邱明明，楊果林，張沛然，段君義

(1.延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西延安716000；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，地形地質(zhì)條件復(fù)雜的長大公路隧道不斷涌現(xiàn)，其中地形偏壓隧道是洞口淺埋段常常出現(xiàn)的情況。由于洞口非對稱地形分布和淺埋破碎圍巖賦存條件，連拱隧道開挖卸荷過程中極易誘發(fā)圍巖大變形、中墻壓裂、斜坡失穩(wěn)或支護結(jié)構(gòu)侵限等病害[1-3]。因此，地形偏壓作用下破碎圍巖連拱隧道施工力學(xué)研究仍有必要深入研究。

針對淺埋偏壓隧道施工力學(xué)問題，諸多學(xué)者已開展了一定的研究工作，也取得了較多有益的研究成果。李明等[4]分析了臺階法和預(yù)留核心土法施工對破碎圍巖偏壓隧道應(yīng)力與變形的影響規(guī)律。雷明鋒等[5]借助縮尺物理模型試驗對淺埋偏壓隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律進行了研究，并給出了襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的破壞機制。徐前衛(wèi)等[6]建立了三維淺埋偏壓隧道數(shù)值計算模型，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)對比分析了隧道施工對圍巖和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。王亞瓊等[7]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，研究了淺埋偏壓連拱隧道非對稱支護結(jié)構(gòu)的受力特性。潘龍等[8]借助現(xiàn)場測試手段對淺埋偏壓連拱隧道受力和變形機制進行了對比分析。王海強等[9]采用數(shù)值模擬方法對不同開挖順序條件下偏壓連拱隧道圍巖及中隔墻應(yīng)力和變形規(guī)律進行了研究。趙金鵬等[10]對不同施工方案條件下軟弱圍巖淺埋偏壓連拱隧道初期支護結(jié)構(gòu)受力和變形特征進行了研究。來弘鵬[11]、鄭明新等[12]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗方法，對注漿加固淺埋偏壓隧道破碎圍巖處治效果進行了研究。

上述研究成果表明，地形偏壓導(dǎo)致隧道遭受非對稱荷載，是引起圍巖和支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形和破壞的不利因素。鑒于此，本文以某高速公路隧道工程為研究對象，建立連拱隧道破碎圍巖-結(jié)構(gòu)有限元計算模型，研究破碎巖質(zhì)斜坡下淺埋連拱隧道施工力學(xué)響應(yīng)特征，并分析加固處治措施和開挖順序?qū)λ淼绹鷰r、中隔墻和初期支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移的影響規(guī)律，以期為同類地形地質(zhì)隧道工程設(shè)計與施工提供科學(xué)參考。

1 工程背景及數(shù)值計算模型

1.1 依托工程概況

某Ⅰ級公路隧道工程，設(shè)計行車速度為60 km/h，總長230.20 m，隧道內(nèi)輪廓(寬高)為10.50 m×8.50 m，采用雙連拱隧道方案，斷面形式為三心圓。隧道上覆巖土體厚度約為1.5～63.0 m，該隧道區(qū)屬低山丘陵地貌，地形起伏較大。隧道進、出口均處于山前斜坡地帶，山體自然坡度45°～55°，地表主要為殘、坡積成因的粉質(zhì)黏土及少量碎石土，不均勻分布于隧道山體，坡體穩(wěn)定性較差。隧道穿越地層類型主要包括，①粉質(zhì)黏土(Q4el)：灰黃色，硬塑，稍濕，含約20%的強風(fēng)化巖碎石、塊石，為基巖風(fēng)化殘積形成，該層分布于隧址區(qū)斜坡地段，層厚約2.5～4.8 m。②風(fēng)化粉砂巖(S1lr)：灰黃色、灰綠色，中～薄層狀泥質(zhì)粉砂巖夾砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈破碎塊狀，巖質(zhì)較軟、巖體破碎，厚度約2.8～11.1 m。③風(fēng)化頁巖(S2lr)：灰黃色、灰色，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖質(zhì)極軟、巖體破碎，巖芯多呈片塊狀，遇水易軟化，該層較廣泛分布于隧址區(qū)，鉆孔揭露層厚為2.1～8.2 m。④頁巖破碎帶：灰色泥質(zhì)夾碎裂狀頁巖巖塊、頁巖角礫，水鉆巖芯少，巖芯多呈砂狀，個別破碎狀；干鉆呈土狀，夾巖石碎屑、角礫，厚度約3.8 m。

隧道支護系統(tǒng)采用柔性支護體系的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護由系統(tǒng)錨桿(Φ25 mm，@800 mm×500 mm(環(huán)向縱向)，長度4.0 m)、鋼筋網(wǎng)(Φ8 mm，@200 mm×200 mm)、型鋼拱架(I20 a，@500 mm)、噴射混凝土(C25，厚度260 mm)等組成，二次襯砌為模筑鋼筋砼結(jié)構(gòu)(C 35/P8，厚度600 mm，帶仰拱)，初期支護與二襯之間采用1.5 mm厚EVA復(fù)合防水板與無紡?fù)凉げ甲鳛榉浪Y(jié)構(gòu)層，襯砌斷面型式為曲墻帶仰拱襯砌。其中，曲中墻為變截面鋼筋砼結(jié)構(gòu)，墻厚1.05～3.00 m，高6.21 m；隧道洞口段采用超前大管棚(Φ108×6 mm鋼花管，@ 400mm，長度40 m，插入角3.0°)和超前小導(dǎo)管(Φ42×4 mm鋼管，@400 mm，長度5.0 m，插入角20.0°)共同組成超前支護系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 雙連拱隧道復(fù)合式襯砌支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

1.2 隧道計算模型

根據(jù)擬建隧道場地詳勘報告及設(shè)計資料，隧道跨度25.37 m，高度10.42 m，覆土厚度1.5～63.0 m?？紤]土體的無限性及隧道開挖擾動影響范圍，取平行隧道橫向為X軸、豎向為Z軸，坐標原點為隧道中心點，建立連拱隧道破碎圍巖-曲中墻-支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)數(shù)值計算模型，模型上表面為地表，下邊界取距原點20.0 m，左、右邊界取距原點50.0 m，所建立的模型尺寸高(Z)×寬(X)為60 m×100 m，如圖2所示。該模型上表面為自由邊界，側(cè)面限制水平位移，底面限制水平和豎直位移。在數(shù)值模擬計算中，巖土體、注漿加固體和二次襯砌采用實體單元模擬，巖土體材料采用各向同性彈塑性Mohr-Coulomb本構(gòu)模型；初期支護結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)單元模擬，初期支護、二次襯砌采用線彈性本構(gòu)模型，各材料主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)詳見表1。隧道施工采用三導(dǎo)洞法，依次進行中導(dǎo)洞、中墻、右洞開挖與支護、左洞開挖與支護施工。

圖2 數(shù)值計算模型

表1 材料主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2 計算結(jié)果對比與分析

為考慮開挖順序與加固措施對偏壓連拱隧道施工力學(xué)的影響，分別設(shè)置3種工況進行計算分析，依次為工況A：先右洞后左洞開挖，不做加固處理，見圖3(a)；工況B：先右洞后左洞開挖，斜坡與隧底圍巖注漿加固，見圖3(b)；工況C：先右洞后左洞開挖，斜坡與隧底圍巖注漿加固，見圖3(c)。

圖3 偏壓連拱隧道施工方案

2.1 圍巖位移場分布規(guī)律

圖4為不同工況下隧道圍巖水平位移分布規(guī)律。圖5為不同工況下隧道圍巖豎向位移分布規(guī)律。由圖可得，圍巖水平和豎向位移均呈非對稱分布，深埋側(cè)圍巖變形大于淺埋側(cè)；斜坡左上方為水平位移敏感區(qū)，工況A、B、C條件下邊坡坡面最大水平位移依次為9.40、2.20、2.54 mm，工況B、C約為工況A的23.4%、27.0%；深埋側(cè)隧道拱腳水平位移較大，其大小依次-8.27、-2.64、-2.89 mm，工況B、C約為工況A的31.9%、35.0%，且工況B和工況C條件下淺埋側(cè)隧道右拱腳水平位移相對工況A不顯著；拱頂表現(xiàn)為沉降，隧道底部表現(xiàn)為隆起，采取加固措施后圍巖變形減小明顯。由此說明，合理的加固措施和開挖順序能有效降低隧道施工變形，以保證偏壓連拱隧道施工期間圍巖穩(wěn)定。

2.2 中墻應(yīng)力場分布規(guī)律

圖6為不同工況下隧道中墻水平應(yīng)力分布規(guī)律。圖7為不同工況下隧道中墻豎向應(yīng)力分布規(guī)律。由圖可得，工況A、B、C條件下中墻墻腳水平應(yīng)力均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大值依次為-5.46、-4.10、-4.22 MPa(受拉為正，受壓為負)；工況A、B、C條件下中墻墻身豎向應(yīng)力呈非對稱分布，其最大值依次為-4.29、-3.60、-4.40 MPa；工況A中墻墻身左側(cè)(埋深較大側(cè))受壓明顯，而工況B中墻墻身應(yīng)力分布相對均勻，且工況B中墻墻身最大水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力較工況A分別減小了24.91%、16.08%，說明加固地形偏壓圍巖對降低中墻應(yīng)力水平具有積極作用；工況C與工況B相比，中墻墻身最大水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分別增加了2.93%、22.22%，工況C中墻墻身左側(cè)偏壓作用加劇，說明連拱隧道開挖順序?qū)χ袎?yīng)力分布影響顯著，且宜優(yōu)先進行地形偏壓淺埋側(cè)隧道施工。

圖4 不同工況下隧道圍巖水平位移分布規(guī)律(單位：mm)

圖5 不同工況下隧道圍巖豎向位移分布規(guī)律(單位：mm)

圖6 不同工況下隧道中墻水平應(yīng)力分布規(guī)律(單位：MPa)

圖7 不同工況下隧道中墻豎向應(yīng)力分布規(guī)律(單位：MPa)

2.3 初期支護位移分布規(guī)律

圖8為不同工況下隧道初期支護結(jié)構(gòu)位移分布規(guī)律。由圖可得，初期支護結(jié)構(gòu)位移呈非對稱曲線分布，拱腳位置水平位移較大，左右兩側(cè)位移方向相反；工況A、B、C條件下拱頂沉降變形依次為-14.64、-3.40、-3.73 mm，隧底隆起變形依次為19.23、6.72、6.85 mm，見表2；工況B與工況A相比，拱頂沉降減小了76.78%，隧底隆起減小了65.05%；工況C與工況B相比，拱頂沉降增加了9.71%，隧底隆起增加了1.93%。由此說明，從控制隧道初期支護結(jié)構(gòu)位移角度，對洞口段地形偏壓破碎圍巖采取加固處治措施是有必要的，且采取加固措施后開挖順序?qū)Τ跗谥ёo變形仍有一定影響。因此，在工程施工過程中，應(yīng)重視地形偏壓和開挖順序?qū)λ淼朗芰妥冃蔚挠绊懀员苊馑淼朗┕ふT發(fā)圍巖和結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形、壓裂或侵限等災(zāi)害。

圖8 不同工況下隧道初期支護結(jié)構(gòu)位移分布規(guī)律

表2 不同工況下隧道初期支護結(jié)構(gòu)位移對比

3 結(jié)論

(1)偏壓連拱隧道圍巖水平和豎向位移均呈非對稱分布，深埋側(cè)圍巖變形大于淺埋側(cè)；斜坡左上方為水平位移敏感區(qū)，拱頂表現(xiàn)為沉降變形，隧底表現(xiàn)為隆起變形；從控制圍巖位移角度，斜坡與隧底破碎圍巖注漿加固處治效果顯著。

(2)中墻墻腳處出現(xiàn)水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，墻身豎向應(yīng)力呈非對稱分布，深埋側(cè)偏壓作用顯著；工況B中墻墻身最大水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力較工況A分別減小了24.91%、16.08%，工況C中墻墻身最大水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力較工況B分別增加了2.93%、22.22%；加固地形偏壓破碎圍巖對降低中墻應(yīng)力水平具有積極作用，且宜優(yōu)先進行地形偏壓淺埋側(cè)隧道施工。

(3)初期支護結(jié)構(gòu)位移呈非對稱曲線分布，拱腳位置處水平位移量較大，左右兩側(cè)位移方向相反；工況B拱頂沉降和隧底隆起變形較工況A分別減小了76.78%、65.05%，工況C拱頂沉降和隧底隆起變形較工況B分別增加了9.71、1.93%；建議在工程施工過程中，應(yīng)重視地形偏壓對連拱隧道受力和變形的影響，并采取合理的加固處治措施和施工方案，以避免隧道開挖誘發(fā)圍巖和結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形、壓裂或侵限等災(zāi)害。