浅埋偏压双线隧道围岩压力计算及监测分析

赖慧丰

(中铁十八局集团第五工程有限公司 渝黔项目部，重庆 綦江 401424)

随着西部城市化建设的高速发展，未来一段时间内大量复杂地形及地质条件下的浅埋偏压双线隧道必将出现在山区城市之间。对于浅埋偏压双线隧道而言，受地形偏压的作用，隧道结构的围岩压力和变形特征尤其复杂[1-2]，严重影响其稳定性，探明浅埋偏压双线隧道围岩压力分布特征是隧道设计施工前亟需解决的工程问题之一。

针对隧道围岩压力分布特征，国内外许多学者开展了大量有益的研究，并取得了丰硕的成果。Han[3]、向亮[4]等基于围岩与衬砌的相互作用对深埋黄土盾构隧道围岩压力分布特征展开了研究，提出深埋盾构隧道围岩压力的计算公式；刘志春[5]等结合95个典型挤压性围岩隧道的现场实测结果，提出基于变形分级的挤压性围岩隧道围岩压力的计算方法；卢钦武[6]、杨小礼[7]、张治国[8]等推导了地震作用下浅埋隧道围岩压力的计算方法，并对其进行参数敏感性分析；孙曦源[9]、张道兵[10]等基于极限分析法，确定了围岩在承载力极限状态下的破坏模式，推导了浅埋隧道围岩压力计算方法；Huang[11]、邱业建[12]等通过合理假定隧道的破坏模式，基于极限上限分析法，推导了浅埋偏压小净距隧道围岩压力的计算公式，并结合工程实例验证了求解方法的正确性。

本文依托重庆巴南至綦江高速公路某隧道工程实际，基于已有的浅埋偏压双线隧道围岩压力计算方法，分析了埋深、净距和偏压角度对隧道垂直压力和侧压力系数的影响。结合现场监测数据，进一步分析了隧道施工过程中围岩和结构力学特征响应，并与理论分析结果进行对比验证。

1 浅埋偏压双线隧道围岩压力计算理论

1.1 基本假定及滑裂破坏模式

假定岩土体为单一、均质体，地表倾斜一定角度，左右隧道结构对称且同步施工，即不考虑施工工序的影响。其构造的围岩滑裂破坏模式如图 1 所示，图中E为共同破裂面的法向相互作用力，为安全起见取为 0。另外，假定围岩压力分布图形与地表倾斜角度一致。

图1 浅埋偏压双线隧道滑裂破坏模式

1.2 计算公式的推导

1.2.1 左、右洞外侧侧压力系数计算

根据规范中给出的计算方法，左、右洞外侧侧压力系数λ1和λ2分别为[13]

(1)

(2)

分别对式(3)～(4)求极值，可得左、右洞外侧产生最大推力时的破裂角β1和β2分别为

(3)

(4)

式中θ为拱顶土柱两侧摩擦角(°)；α为地面倾斜角度(°)；φc为围岩计算摩擦角(°)。

1.2.2 左、右洞内侧侧压力系数计算

根据规范中给出的计算方法，左、右洞内侧侧压力系数λ3和λ4分别为[14]

(5)

(6)

分别对式(5)～(6)求极值，左、右洞内侧产生最大推力时的破裂角β3和β4迭代公式分别为

(7)

(8)

式(7)～(8)中，β3、β4分别为左、洞内侧破裂面与水平面的夹角(°)；a1、a2分别为两洞内侧破裂面交点至左、右洞内侧洞壁的距离(m)；h3、h4分别为a1/2、a2/2处洞底水平线至地面的距离(m)；H3、H4分别为左、右洞内侧洞底水平线至地面的距离(m)。

1.2.3 垂直围岩总压力的计算

拱顶垂直压力换算为分布荷载，假设隧道内外侧之间按线性变化，考虑地表偏压的影响，浅埋偏压双线隧道围岩压力计算分布模式如图2所示。

图2 浅埋偏压双线隧道围岩压力计算模式

图2中H1、H2、H3、H4可根据下式计算：

(9)

式中b为隧道开挖跨度(m)；h为隧道开挖高度(m)；h1、h2分别为左、右洞拱顶水平线至地面的距离(m)。

左洞外侧、左洞内侧、右洞内侧和右洞外侧拱顶垂直压力为

(10)

2 工程背景

重庆巴南至綦江高速公路某隧道为一座双线隧道，左线进口里程 ZK51+985，出口里程 ZK52+880，长 895 m；右线进口里程 K52+072，出口里程 K52+919，长 847 m。左线洞内纵坡为 1%/895m 的单面下坡。右线洞内纵坡为 1%/847m 的单面下坡。该隧道进口洞口段浅埋偏压，埋深较浅，地质条件差。本文主要研究洞口浅埋偏压段，隧道围岩为三迭系上统须家河组石英砂岩、页岩及三迭系中统雷口组页岩夹泥灰岩，岩体较破碎，遇水软化，工程地质性质较差，属V级围岩。在V级围岩段，隧道开挖跨度为 18.23 m，开挖高度为 11.99 m，衬砌内轮廓拟定为三心圆曲墙结构，隧道初支采用喷锚网支护，辅以钢架加强，二衬采用钢筋混凝土结构。洞口段隧道横断面及空间位置关系如图3所示。

图3 洞口段隧道横断面及空间位置关系

3 浅埋偏压双线隧道围岩压力影响因素分析

根据式(1)～(10)，依托浅埋偏压分离式隧道，分析埋深、净距和偏压角度对拱顶垂直压力和侧压力系数的影响。围岩级别为V级，计算参数的选取为：开挖跨度b=18.23 m，开挖高度h=11.99 m，围岩重度γ=20 kN/m3，计算摩擦角φc=45°，拱顶土柱两侧摩擦角θ=25°。

3.1 埋深影响分析

两隧道净距为30 m，偏压角度为0°和10°时，不同埋深下垂直压力和侧压力系数见表1，其随埋深的变化如图4所示。

表1 埋深对隧道垂直压力和侧压力系数的影响

由图4可知，当偏压角度为 0°时，不同埋深下左、右洞外侧侧压力系数相同，内侧侧压力系数也相同，但外侧侧压力系数不随埋深的变化而改变，内侧侧压力系数则随埋深的增大呈线性增大。左、右洞内侧侧压力系数小于外侧侧压力系数，且随着埋深的减小，二者的差值越大，即偏压效应越显著。由图4和表1还可看出，隧道垂直压力随埋深的增大呈线性增大，两洞内侧垂直压力均大于外侧垂直压力。由于地面水平，且左、右洞为对称结构，两洞内外侧垂直压力均相同。当偏压角度为 10°时，不同埋深下左、右洞外侧侧压力系数和内侧侧压力系数均不同，外侧侧压力系数不随埋深的变化而改变，内侧侧压力系数则随埋深的增大呈线性增大。左、右洞隧道垂直压力随埋深的增大呈线性增大，两洞内侧垂直压力大于外侧垂直压力。

以上分析结果表明，对于浅埋偏压双线隧道，左、右洞内侧的垂直压力大于外侧的垂直压力，隧道内侧拱顶承受更大的围岩压力，在施工时应加强其拱顶部位的支护。

图4 侧压力系数和垂直压力随埋深变化图

3.2 净距影响分析

两隧道拱顶埋深为10 m，偏压角度为0°和10°时，不同净距下垂直压力和侧压力系数见表2，其随净距的变化如图5所示。

表2 净距对隧道垂直压力和侧压力系数的影响

图5 侧压力系数和垂直压力随净距变化图

由图5可知，当偏压角度为0°时，埋深一定时，随着净距的增大，左、右洞外侧垂直压力和侧压力系数保持不变，基本不受净距的影响。随着净距的增大，左、右洞内侧垂直压力逐渐减小，内侧侧压力系数逐渐增大，而变化速率逐渐减小并趋于稳定。结果表明，随着净距的减小，隧道内侧垂直压力和侧压力系数受净距的影响越显著，两洞之间相互影响逐渐增大。当偏压角度为10°时，左、右洞外侧侧压力系数不随净距的变化而改变，内侧侧压力系数随着净距的增大逐渐增大。随着净距的增大，左、右洞内外侧垂直压力均逐渐减小。

以上分析结果表明，对于浅埋偏压双线隧道，埋深相同且偏压角度一定时，随着净距的增大，隧道内侧侧压力系数越大，内侧垂直压力越小，趋于单洞开挖状态。

3.3 偏压角度影响分析

两隧道拱顶埋深为10 m，两洞净距为30 m时，不同偏压角度下垂直压力和侧压力系数见表3，其随偏压角度的变化如图6所示。

表3 偏压角度对隧道垂直压力和侧压力系数的影响

由图6可知，随着偏压角度的增大，左洞外侧和右洞内侧侧压力系数逐渐减小，而左洞内侧和右洞外侧侧压力系数逐渐增大，即各洞浅埋侧侧压力系数减小，深埋侧侧压力系数增大。由此可见，偏压角度越大，岩柱两侧侧压力系数差值越大，中夹岩柱两侧偏压现象越严重，稳定性越差。另外，左洞内、外侧垂直压力随偏压角度的增大逐渐减小，右洞内、外侧垂直压力随偏压角度的增大逐渐增大，主要是因为随着偏压角度增大，左洞埋深随之减小，而右洞埋深随之增大。从图6中还可看出，偏压角度越大，中夹岩柱两侧围岩压力差值越大，偏压效应越显著。

图6 侧压力系数和垂直压力随偏压角度变化图

4 浅埋偏压双线隧道围岩压力监测分析

为进一步分析浅埋偏压双线隧道围岩压力特征，根据现场情况选取右洞进口段某断面，对钢拱架应力和两层支护间压力进行监控量测分析。该断面处隧道埋深为 10 m，净距为 30 m，偏压角度为10°。

4.1 监控量测项目

钢拱架应力监测采用JMZX-212HAT表面型智能弦式数码应变计测量，分别布置在左、右洞隧道拱顶、拱腰和拱脚处上下翼缘，每个监测断面共布置10个应变计。应变计在钢拱架架立后喷射混凝土施作前安装。

两层支护间压力采用JMZX-5020Am智能记忆型双模土压力盒测量，分别布置在左、右洞隧道拱顶、拱腰和拱脚初期支护和二衬之间，每个监测断面共布置5个压力盒。压力盒在初衬施作后防水层布设前安装。应力计和压力盒均采用JMZX-2001综合测试仪采集数据，并进行温度修正。应力计和压力盒位置和现场布置图如图7～8所示。

图7 钢拱架应力测点布置图 图8 两层支护间压力测点布置图

4.2 监控量测结果分析

图9为右洞进口段某选取断面钢拱架各测点外翼缘和内翼缘应力时程曲线。由图9可知，监测断面钢拱架各测点内外翼缘及应力均为压应力。钢拱架拱顶和内外拱腰应力较大，而拱脚部位应力较小。其中内侧拱腰和拱脚应力均大于外侧对应部位，与前文双线隧道内侧的垂直压力大于外侧的垂直压力结论是一致的，反映了浅埋偏压双线隧道中夹岩柱侧围岩受到了较大的扰动。钢拱架各测点应力在约 20 d后基本不再变化。

图9 右洞选取断面钢拱架各测点应力时程曲线

图10 右洞选取断面两层支护间压力时程曲线

图10为右洞进口段某选取断面两层支护间压力时程曲线。由图10可知，隧道拱顶处两层支护间压力最大，主要是因为左洞为扁平大断面隧道。内侧拱腰和拱脚两层支护间压力均大于外侧对应部位，说明支护结构在中夹岩柱侧提供了较大的支护抗力，也反映了中夹岩柱受到了较大的扰动。拱顶和内外拱腰两层支护间压力在监测初期两天内呈现急剧增大而后又急剧减小的变化趋势，应是拆模所致。右线拱顶处两层支护间压力稳定后为236.14 kpa，与前文围岩压力理论计算结果(埋深为10 m，净距为30 m，偏压角度为10°时，右线垂直压力为234.04～238.79 kpa)基本一致，验证了理论分析结果的正确性和合理性。

5 结束语

(1)随着隧道埋深的减小，内侧侧压力系数逐渐减小，外侧侧压力系数不变，内外侧侧压力系数差别逐渐增大，偏压现象越显著。垂直压力随埋深的增大呈线性增大，两洞内侧垂直压力均大于外侧垂直压力，内侧拱顶承受更大的围岩压力。

(2)随着净距的增大，左、右洞内侧垂直压力逐渐减小，内侧侧压力系数逐渐增大，而变化速率逐渐减小并趋于稳定，两洞之间的相互影响逐渐减小。

(3)随着偏压角度的增大，各洞浅埋侧侧压力系数逐渐减小，深埋侧侧压力系数逐渐增大，中夹岩柱两侧侧压力和垂直压力差别逐渐增大，偏压现象越显著。

(4)结合钢拱架应力和两层支护间压力的现场监测数据，分析了隧道施工过程中围岩和结构力学特征，验证了理论分析结果的正确性。

本文浅埋偏压双线隧道围岩压力理论计算主要是从极限平衡角度出发的，并未考虑到诸如隧道施工方法，辅助施工措施，支护结构刚度和架设时间及其与围岩的接触状态等因素对围岩压力的影响，故存在一定的局限性，仍需进一步发展完善，以期获得综合考虑多种因素的浅埋偏压双线隧道围岩压力分布特征。