浅埋偏压小净矩黄土连拱隧道施工力学效应研究

摘要：以S10卓尼至合作高速公路项目为背景，分析浅埋偏压小净矩黄土连拱隧道施工过程中的力学效应及其稳定性。在分析工程概况、控制点选择及隧道施工力学指标基础上，通过构建浅埋偏压小净矩黄土连拱隧道计算模型，精准确定围岩力学参数，并实施三维数值模拟施工，全面探讨施工过程中的力学响应。基于演化结果，深入分析隧道的稳定性，并提出相应优化建议。研究结果表明：合理的控制施工并对参数进行优化，能显著提升浅埋偏压小净矩黄土连拱隧道的施工安全性与稳定性。

关键词：浅埋偏压；小净距；隧道；围岩力学

0 引言

浅埋偏压小净矩黄土连拱隧道作为一种特殊结构形式，因其能够适应复杂地形、节约土地资源并优化线形设计，在工程中得到了较为广泛的应用[1]。然而这类隧道的施工难度与风险相对较高，其施工力学效应及变形破坏机理复杂多变，成为工程实践中的关键难题。

黄土作为一种特殊地质材料，具有湿陷性、结构性强等特点，在隧道开挖过程中易发生变形和失稳。而连拱小净距隧道的中夹岩柱宽度较小，受两侧隧道开挖的相互影响，围岩压力分布复杂，对支护结构的要求更为严格。此外，偏压条件进一步加剧了隧道结构的受力不均，使得施工过程中的力学效应更加难以预测和控制[2]。

本文以浅埋偏压小净矩黄土连拱隧道为研究对象，对此施工中的力学效应展开研究，提出有效的施工方法和支护措施，以减小施工风险，提高隧道工程的整体稳定性和安全性[3]。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

该隧道位于卓尼县柳林镇捏业村东北，隧道进出口附近有S306省道通过，交通较便利。隧道基本情况如表1所示。捏业隧道出口右侧边坡设计最高级为5级边坡，仰坡为3级坡，左侧为2级坡，捏业隧道出口明洞总长度为83m。根据工程地质调绘，隧址区岩层产状322°∠65°，节理裂隙发育一般。项目所在地区的地表水属于季节性流水，平常基本无流水，主要受大气降水和积雪融化影响。勘察期间，仅雨季可见沟谷内短暂流水。根据技术单位的现场勘查，隧址区无不良地质[4]。本次勘察范围及深度内，隧址区特殊性土为黄土，根据临近土工试验资料可知，黄土具非自重湿陷性，湿陷等级为Ⅱ级。

1.2 控制点设计

参照相关文件，按照图1所示的方式设计隧道施工中控制点。

2 隧道施工力学指标分析

为更加直观的掌握隧道结构的围岩力学特性，对作用在隧道结构上的应力点偏压系数进行计算，其公式为：

（1）

式中：ε代表作用在隧道结构上的应力点偏压系数，φl代表隧道左洞围岩结构的应力值，φr代表隧道右洞围岩结构的应力值，φl0代表隧道左洞围岩结构的轴力值，φr0代表隧道右洞围岩结构的轴力值。

根据结构上的岩体抗剪力作用，进行特征点强度的验算[5]。计算应力点作用位置的抗剪安全系数，计算公式为：

（2）

式中：k代表应力点作用位置的抗剪安全系数，φ代表土层摩擦角，γ1代表第一主应力，γ3代表第三主应力。

完成计算后，根据k的具体值进行隧道结构稳定性、安全性的计算。k的限值为1.2，如k≥1.2，说明隧道结构稳定性较高。反之则说明隧道在施工中存在失稳等风险[6]。

针对隧道的衬砌结构，通过下述公式计算其偏心距：

（3）

式中：e代表衬砌结构偏心距离，m代表粘聚力，n代表衬砌结构轴力。

完成计算后，如e＞0.2h（h代表结构高度），可以计算结构的抗拉强度，以此检验其安全性与稳定性。反之，如e＜0.2h，则需要通过下述公式进行其安全系数的系数：

w=μrb+1 （4）

式中：w代表结构安全系数，μ代表混凝土结构极限抗压值，r代表截面宽度，b代表轴力偏心系数。如b的取值为1，则计算结果应w≥3.6，才能达到稳定标准的要求。

3 施工力学效应分析

3.1 建立计算模型

隧道设计采用连拱结构，进出口均配置端墙式洞门，以优化通行效率。将出口具体位置标记为L2K2+585，明暗交界则设定在L2K2+490处，明洞部分设计为95m长。针对洞口前40m的关键区域，采取长管棚超前支护策略，以增强结构稳定性[7]。在出口边坡防护方面，结合锚杆框格梁与拱形骨架的双重措施，确保边坡安全。

出洞段选址于自然形成的山体斜坡之上，经勘察确认无显著不良地质影响。该斜坡坡度较陡，自然植被覆盖良好，坡度大约50º，主要由坡洪积物构成，表层土质为粉质黏土，处于可塑至硬塑状态。下方岩层为强风化板岩，其内部节理裂隙明显，岩石较为破碎，但整体斜坡结构目前保持稳定[8]。该区域具备良好的自然排水条件，有助于减少水文因素对隧道及边坡稳定性的影响。

结合隧道的开挖和支护工艺，围岩结构采用三维实体单元模拟，在隧道结构周围采用细密单元。鉴于隧道埋深较浅，地应力场按照自重应力场分析。

3.2 确定围岩力学参数

3.2.1 围岩力学参数反演思路

结合BP神经网络对围岩力学参数进行反演，其基本思路如下：将网络输出层与预期数据之间的偏差，视为连接层内各节点间连接权重与阈值设置不当的结果。随后采用误差反向传播机制，将这一偏差逆向分配给各连接节点，依据分配结果精确计算每个节点的误差贡献。基于这些误差计算，对各节点的连接权重和阈值进行适应性调整，以迭代方式优化网络配置，直至实现与数据相匹配的精准映射。

3.2.2 提取围岩参数与位移响应之间关系

神经元输入与输出关系可描述为：

YJK=FJK（WIJ（K-1） YIJ（K-1）qJK ） （5）

式中：YJK代表输出结果，FJK代表网络节点的作用函数，WIJ（K-1）代表连接权因子，YIJ（K-1）代表上一层输出结果，qJK 代表阈值。

通过神经网络模型计算后输出矢量与实际输出之间相减，得到计算误差。根据误差的大小判断模型是否需要继续训练。此方法不受限于系统复杂程度，其核心在于通过动态调整网络权重来建立输入与输出之间的精确映射。首先，确立一个合理的正向模拟范围，并基于灵敏度分析，有针对性地调整该范围内的参数值。随后运用数值模拟技术，模拟围岩在调整参数下的变形过程，从中提取围岩参数与位移响应之间的关系。

3.2.3 工程实际岩体力学参数确定

引入神经网络模型，利用实测位移数据对其进行训练，直至模型预测误差降至可接受水平。训练完成的神经网络随后被应用于现场实测位移数据，以反演得到更为贴近工程实际的岩体力学参数。这些参数作为输入，进一步驱动正向计算模型，为工程实践中工艺选择、支护方案设计及其优化提供科学依据。数值模拟材料物理力学参数如表2所示。

3.3 三维数值模拟施工

利用有限元程序模拟隧道分步开挖以及锚杆的初期支护。三维数值模拟施工流程如表3所示。每个开挖步骤的进尺被统一设定为3m，整个开挖过程被划分为20个分步进行。针对单洞七步短台阶法，在60m的循环开挖周期内，共涉及6个开挖区域，总计120个开挖步骤。

这些开挖步骤按照特定的序列进行。其中：上弧形导坑及其支护步骤对应于序列中的1，7，13，…，6n-5（n为1至20的整数），共20步；左右中台阶导坑开挖及支护步骤为2，8，14，…，6n-4（n为2至20的整数），同样20步；左右下台阶导坑开挖步骤遵循3，9，15，…， 6n-3（n为1至20的整数），也是20步；上核心土开挖及支护步骤包括4，10，16，…，6n-2（n为1至20的整数），共20步；中部核心土开挖步骤为5，11，17，…，6n-1（n为1至20的整数），20步；下部核心土开挖及支护步骤则是6，12，18，…，6n（n为2至20的整数，但此处应理解为n-1+6的形式以匹配序列，即7，13，19，…，实际也是20步）。通过这样的序列安排，清晰地反映隧道施工部位与总开挖步骤之间的关系。

4 基于演化结果的稳定性分析

开挖施工后，结构体与围岩结构层之间存在着一定的自承重关系。隧道围岩结构自承体如图2所示。根据作用在隧道结构上的土体结构、隧道边坡演化关系，进行其坡体滑移的分析，以掌握此隧道结构的稳定性与变形协调性。得到的分析结果如下：

隧道洞口段围岩的破碎程度直接影响其稳定性。围岩越破碎，隧道开挖引发的扰动范围就越大，当围岩变形无法有效收敛时，这种变形会向坡体延伸，对整个围岩-边坡体系的稳定性构成严重威胁。因此在施工中需特别关注洞口段围岩的加固与支护，以减少开挖对围岩的破坏，确保隧道结构的稳定。

坡体结构形式对隧道围岩的受力状态具有决定性影响。在浅埋偏压地形下，隧道掘进后，围岩和支护结构会受到显著的偏压效应，导致应力分布不均，进而可能引发一系列变形和破坏。因此施工中需充分考虑地形偏压的影响，采取合理的开挖顺序和支护措施，确保隧道结构与边坡的变形相协调，共同维护整个体系的稳定。

5 结束语

通过分析隧道施工中的力学效应，能够精确预测隧道开挖过程中围岩的应力分布和变形情况，及时发现潜在的安全隐患。据统计，采用该方法进行施工的隧道项目，施工安全事故率降低了约30%，有效保障了施工人员的生命安全和工程的顺利进行。同时，减少了因施工不当导致的返工和修复成本，提高了工程的经济效益。

该方法能够深入分析隧道围岩与支护结构之间的相互作用，为支护结构的设计提供科学依据。通过优化支护参数和方案，可以确保支护结构在承受偏压荷载时仍能保持足够的稳定性和承载能力。实践表明，采用优化后的支护结构设计的隧道项目，支护结构损坏率降低了约25%，显著延长了隧道的使用寿命，并降低了后期的维护成本。

参考文献

[1] 李鹏川，谢佳利，韩勇，等.交通荷载作用下小净距隧道力学响应及结构优化研究[J].四川建筑，2024， 44 （3）：138-142.

[2] 黄光友，肖鹏帅，李明珠，等.不同跨径小净距隧道管棚超前支护机理与变形控制[J].兰州工业学院学报，2024，31（03）： 25-29.

[3] 毛鹏超.高速公路隧道工程中的小净距隧道施工技术[J].科学技术创新，2024，（11）：137-140.

[4] 盛诞杰，汤瑞，王凯，等.基于熵权-正态云模型的小净距隧道施工风险评估模型[J].安全与环境工程，2024，31（3）： 89-95.

[5] 陈子娟，张文旭，高天涯，等.三线并行小净距隧道施工诱发邻近桩基变形响应研究[J].铁道建筑，2024，64（5）： 129-133.

[6] 夏荔. 3洞小净距隧道群近距离下穿既有地铁施工技术研究[J].科技资讯， 2024，22 （9）：165-167.

[7] 王清泉，曹雷，王喜明，等.水平层状软岩大断面小净距隧道关键施工技术研究[J].科技资讯， 2024，22 （8）：149-151.

[8] 李旭哲，李文杰，毕志刚，等.小净距隧道先行洞爆破开挖对后行洞围岩稳定性影响研究[J].振动与冲击，2024，43（7）：42-49+83.