隧道浅埋偏压洞口段施工力学分析与加固措施探讨

■张宗锋

（福州左海控股集团有限公司，福州 350028）

近年来，部分双线隧道因地形条件限制、线路总体线性要求或特殊的桥隧相连等情况，左右线间距不能达到规范要求，修建了很多小净距、连拱等特殊结构型式的隧道。 《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）[1]中提出小净距隧道指上下行双洞洞壁净距较小，不能按独立双洞考虑的隧道结构。 超大断面隧道具有断面大、跨度大、扁平率小等特点，与常规隧道相比，其施工工序繁琐、对围岩扰动次数多[2-3]，在隧道洞口段，容易遇到浅埋偏压等情况；超大断面小净距的隧道洞口段的施工力学行为受覆土厚度、偏压角度、施工工序等因素影响。 为了保证复杂地质条件下隧道洞口在施工和运营期间的稳定，有必要建立精细三维模型，研究实际地形状态下的洞口施工力学行为，确保工程安全。

隧道洞口段施工力学行为受覆土厚度、偏压角度、施工工序等因素影响，国内已有学者对其展开研究并取得了一定成果。 杨小礼等[4]利用有限元软件，对某浅埋偏压小净距公路隧道的施工工序进行了研究。 刘小军等[5]利用FLAC3D 软件对老寨隧道浅埋偏压洞口段的施工过程进行了分析。 王立川[6]通过数值模拟与模型试验，对不同偏压条件下单洞和小净距隧道的施工力学行为进行了系统研究，得到了浅埋偏压单洞和浅埋偏压小净距隧道的破坏模式。 侯瑞彬等[7]基于有限元强度折减法，针对广东某大跨小净距偏压隧道开展研究。 王春国[8]采用有限差分数值模拟软件，对偏压大跨小净距隧道施工过程中的应力应变变化规律问题开展研究。 张惠民[9]基于FLAC3D 软件，对不同埋深及不同支护措施下隧道洞口与边坡的稳定性进行研究。 Li 等[10]基于上限分析法推导考虑地表边坡时的洞口开挖面支护压力及安全系数理论解，指出与入口段相比，出口段的施工风险更大。 在多重因素耦合作用下，复杂地形下超大断面小净距隧道施工力学效应极为复杂，偏压隧道的数值模型大多简化处理，以真实地形建模的较少。 针对本工程存在临近采石坑的特点， 基于真实地形建立三维洞口段模型， 利用FLAC3D 有限差分软件模拟隧道洞口段开挖、 支护全过程建立了洞口段三维有限差分模型， 针对隧道开挖引起的地表沉降、围岩位移、围岩应力、塑性区及边仰坡安全系数等进行了分析，提出合理的加固措施建议。

1 工程背景

由于用地红线限制，某隧道全线为小净距山岭隧道，净距最小为12.589 m（约0.62 B）。 隧道左线长658 m，右线长671 m。单洞最大跨度为20.41 m，最大开挖面积为247.41 m2，为超大断面隧道。 隧道断面岩土层主要由杂填土、粉质黏土、淤泥、坡积砾质黏性土、凝灰岩等组成。 按其沉积先后、沉积环境、成因类型以及工程地质性质， 自上而下分为9个工程地质层。 隧道衬砌按新奥法原理采用复合式衬砌结构，隧道V 级围岩洞口段复合式衬砌结构，见图1。初期支护采用A50 中空注浆锚杆（间距为1 000 ×750， 梅花形布置，3.5 m、6 m 长度锚杆交错布置）、I22a 型钢拱架（间距0.5 m）、A8 钢筋网（间距200×200）、500 mm 厚C25 喷射混凝土，二次衬砌为800 mm厚C35 钢筋混凝土。南端洞口段中岩墙采用预应力长锚杆加固，北端洞口段采用对拉预应力锚杆加固。

图1 隧道洞口围岩段施工示意图

隧道洞口段围岩开挖采用双侧壁导坑法，隧道洞口段具体施工示意图见图1，其施工工序共分18 步：（1）开挖左洞左导坑；（2）施工左洞左导坑初期支护，设置中壁墙临时支撑；（3）开挖左洞右导坑；（4）施工左洞右导坑初期支护，设置中壁墙临时支撑；（5）左洞拱部及核心土第一次开挖；（6）左洞拱部初期支护；（7）左洞核心土第二次开挖；（8）左洞仰拱混凝土灌筑及隧底填充；（9）拆除左洞中壁墙，整体浇筑二次衬砌；（10）开挖右洞右导坑；（11）施工右洞右导坑初期支护，设置中壁墙临时支撑；（12）开挖右洞左导坑；（13）施工右洞左导坑初期支护，设置中壁墙临时支撑；（14）右洞拱部及核心土第一次开挖；（15）右洞拱部初期支护；（16）右洞核心土第二次开挖；（17）右洞仰拱混凝土灌筑及隧底填充；（18）拆除右洞中壁墙，整体浇筑二次衬砌。 开挖时，左、右导坑开挖保持4 m 错距，导坑和上部核心土开挖保持4 m 错距，上部核心土和下部核心土开挖保持4 m 错距。

对拉锚杆采用先灌后二次张拉工艺，先行洞开挖且钻孔内水泥浆强度达到设计强度后施加预应力40 kN；后行洞开挖露出锚杆端部后，拆除预安装的丝扣保护包装，施加预应力到90～110 kN。

2 洞口段施工过程数值模拟

采用犀牛Rhino 软件划分网格，FLAC3D 有限差分软件[11-12]模拟隧道洞口段开挖、支护全过程。将围岩视为各向同性、均质连续介质，采用Mohr-Coulomb 屈服准则条件下的弹塑性本构模型； 岩体初始应力场仅考虑上覆层自重应力，不考虑构造应力；计算时开挖步长均按1 m 计算；初期支护滞后2个开挖步（即滞后2 m）施加；左右洞掌子面间距45 m；计算时未考虑地下水的影响。 上边界至地表自由面，下边界至开挖洞底距离为3 倍洞高，左右边界距洞口距离分别为4 倍隧道跨度。 模型长210 m，宽140 m，见图2（a）、图2（b）。计算模型的边界条件为：上部自由，侧面垂直约束，底部完全约束。 为消除边界效应，选择y=45、y=85、x=-15、x=15断面作为数值模拟的目标断面，见图2（c）。 选用对称特征点来分析偏压隧道在施工过程中围岩变形与应力、结构内力的变化规律，见图2（d）。围岩及支护结构物理力学参数见表1， 抗滑桩力学参数弹性模量E 为20 GPa、桩直径为1 m、剪切粘结刚度为13 GN·m-2、剪切粘结力为0 GN·m-1、粘结剪切角为30°、 法向粘结刚度为130 GN·m-2、 法向粘结力为100 GN·m-1、法向粘结剪切角为30°。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

图2 隧道洞口段计算模型

3 隧道开挖与支护模型模拟

隧道开挖采用Null 单元进行处理，开挖前先施作洞外偏压控制措施，明挖至洞口里程。 预加固后，再进行隧道暗洞开挖。 隧道开挖后及时施作初期支护。 围岩、加固圈以及二次衬砌采用的实体单元模拟，初期支护采用壳单元（Shell 单元）模拟，锚杆用锚索单元（Cable 单元）模拟，见图3（a）。偏压挡墙及回填土采用实体单元模拟， 抗滑桩及管棚钢管采用桩单元（Pile 单元）。 围岩和加固圈采用M-C 模型模拟，初期支护和二次衬砌采用弹性模型模拟，见图3（b）。

图3 隧道开挖预加固措施模型

4 隧道开挖与支护施工力学分析

4.1 地表沉降分析

y=45、y=85 断面地表沉降曲线见图4。 由图4可知，y=45 断面的地表沉降曲线呈不对称“W”型，最大沉降量为10.66 mm，位于左洞拱顶附近；y=85断面的地表沉降曲线呈不对称“U”型，最大沉降量为20.09 mm，位于中岩墙附近。研究结果表明：隧道埋深对小净距隧道地表沉降曲线的影响较大。 埋深较浅时，其地表沉降曲线呈不对称“W”型，中岩墙杠杆支点效应明显；埋深较大时，其沉降曲线呈不对称“U”型，两洞上方形成压力拱，中岩墙支点效应被弱化。对此，王海龙等[13]提出可将地表沉降曲线的形状作为判定小净距隧道深浅埋的依据。 地表沉降量随埋深的减小而减小。 对比左、右洞地表沉降情况，深埋一侧隧道的沉降值及沉降范围均较大。

图4 y=45、y=85 断面地表沉降曲线

4.2 围岩位移分析

洞室位移主要以竖直方向位移为主， 拱顶下沉，拱底隆起。 目标断面围岩竖向位移云图见图5。由图5（a）、图5（b）可知，隧道左洞位移值大于右洞，即后行深埋隧道位移值大于先行浅埋隧道。 y=45断面左洞拱顶下沉值为12.28 mm， 右洞为7.70 mm，左洞拱顶下沉值比右洞大59%；y=85 断面左洞拱顶下沉值为24.38 mm，右洞为19.98 mm，左洞拱顶下沉值比右洞大22%。 与y=85 断面相比，y=45断面左、右洞拱顶下沉差值更大，偏压更为严重。 由图5（c）、图5（d）可知，随着开挖的进行，隧道埋深逐渐减小，围岩竖向位移也逐渐减小。 左洞拱顶下沉值由32.30 mm 下降到7.96 mm，右洞拱顶下沉值由27.10 mm 下降到7.70 mm。

图5 目标断面围岩竖向位移云图（单位：m）

标断面围岩水平位移云图见图6， 可知边坡使隧道右侧水平约束变弱， 隧道整体呈向右变形趋势。水平位移向右为正，向左为负。可以看出在隧道开挖完成后，左、右洞水平方向变形规律不同。 虽然整体都呈向右变形趋势，右洞由于侧覆土厚度较薄、提供的反压不足，拱顶、拱肩位置产生了较大的水平向右位移。 左洞由于埋深相对较深，在拱脚位置产生水平向左位移。 隧道与边坡相互影响，隧道开挖导致边坡坡顶水平向右位移，位移值在4～8 mm。隧道开挖前，可采用喷射混凝土、砂浆锚杆等措施对边坡进行防护。

图6 目标断面围岩水平位移云图（单位：m）

4.3 围岩应力分析

目标断面围岩最大主应力分布云图见图7～8，围岩主应力正值受拉，负值受压。 由图7 可知，其最大主应力分布特征均表现为压应力。 隧道拱顶及拱底出现应力卸荷区。 中岩墙以及左洞左侧拱腰至拱脚位置表现出显著的应力集中现象。 与初始地应力相比，y=45 断面应力集中最明显的位置在左洞左侧拱脚，最大主应力值增大约0.25 MPa，y=85 断面应力集中最严重的位置在右洞近中岩墙侧拱脚，最大主应力值增大约0.32 MPa。左洞最大主应力分布基本对称，右洞受地形偏压影响不对称性明显。由图8可知， 最小主应力分布特征表现为y=85 断面洞周轮廓线附近均为压应力；y=45 断面在左、右洞拱顶位置出现了较为明显的拉应力现象，拉应力值分别为13、39 kPa。 右洞拱顶的拉应力大于左洞，且右洞拱顶拉应力区贯通至地表。 由表2 数据计算得出y=45、y=85 断面洞周围岩抗剪安全系数，以安全系数允许值[K]≥1.2 为围岩稳定性判别条件。

表2 目标断面洞周特征点主应力结果 （单位：×105Pa）

图7 目标断面围岩最大主应力分布云图（单位：Pa）

图8 目标断面围岩最小主应力分布云图

由图9 可知，目标断面在左洞特征点2、4、6、8处围岩抗剪安全系数小于1.2，即左洞拱肩、拱脚位置围岩稳定性较差。 y=45 断面在右洞特征点9、10、12、15、16 处围岩抗剪安全系数小于1.2，即y=45 断面右洞拱顶至左拱肩右拱腰位置围岩稳定性较差；y=85 断面在右洞特征点10、12、14、15 处围岩抗剪安全系数小于1.2，即y=85 断面右洞拱脚、左拱肩、右拱腰位置围岩稳定性较差。 可见，拱肩、拱脚以及右洞拱顶、浅埋侧拱腰为洞口段施工过程中的薄弱环节，容易出现失稳，需采取一定措施加强。

4.4 围岩塑性区分布

隧道开挖完成后，围岩塑性区分布见图10。 由图10 可知， 后行深埋隧道洞周塑性区体积大于先行浅埋隧道。 y=45 断面左洞拱肩、中岩墙及边坡坡脚位置塑性区较大， 中岩墙塑性区有贯通趋势；y=85断面左洞左侧拱肩及近中岩墙侧拱脚处塑性区较大。 塑性区分布规律与上述围岩抗剪强度反映的洞周围岩稳定状况大体一致。 隧道埋深较浅时，中岩墙起重要的支承作用，x=0 断面的塑性区主要集中在中岩墙位置；随着隧道埋深的增加，隧道上方逐渐形成“自然拱”，中岩墙不产生塑性破坏，塑性区主要分布在中岩墙上、下方位置；埋深进一步增大，中岩墙下方塑性区消失。 故当隧道埋深较浅时，需对中岩墙进行重点加固，以防中岩墙失稳破坏，从而影响施工安全与质量。

图10 目标断面围岩塑性区分布

4.5 边坡安全系数分析

开挖过程中，边坡安全系数的变化见表3。 边、仰坡开挖使天然边坡受到扰动，安全系数由2.031减小至1.707。 隧道最开始施工对边仰坡稳定性影响很大，安全系数随开挖的进行先减小，后增大，最后趋于稳定。

表3 隧道开挖边坡安全系数

4.6 二衬受力特征分析

y=85 断面二衬结构内力图见图11～12，可知二衬轴力最大为-692.06 kN，弯矩最大-184.548 kN·m，均位于右洞偏中岩墙侧拱脚处。 后行洞偏中岩墙侧拱脚及拱底处轴力为受拉， 为二衬结构受力最不利部位，施工时可采取一些必要措施。 二衬浇筑时，围岩与初期支护已达到稳定状态，二衬基本上可以看作安全储备。

图11 y=85 断面二衬结构轴力图

图12 y=85 断面二衬结构弯矩图

5 结语

隧道北端洞口段埋深浅、偏压明显，属于浅埋偏压超大断面小净距隧道，建立了洞口真实的三维精细有限元模型，对洞口段的围岩、边坡以及二衬隧道进行了施工力学分析，得出以下结论：（1）由于地形偏压作用， 隧道洞口段整体呈向右变形趋势。地表沉降曲线受隧道埋深影响。 埋深较浅时，小净距隧道地表沉降曲线呈不对称“W”型；埋深较大时，呈不对称“U”型。（2）由于地形偏压作用，从主应力分布特征来看，中岩墙以及深埋隧道深埋一侧拱腰至拱脚位置表现出应力集中现象，隧道拱顶可能会出现拉应力。 深埋一侧隧道拱脚、浅埋一侧隧道拱顶以及中岩墙为浅埋偏压超大断面小净距隧道施工中的薄弱部位，需进行重点监测。 （3）隧道开挖导致边坡有下滑趋势，影响其稳定，尤其是隧道开挖初期，边坡安全系数下降较为明显。 在此工况下，隧道结构受力不对称性明显、围岩稳定性差，基于塑性区、应力及围岩抗剪安全系数准则选择合理的洞口段预加固措，如采用喷射混凝土、砂浆锚杆等措施对边坡进行防护。