浅埋偏压隧道洞口防护结构分析研究

曾 翀

（江西有色建设集团有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

隧道作为一种地下空间运输通道的建筑物，由于其不占路面空间、交通速度快、能缩短线路长度等特点被广泛运用于公路和铁路工程中[1]，但该建筑物位于地下，具有较多的不确定性，受多种因素的影响，尤其当遇到浅埋偏压的隧道洞口段，容易在隧道开挖时出现较大的变形过大、甚至出现塌方、滑坡等问题[2]。

本文基于实际的工程案例采用有限元软件建立三维模型对其防护结构进行分析，希望能对该类工程提供参考价值。

1 工程概况

该工程为一座分离式双向四车道高速公路隧道，其中左线起讫桩号：ZK93+641～ZK95+055，全长1414m。隧道地处构造剥蚀低山地貌区，山势总体呈南北走向，支脉、冲沟呈树杈状，地形起伏大，地表植被发育，主要为松树、灌木和杂草。隧道通过地段地层结构为：表层为第四系全新统残坡积粉质粘土，下伏寒武系高滩组下段变质砂岩。隧道范围内基岩以全风化变余砂岩和强风化变余砂岩为主。洞口段围岩等级为Ⅴ级软弱围岩，节理裂隙发育，裂隙水丰富，岩层结构面倾斜，在进行原地面复测后发现，发现在隧道左线洞口ZK94+960～ZK95+038段，沿路线前进方向洞身左侧为一冲沟，山体横坡较大，隧道覆盖层薄埋深浅，浅埋偏压情况严重。

针对该工程出现的问题，对隧道浅埋偏压段左侧的冲沟，距离洞口100m范围内清除树木等植被，实行反压回填。其中ZK94+960～ZK95+018段采用隧道右线弃渣夯填，ZK95+018～ZK95+038段采用水泥土夯填。通过反压回填堆土加载，使浅埋偏压段隧道两侧应力差异降低，有利于隧道开挖后围岩平衡拱的形成，对反压回填土处理后的浅埋隧道防护结构进行有限元模拟分析。

2 反压回填理论分析

在隧道开挖前对浅埋偏压洞口路段的加固方法常常采用反压土回填，同时将隧道明挖改为暗挖，保证隧道的开挖和山体的稳定，该方法需对回填土的厚度及宽度进行计算，以保证能有效发挥回填土平衡偏压的能力，并且保证合理的工程造价，根据铁路隧道设计规范[3]和公路隧道设计规范[4]的计算公式计算回填土厚度与宽度。

式（1）（2）中：β和β’分别表示隧道内外侧产生最大推力时的破裂角，φc表示隧道围岩的计算摩擦角；α表示地面与水平面夹角；θ表示顶板土柱两侧摩擦角。

从式（1）及式（2）可发现当在浅埋隧道洞口段进行反压回填时，能够使隧道的侧横坡坡度减小，浅埋侧角随之减小，从而使得隧道衬砌的最大推力在增大，减小浅埋偏压隧道的偏压力，保证隧道开挖的安全。假设d表示隧道浅埋侧边墙与回填土的距离，用h表示回填土顶面距隧道底部的距离，回填土的坡脚用表示，当满足式（3）时，反压土发挥其最大能力。

3 有限元模拟

3.1 软件介绍

ADINA软件是一个全集成有限元分析系统，采用Windows截面风格，建模方便操作简单；系统包括多种分析模块；拥有高效及高质量的网格划分生成能力；拥有许多的单元类型和材料模式，还可根据实际进行材料的用户自定义；同时具有完善的高效的线性与非线性求解分析能力，被广泛应用于各个领域[5-6]。

3.2 模型建立

本文根据实际的工程案例建立三维的有限元模拟，将隧道的开挖问题假定为平面应变问题，模型向上取35m，向下也取35m，地面与水平夹角为50°；模型中对支座边界的设置分别为两侧水平向设置固定支座，底部设置竖向固定支座，其余的各边不设置约束；模型中将材料的自重作为荷载大小；采用土体摩尔-库伦模型作为材料的结构模型，对于衬砌结构则采用弹性模型进行模拟，并且为进一步分析回填土厚度与宽度比的关系，保证回填土的厚度为14.5m，分别设置5组不同反压土侧边顶部距离边坡面距离的模型进行模拟，这五组距离分别为10m、12m、14m、16m及18m。

3.3 模拟过程

为了减小隧道开挖过程对周边环境的影响，并且为了保证隧道的开挖安全，在工程施工过程中三台阶七步法进行隧道的开挖，在模拟的过程中为进一步以实际相符，将隧道的断面划分为7个进行三台阶起步法开挖的模型，如图1所示，在还未进行开挖时，对模型中的初次衬砌及需要开挖部分的模型进行初始属性的设置；在进行模拟开挖时，通过单元的“生”与“死”来完成；重复进行模型单元的“生”与“死”来完成所有的开挖模拟。并对隧道的不同位置设置观测点，如图2所示。

图1 锚杆的支护结构示意图

图2 隧道的观测点布置图

3.4 结果分析

3.4.1 隧道衬砌结构的水平位移分析

根据模拟的结果，对不同的反压土厚度与宽度比下的水平位移进行分析[7-9]，具体的结构如图3所示，图3（a）表示拱顶和拱腰的水平位移曲线，图3（b）表示拱腰和拱脚的水平位移曲线。

从图3（a）中可知，当反压土的厚度一定时，随着反压土宽度的增加，拱顶及拱腰的水平位移均在减小，主要是因为当反压土的宽度增大时将会减小隧道两侧的偏压应力，使得隧道的水平位移减小，其中在宽度从10m增加到14m时变化速率较慢，从14m增加到16m时变化速率较快，从16m增加到18m变化速率减慢，其中对于C点几乎保持不变，出现不用变化速率主要是因为反压土宽度的增加对浅埋隧道衬砌结构所提高的推力增加程度不同，当宽度增加到16m后出现几乎保持不变的现象主要是因为次数的反压土对浅埋隧道提供的推力基本达到极限值，继续增加反压土宽度已经不能起到很大作用；并且发现拱顶A的水平位移均比拱腰的B点和C点的水平位移大，主要是因为拱顶A点的高程较高。从图3（b）中可知D点与E点的变化与A点、B点和C点的变化相似，而E点的水平位移比D点小将近5倍，说明反压土回填后埋浅侧的应力远小于深埋侧；在侧压力的作用下，当隧道衬砌的变形大于隧道整体的位移时出现负值，如图3（b）中的F点与G点。

3.4.2 隧道拱顶的下沉分析

根据模拟结果对隧道的拱顶下沉进行分析，具体的结果见图4所示。

图4 隧道拱顶下沉曲线图

从图4中可知，当保持反压土的厚度不变，反压土宽度的增大对隧道的拱顶沉降影响不大，基本保持不变，最终的沉降保持在6.1～6.9mm，满足规范要求。

4 结语

综上分析可知，浅埋偏压隧道经过反压回填土处理后所形成的防护结构可以有效减小浅埋偏压隧道的位移，使得隧道的稳定性得到增强，并且存在一个合理的反压回填土宽度。