偏压隧道病害特征及其控制措施＊

李 彬

(长沙理工大学校办产业处，湖南长沙 410076)

偏压隧道病害特征及其控制措施＊

李 彬

(长沙理工大学校办产业处，湖南长沙 410076)

通过案例收集和资料统计分析，研究了造成隧道偏压的原因及偏压对隧道衬砌结构的危害，分析了应考虑偏压作用的临界埋深的影响因素及其规律，揭示了偏压控制措施的原理。结果表明:造成隧道偏压的原因有地形、地质和施工3个方面，而地形是主要因素，特别是在洞口浅埋地段;偏压使得衬砌结构和围岩受力不对称，更易发生剪切破坏和整体失稳;临界偏压埋深与隧道跨度、围岩条件、地表坡度有关，跨度越大、围岩越差、坡度越陡，则临界埋深越大;治理偏压应从减小偏压程度的角度出发，综合采取地表和洞内的控制措施，如偏压回填、偏压挡墙、预应力锚杆和半明半暗结构等。

隧道工程;偏压病害;临界埋深;控制措施

所谓隧道偏压，是指由于种种原因引起围岩压力呈明显的不对称性，从而使衬砌结构受不对称荷载的隧道。随着新一轮西部大开发的推进，山区高速公路和铁路建设进一步发展，隧道在公路和铁路工程中所占的比例也越来越高［1－4］。由于山区地形复杂多变，路线展线较为困难，因此偏压隧道等情况就难以避免，尤其在洞口段、沿溪线和傍山线中表现更为显著。

由于偏压隧道受不对称荷载，施工难度大，需对其施工技术进行研究，目前已有不少学者和工程技术人员对其展开了大量的研究［5－12］，但大都针对具体的个案，缺乏综合的统计分析。

本文主要通过案例收集和资料的统计分析，研究偏压隧道的力学特征及对隧道衬砌结构的危害，分析应考虑偏压作用的临界埋深的影响因素及其影响规律，并统计偏压隧道常采用的控制措施及其原理。

1 偏压隧道案例调研分析

在偏压隧道施工中，引起偏压的原因很多，加之地质复杂和不可预见因素很多，其控制措施没有固定模式。在“山区高速公路偏压隧道特性及控制技术研究”的项目中，通过收集的22座偏压隧道工程实例，统计分析了偏压特性、施工中出现的问题及对应的控制措施。有如下结论［13］:

(1)存在偏压的隧道一般都位于浅埋段，浅埋隧道中围岩不能形成有效的承载拱，偏压影响较大;而在深埋段，围岩能形成有效的承载拱，偏压对隧道施工影响相对较小。

(2)收集的22座偏压隧道案例中，地形偏压(地表倾角)的有19座，围岩顺层引起的偏压有3座，可见地形是造成隧道偏压的主要因素。

(3)偏压控制措施有很多种，主要可分为改善偏压条件(如偏压挡墙、反压回填等)、地表注浆加固、加强初期支护、改变施工方案、加强监控量测等。

2 偏压对隧道的影响分析

偏压对隧道的影响主要体现在衬砌结构受力、洞口边仰坡稳定及施工3个方面［13］:

(1)对衬砌结构受力的影响。由于隧道存在偏压，作用在隧道衬砌上的荷载不对称，容易导致衬砌结构剪切破坏，特别是地形和地质因素引起的偏压，对隧道结构体系影响最大。隧道洞口段衬砌裂缝大都是因偏压引起的，偏压荷载越大引起的裂缝几率就越大，裂缝走向主要为斜向裂缝和纵向裂缝。

(2)对洞口边仰坡的影响。由于偏压及隧道开挖后围岩应力释放，会导致洞口段山体变形，并发生一定水平位移;若围岩强度低，当含水量增大时极易被软化，隧道深埋侧山体会产生下滑的偏压推力，挤压浅埋侧围岩，从而导致地表多处开裂，使洞内二次衬砌变形加重，裂纹扩展;地表越陡，偏压越严重，在偏压力的作用下越容易使边坡失稳。偏压对隧道边坡的影响，特别是对特殊地质土(如软弱黄土地层、坡崩积土层、冲积块碎石土等)边坡影响更大。

(3)对施工的影响。隧道偏压情况下，对隧道的开挖方法、开挖顺序及其支护形式有很高的要求，工序复杂，技术要求高。力求避免引起隧道局部塌方，保证围岩压力相对稳定。在施工过程中必须遵循“短开挖、强支护、及时密贴、实回填、严治水、勤量测”的施工原则，必须对洞内和洞口处边坡进行现场量测，通过量测数据的分析与判断，确定围岩支护体系的稳定状态。

3 造成隧道偏压的原因调研分析

造成隧道偏压的因素主要有3个:地形因素、地质因素和工程因素。其中地形和地质属于内在因素，而施工属于外在因素［13－14］。

(1)地形因素。地面横坡较陡，隧道埋深较浅，两侧的侧压力将不均衡，且侧压力较大，隧道将承受偏压，多见于隧道洞口段或傍山隧道，地质松软，往往处于风化堆积体中，有一定的偏压规律可循，具有一定的普遍性。图1给出了通过数值模拟得到的不同埋深和不同倾角下的A值(为深埋侧拱腰轴力/浅埋侧拱腰轴力之比)和B值(为深埋侧拱脚轴力与浅埋侧拱脚轴力之比)的变化规律，从图中分析表明:倾角越大，隧道支护结构受力越不对称，偏压越严重;随埋深的增大，支护结构受力渐趋均衡，受偏压影响越小。

图1 不同倾角和埋深下A值与B值的变化规律Fig.1 Value of A and B under different slope angle and cover

(2)地质因素。主要包括2种情况，一种是围岩产状倾斜并且存在软弱结构面。在原岩状态下，由于无外力作用，尚能保持稳定，而随隧道施工的进行，围岩受到扰动，将容易发生顺层滑动;另一种情况是处于岩溶地区的隧道，由于溶洞内填塞物多为黏土、淤砂，富含水，甚至处于流塑状态，自稳能力极差，施工过程中极易引起地质性偏压。

(3)施工因素。因施工方法不当引起的偏压，有2个方面，一是因隧道施工造成局部坍塌而引起的局部偏压;二是采用CD法/CRD法及双侧壁导坑法施工，因不对称开挖而引起的施工偏压。类似情况，如处理得当，一般不会影响正常施工。

4 偏压隧道临界埋深分析

考虑隧道偏压作用的临界埋深可参照《铁路隧道设计规范》［15］，如表1，也可根据普氏理论求得的坍落拱是否于地表线相交确定。对于公路隧道，在《公路隧道设计规范》中未对偏压隧道的临界厚度做出规定，其可以参考双线铁路隧道。

从表中分析可知，考虑隧道偏压作用的临界埋深与围岩条件、隧道跨度和地表坡度有关，具体如下［13］:

(1)对于同一级围岩，考虑偏压作用的最小覆盖厚度随着地面坡度的增加而增加，即地面坡度越陡，倾角越大，则最小覆盖厚度也越大。

(2)对于同一个坡度，则考虑偏压作用的最小覆盖厚度随着围岩级别的提高而增大，即围岩越差，则最小覆盖厚度要求越大。

(3)对于同一坡度和同一围岩级别，双线隧道的最小覆盖厚度大于单线隧道的最小覆盖厚度，即隧道跨度越大，开挖面积越大，则所需的最小覆盖厚度也越大。

5 偏压隧道的控制措施

目前治理偏压隧道的措施多种多样，如在隧道洞内可采取的措施类似浅埋软弱围岩段的相关施工措施，即“短开挖，强支护，及时密贴，实回填，严治水，勤量测”的施工原则，同时，也可采取不对称的初期支护方案和不对称的开挖方法进行处理，如 CD 法，从而减小偏压的影响［13－14］，而从地表治理措施出发，主要有以下几种。

5.1 偏压回填控制技术

偏压回填是在隧道覆盖层厚度较薄，且地表倾角较小时采取的措施。通过在埋深较浅一侧的回填，使得覆盖层厚度超过临界埋深，从而减小地表倾角，减少荷载偏压的程度，特别是水平压力的偏压程度。当地表倾角较大，且隧道有整体失稳的趋势时，则必须与治理边仰坡失稳相关的抗滑措施相结合，进行综合处治。

5.2 偏压挡墙控制技术

偏压挡墙适用于地表倾角较大，偏压严重或边坡有失稳趋势的地段。利用了挡土墙的原理，即利用挡墙自身重力抵抗水平偏压荷载，同时在挡墙背后进行回填，一方面可加强对因偏压产生拱顶变形的约束，另一方面可将部分偏压直接传递给偏压挡墙。

5.3 半明半暗隧道结构控制技术

当边坡坡度较陡，覆盖层较薄，若按明洞开挖则会造成边坡的大面积刷坡，不仅破坏了原生态植被，还极易引起深埋侧边坡坍塌，此类情况下，可以考虑采用半明半暗的隧道结构，明挖侧的结构也是利用了挡土墙的作用机理，同时在隧道拱顶进行回填。

表1 考虑偏压作用时的隧道外侧拱肩山体厚度tTable 1 Critical cover depth considering unsymmetrical pressure m

5.4 预应力锚杆控制技术

在偏压隧道施工中，预应力锚杆不但起到抗滑作用，同时可加固软弱围岩，加强薄板状或不牢固的岩体，从而改善岩体的稳定性。值得注意的是，预应力锚杆长度一般要贯穿隧道边坡失稳的滑裂面才能有效发挥其作用，且其一般也要与别的偏压措施联合使用。

5.5 地表注浆加固控制技术

地表注浆加固的目的是提高围岩的力学性能和整体稳定性，从而有效地减小隧道的偏压程度。其通常也是要和其他偏压控制措施联合使用，如偏压挡墙、偏压回填等。

6 结论

(1)造成隧道偏压的原因有地形因素、地质因素和施工因素，其中地形因素是主要的，特别是在洞口浅埋段;地质因素分为岩层顺层偏压和隧道一侧存在空洞(如溶洞)引起的偏压;施工因素为局部坍方和不对称施工引起的偏压。

(2)偏压对隧道的影响体现在支护结构、洞口边坡和施工3个方面:偏压情况下，支护结构上的荷载不均匀，容易导致剪切破坏;洞口段边坡会发生一定水平位移，如果围岩条件差、遇降水的情况，边坡容易出现裂纹及整体失稳。

(3)应考虑偏压作用的临界偏压厚度与围岩级别、地表坡度和开挖跨度有关:对于同一级围岩，坡度越陡，临界偏压厚度越大;对于同一个坡度，围岩越差，临界偏压厚度越大;隧道跨度越大，开挖面积越大，则临界偏压厚度也越大。

(4)治理偏压隧道的措施多种多样，对于地表可采取偏压挡墙、偏压回填、预应力锚杆、地表注浆和半明半暗结构;对于隧道洞内采取的措施可参考浅埋软弱围岩段的，即“短开挖，强支护，及时密贴，实回填，严治水，勤量测”的施工原则，同时，也可采取不对称的初期支护方案和不对称的开挖方法进行处理，如CD法，从而减小偏压的影响。

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Study on disease characteristics of unsymmetrcial pressure tunnel and its control measures

LI Bin

(School－ run Industry Department，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China)

Through cases collection and statistical analysis，causes and hazards of unsymmetrical pressure tunnel were studied.Influence factors of critical depth of unsymmetrical pressure tunnel were analyzed as well as principle of control measures.Results show that causes of unsymmetrical pressure tunnel are terrain，geology and construction.The terrain is major factor，especially in shallow cover section of tunnel entrance.It is more susceptible to occur shear failure and overall unstable failure due to unsymmetrical pressure acting on lining and surrounding rock.Critical depth is proportional to rock condition，tunnel span and surface gradient.In view of reducing degree of bias，comprehensive measures are taken both on ground surface and inside tunnel，such as backfill bias，bias retaining walls，pre －stressed anchor and half－light structure.

tunnel engineering;unsymmetrical pressure disease;critical depth;control measures

U457.2

A

1672－7029(2011)06－0059－05

2011－10－27

铁道部科技研究开发计划重大课题(2009G005－E;2008G025－C);湖南省研究生创新基金项目(CX2010B094)

李 彬(1964－)，男，湖南邵阳人，高级工程师，从事土木工程施工与管理方面的工作