許明賢， 葉施虎

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092)

0 引言

靖那高速公路坡荷隧道位于廣西省百色市境內(nèi)，為雙幅四車道分離式隧道.隧道左幅樁號(hào)為ZK63+235～ZK65+465，全長(zhǎng)2230m;右幅樁號(hào)為K63+216～K65+480，全長(zhǎng)2264m.坡荷隧道區(qū)地貌屬構(gòu)造、剝蝕低山及巖溶峰林地貌，地面標(biāo)高1077.00～1346.00m，地形起伏較大.隧道進(jìn)口位于斜坡坡腳處第四系全新統(tǒng)風(fēng)化層(Qcol4)中，主要為雜色碎石土，碎石成分為頁(yè)巖，少量粘土充填［1］.

隧道洞身段襯砌均按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌，即以錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、工字鋼拱架、格柵鋼拱架等為初期支護(hù)，超前注漿小導(dǎo)管、超前錨桿等為施工輔助措施，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，在監(jiān)控量測(cè)信息的指導(dǎo)下施作初期支護(hù)和二次襯砌.

一般當(dāng)?shù)乇韮A斜，埋深小于2.5倍坍落拱高度的隧道，簡(jiǎn)稱淺埋偏壓隧道，如傍山隧道［2－3］.

加強(qiáng)隧道施工全過(guò)程的監(jiān)控量測(cè)，有利于施工方及時(shí)掌握圍巖與支護(hù)動(dòng)態(tài)，確保施工過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定與支護(hù)安全，為二襯施工提供合理時(shí)機(jī)與支護(hù)參數(shù)［2－3］;同時(shí)監(jiān)控量測(cè)信息能有效地反映支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工方法的合理性，并為設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化、施工工藝的調(diào)整提供最直接的依據(jù)［4－5］.

本文選取隧道左線進(jìn)口端洞口處的典型斷面，采用數(shù)值模擬方法分析淺埋、偏壓條件下隧道施工過(guò)程中拱頂圍巖變形的基本特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際處理措施，為相關(guān)工程提供有利借鑒.

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)嗝娴牟荚O(shè)與監(jiān)測(cè)結(jié)果

整個(gè)隧道施工過(guò)程中，拱頂下沉與周邊收斂量測(cè)都屬于監(jiān)測(cè)方案中的必測(cè)項(xiàng)目.拱頂下沉量測(cè)和圍巖周邊收斂量測(cè)依舊采用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，具體實(shí)施過(guò)程如文獻(xiàn)［6］所述，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在隧道開(kāi)挖后毛洞的拱頂(A點(diǎn))及軸線左右各2m處(B、C點(diǎn))及隧道腰部左右(B、C點(diǎn))，布設(shè)如圖1所示.

圖1 觀測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

隧道進(jìn)口段連續(xù)的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面依次是:ZK63+252、ZK63+256、ZK63+262 斷面，相比較而言本次監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)密度較高，并在此監(jiān)測(cè)斷面上同時(shí)進(jìn)行了拱頂下沉與周邊收斂量測(cè)的測(cè)控點(diǎn)，其目的是更準(zhǔn)確地反映洞口段圍巖開(kāi)挖過(guò)程中的變形特征，并及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息指導(dǎo)安全施工.

洞口段詳細(xì)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［6］如圖2，需要指出的是本組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映的結(jié)果與類似工程具有以下不同之處［1］:

圖2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)曲線

1)本洞口段整個(gè)觀測(cè)過(guò)程歷時(shí)3個(gè)月之多但在觀測(cè)期內(nèi)隧道掘進(jìn)工作幾乎處于停滯狀態(tài)，且洞內(nèi)圍巖長(zhǎng)期受到鄰近施工活動(dòng)、自然因素的影響;

2)洞室偏壓變形較類似工程更加明顯，具體表現(xiàn)為拱頂下沉和周邊收斂觀測(cè)值絕對(duì)值總體上較大，沉降和收斂速率明顯較高，最大拱頂下沉速率達(dá)到42mm/d;

3)整體監(jiān)測(cè)曲線表現(xiàn)出突變性特征，即在某一監(jiān)測(cè)日期處，監(jiān)測(cè)曲線同時(shí)出現(xiàn)為沉降、收斂值的突然增大.此種現(xiàn)象是在內(nèi)因和外因聯(lián)合作用下的結(jié)果，也是圍巖長(zhǎng)期變形效應(yīng)的突然性釋放.

4)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為不能進(jìn)行合適的擬合.即使采用突變點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所得擬合函數(shù)的表達(dá)形式也與理論和其他工程實(shí)踐差距較大.

總體上分析得出該監(jiān)測(cè)段處于持續(xù)的偏壓變形階段，并對(duì)外界影響因素具有較強(qiáng)的響應(yīng).

與鄰近地區(qū)公路隧道工程相比本隧道開(kāi)挖斷面較大，最大開(kāi)挖直徑近13m;洞口整體處于山坡邊緣，主要因地形原因造成偏壓;地質(zhì)條件較差，位于松散堆積層內(nèi).總之，該隧道地質(zhì)條件差，洞體受力變形效應(yīng)復(fù)雜，有必要進(jìn)行更深入的分析.

2 隧道施工的有限元模擬

為了進(jìn)一步分析隧道受偏壓作用時(shí)圍巖受力與變形規(guī)律，利用有限元方法對(duì)典型偏壓段的施工過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬.

2.1 有限元模型的建立

(1)基本假設(shè)

對(duì)有限元分析模型做了如下的基本假設(shè):①將隧道圍巖受力與變形視為平面問(wèn)題加以研究;②隧道偏壓段圍巖為各向同性、均勻的彈性連續(xù)介質(zhì).

(2)主要參數(shù)

數(shù)值模擬時(shí)，圍巖采用摩爾庫(kù)倫模型，二次襯砌采用理想彈性模型.根據(jù)隧道地質(zhì)勘查資料以及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70－2004，隧道圍巖為灰?guī)r、二次襯砌采用C40混凝土，材料參數(shù)如表1所示.

表1 模型材料參數(shù)

(3)模型的建立

隧道地表橫向坡度約為26°，斷面為三心圓曲墻式，最大開(kāi)挖直徑為12.86m.有限元計(jì)算模型的水平寬度取為隧道跨度的4.5倍，垂直高度是從計(jì)算模型的地表至下部邊界，取跨度的3.8倍;已知邊界條件均取為位移約束，上部邊界取至地表，為自由邊界，左右為水平位移約束邊界，下部為水平和豎直位移約束邊界.

單元?jiǎng)澐衷诒ＷC精度的條件下，按盡量減少單元數(shù)量的原則進(jìn)行.對(duì)隧道周圍圍巖加固區(qū)做了細(xì)化，以便更詳細(xì)模擬該區(qū)位移和應(yīng)力，有限元計(jì)算模型以及建模完成后的網(wǎng)格劃分如下圖3，4所示

圖3 有限元計(jì)算模型

圖4 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

2.2 有限元計(jì)算分析

本文基于未施加二次襯砌和施加了二次襯砌兩種情況對(duì)比分析隧道開(kāi)挖后圍巖的位移和受力規(guī)律.首先進(jìn)行未施加二次襯砌條件下的模擬結(jié)果分析:

圖5 水平位移計(jì)算云圖

圖6 豎直位移計(jì)算云圖

(1)地層豎向位移和水平位移

根據(jù)圖5水平位移計(jì)算云圖和圖6豎直位移計(jì)算云圖可知，隧道開(kāi)挖后圍巖均偏向于卸載臨空面移動(dòng)，但水平位移和豎直位移的變化規(guī)律不同.

隧道地層最大豎向位移偏離了隧道中線，出現(xiàn)在左側(cè)拱肩部位，最大值約為60.6mm.地層水平位移較大的區(qū)域發(fā)生在距隧道軸線斜上方約45°地表和右側(cè)拱腳部位，其中地表處向臨空面最大水平位移為16.2mm，右側(cè)拱腳部位向臨空面的最大 水平為33.6mm.

圖7 拱頂各點(diǎn)豎向位移模擬曲線

圖7 為拱頂各點(diǎn)豎向位移模擬曲線.表明隨著開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)行，拱頂各點(diǎn)的位移在持續(xù)累積增長(zhǎng)，最終中間測(cè)點(diǎn)的位移量最大，右測(cè)點(diǎn)的位移量最小.計(jì)算結(jié)果中未反映初期支護(hù)對(duì)于圍巖穩(wěn)定性的影響，也不考慮降雨等外界因素的影響，這與參考文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)曲線特征不能完全吻合，但該計(jì)算曲線明確反映了圍巖位移的增長(zhǎng)規(guī)律.

從水平位移的分布規(guī)律來(lái)看，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道斜上方位置的地表土可能會(huì)產(chǎn)生沿隧道軸向的縱向開(kāi)裂現(xiàn)象，該處地表區(qū)域同時(shí)對(duì)應(yīng)豎向位移最大區(qū)域，有可能出現(xiàn)向下沉陷現(xiàn)象，因此施工中需加強(qiáng)管理，特別是避免地表水滲入致使圍巖軟化，造成隧道位移失控和引起邊坡失穩(wěn).

(2)圍巖屈服程度

從圖8圍巖塑性區(qū)分布云圖可以看出，開(kāi)挖結(jié)束后，圍巖僅在局部位置(右側(cè)拱腳、左側(cè)拱肩邊坡坡腳)發(fā)生和接近屈服現(xiàn)象，而且塑性屈服區(qū)域明顯沿著左側(cè)拱肩豎直向地表延伸直至形成貫穿區(qū)域.說(shuō)明在計(jì)算條件下，若有針對(duì)性地采取措施可以保障施工洞室穩(wěn)定.

(3)圍巖內(nèi)力分布

圖9反應(yīng)隧道開(kāi)挖后圍巖中的最大主應(yīng)力分布情況.可見(jiàn)洞室開(kāi)挖后，拱頂?shù)恼戏胶拖路骄霈F(xiàn)較大范圍的受拉區(qū)域，拱頂正上方的受拉區(qū)域貫穿至地表后沿著整個(gè)邊坡表面延伸，坡頂受拉明顯.

圖8 圍巖塑性區(qū)分布圖

圖9 圍巖主應(yīng)力分布圖

為加強(qiáng)對(duì)比分析本文同時(shí)建立了考慮二次襯砌效應(yīng)的模型.同樣從施加襯砌后圍巖的水平向位移和豎直向位移、圍巖內(nèi)力的角度分析隧道位移的變形與受力特征，同時(shí)進(jìn)一步分析了襯砌自身的變化特性.具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行比較分析:

1)圍巖位移變化.施加了襯砌后圍巖的水平位移較大值出現(xiàn)的位置產(chǎn)生了變化，集中在二襯拱腳局部點(diǎn)位，兩側(cè)呈對(duì)稱分布，位移幅度減小為14mm.顯著小于未施加襯砌時(shí)右側(cè)拱腳部位向臨空面的最大水平為33.6mm.施加了襯砌后圍巖的豎直位移也呈現(xiàn)出對(duì)稱分布形態(tài)，位移幅值僅為23mm.分析可知襯砌對(duì)圍巖位移的發(fā)生區(qū)域以及產(chǎn)生位移的程度具有顯著的影響.

2)圍巖塑性區(qū).施加了襯砌后左右兩側(cè)圍巖的塑性區(qū)面積顯著減小，左側(cè)塑性區(qū)僅出現(xiàn)在二襯和圍巖接觸處的拱腳局部位置，向上并未延伸到地表.

圖10 襯砌的應(yīng)力云圖

3)圍巖與襯砌主應(yīng)力.襯砌及時(shí)施加后，圍巖內(nèi)未見(jiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)，更未見(jiàn)拉應(yīng)力區(qū)從洞體內(nèi)側(cè)貫穿至地表，僅在坡頂部位至洞體正上方這一局部區(qū)域分布因局部擾動(dòng)造成的拉應(yīng)力區(qū).襯砌的應(yīng)力云圖如圖10所示.由圖可見(jiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力呈不對(duì)稱分布.左側(cè)襯砌外側(cè)受拉，拉應(yīng)力分布區(qū)主要位于拱肩部位，最大拉應(yīng)力達(dá)到2.5MPa，同時(shí)該部位襯砌內(nèi)側(cè)受壓，最大壓應(yīng)力達(dá)到5.0MPa，根據(jù)鋼筋混凝土的承載特性，支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的;右側(cè)襯砌的端部受力特性與左側(cè)拱肩處相反，表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受到拉應(yīng)力，外側(cè)受壓，但受力程度較左側(cè)偏低.

不論支撐施加與否，隧道開(kāi)挖后拱頂圍巖失去支撐、隧道底部圍巖回彈并抵抗周圍巖體向隧道底部滑移，引起隧道底部出現(xiàn)了較大隆起與拉應(yīng)力分布區(qū).在施工過(guò)程中也應(yīng)重視回彈效應(yīng)對(duì)整體隧道穩(wěn)定性的影響.

3 結(jié)論與建議

(1)本隧道工程洞室開(kāi)挖后拱頂位移、應(yīng)力在隧道左右兩側(cè)均呈現(xiàn)不對(duì)稱分布形態(tài)，偏壓影響明顯;在施加了二次襯砌后，整體圍巖的變形規(guī)律也發(fā)生了較明顯的改變，并且襯砌自身的受力與變形能更好地解釋偏壓隧道的力學(xué)響應(yīng)特征.

(2)在隧道施工過(guò)程中，隧道斜上方位置的地表土可能會(huì)產(chǎn)生沿隧道軸向的縱向開(kāi)裂現(xiàn)象并出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象.

(3)數(shù)值模型中不能很好地反映降雨等外界因素對(duì)圍巖的影響.對(duì)于此類因素出現(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)采取加強(qiáng)監(jiān)測(cè)量測(cè)等方法加以應(yīng)對(duì).

(4)襯砌，包括超前支護(hù)、初期襯砌的施加能加強(qiáng)隧道洞室的穩(wěn)定性，對(duì)保證施工安全與工程的順利完成意義明顯.

［1］《靖那高速設(shè)計(jì)說(shuō)明》，2008.

［2］張守成.雅瀘高速公路某隧道偏壓段數(shù)值模擬及監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究［D］.成都:西南石油大學(xué)，2010.

［3］楊小禮，眭志榮.圍巖中偏壓隧道的剪脹特性研究.巖土力學(xué)，28(1).

［4］石效民，鄧洪亮等.淺埋偏壓隧道施工過(guò)程圍巖應(yīng)力變化規(guī)律研究［J］.施工技術(shù)，2011，40(3):57 －59.

［5］劉曉敏.山區(qū)大跨度偏壓隧道軟弱圍巖移動(dòng)變形力學(xué)效應(yīng)分析［D］.保定:河北大學(xué)，2010.

［6］葉施虎.淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工監(jiān)測(cè)分析與處理［J］.上海國(guó)土資源，2012，33(1):83 －86.