。现场监测结果表明，该工法能够保证浅埋偏压双线隧道的顺利施工，可供类似工程参考。