不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应探索

柴喜林

中铁隧道集团杭州公司

不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应探索

柴喜林

中铁隧道集团杭州公司

隧道施工会破坏地质岩层结构的稳定性，致使覆盖层的围岩稳定性变差，引起隧道坍塌。所以为了避免隧道坍塌造成施工事故，施工中的力学效应就变得极为讲究。尤其是在不同地质条件下，对于浅埋偏压小净距隧道的施工力学也颇为不同。本文围绕了隧道偏影响因素和不同地质条件下隧道施工的力学特性进行了简要分析，希望对隧道施工的安全防护工作有所帮助。

隧道偏压；小净距隧道；围岩；浅埋；地质条件

小净距隧道施工由于围岩覆盖层稳定性差和地形偏压等环境影响，其工序复杂且危险性高，稍有不慎就会造成隧道坍塌。实际上，这种危险性更来源于地形的不对称亦或是地质岩层不同的原因。

一、隧道偏压

（一）隧道地形偏压

首先要了解隧道地形偏压主要由两种，一种是稳定地形偏压，这种情况下的偏压谐波不存在运动趋势和地层蠕变。但是如果它的围岩级别很差，有很大坡度时，隧道的荷载偏压就会增加，这种情况一般发生在隧道傍山处的浅埋地段。

还有一种叫做蠕变偏压。它是在傍山斜坡位置发生了蠕变位移从而产生偏压。蠕变偏压的不确定因素是它的滑坡滑动面不确定，在遇到坡面土体开挖、河流冲刷和水位降低等情况，因为其地形陡峭的原因都可能形成严重的偏压。如图1.

图1 坡面蠕动可能引起的隧道偏压示意图

（二）施工引起的偏压

在了解了地形偏压后，就可以大概明确如果在隧道施工中采取了不妥当的施工方法就可能导致施工过程中的隧道断面甚至局部坍塌。这是因为当施工过程触动和破坏了围岩岩层的结构稳定性后，围岩的应力相对稳定性改变，其应力被迫集中而引起了隧道偏压。在小净距的隧道施工中，隧道施工由于不能确保完全同步，其两边的衬砌受力也会不对称，结合半硬半软岩层的特点，偏压现象有很大可能出现。

二、浅埋偏压小净距隧道

（一）内涵和特点

小净距隧道不同于分离式隧道和连拱式隧道，它的结构介于两者之间，相比于两种隧道，它拥有占地少、连线难度小等特点，而且施工工期短，是隧道施工中比较常见的隧道类型。

（二）施工特点

浅埋偏压小净距隧道在施工中有许多特点，要引起注意。

首先此类型隧道的上覆盖土层很浅，且经过了长期的围岩风化，承载能力不容乐观。所以在进行拱桥隧洞设计时很难做成压力拱。隧道在施工开挖就会对其地表和洞顶围岩造成一定的伤害。

其次，这种隧道一般都位于强偏压地带，而且伴随着蠕动偏压所造成的边坡稳定性不足。如果其坡体的稳定性被破坏，就会出现山体滑坡也会将隧洞堵住造成事故。这种坡体滑动所造成的衬砌结构偏压荷载，会直接致使隧道的支护结构被破坏。

（三）浅埋偏压小净距隧道围岩压力的计算

目前的隧道围岩压力计算还处于数值模拟、模型试验和现场测试的阶段。所以根据浅埋偏压小净距隧道的围岩压力特征，专家提出了在偏压条件下单洞隧道的围岩压力计算方法。

公式中，Q是垂直总压力，h1是内侧拱顶水平面距离地表的高度，h2是外侧拱顶水平面距离地表的高度，B是隧洞的跨度，r是围岩的重度，θ是两侧土注内的摩擦角，λ和λ’是内外侧的偏压侧压力系数。所以得出围岩侧压力为：

λ=1/tanβ-tanαx tanβ-tanゆc/1+tanβc-(tanゆc-tanθ)+tanゆctanθ

公式中α为地形偏压角度，ゆc是围岩的计算摩擦角，β为外侧产生最大推力时的破裂角。

根据计算结论得出，在埋深一定的情况下，隧道的侧压力系数会随着两洞间距的增加而增大。如果地形偏压角度增加，侧压力的系数会变小。而在浅埋偏压小净距隧道外侧的围岩压力相差比较大的时候，就说明在这时开挖小净距隧道会产生较明显的偏压现象，这时施工就应该注意安全保护措施。

三、不同地质条件下的偏压施工力学分析

本文对浅埋小净距的隧道进行了不同地质条件下偏压角度的力学特征分析。如果考虑3种地表坡度α分别为0°、20°、40°，浅埋侧埋的固定深度为10m，隧道的左右水平净距离为15m。

（一）隧洞中围岩的屈服度

在地形偏压为无偏压（即0°）、20°、40°三种情况下，小净距偏压隧道施工可能会引起隧洞的围岩屈服特征如图2、3、4.

图2 隧道无偏压围岩屈服度

图3 隧道20°围岩屈服度

图4 隧道40°围岩屈服度

在地形偏压为无偏压（0°）的情况下，隧道洞口左右距离的屈服度其最大值是η=0.63，它们出现在左右洞的拱脚和边墙处。但是它的中心岩柱的屈服接近度很小，仅有0.3。不过总的看来在无偏压条件下的隧道围岩无论是两侧还是中间岩柱的受力状态和稳定性都是最好的。

当地形偏压坡度在20°的时候，隧洞中的深埋侧边隧道围岩屈服度。它的屈服度η＞0.5，其分布范围是明显大于浅埋测的，所以偏压现象也比较明显。它的最大屈服度出现在边墙、拱脚和墙脚处，最大屈服度达到了0.85，比平坡提高了30%。中间岩柱和上下去的最大连接屈服度也比平坡有大幅增长，η=0.58。所以在偏压20°的时候，中间岩柱和围岩等受力状态较之前增大且稳定性有下降趋势，整体稳定性一般。

当偏压坡度达到40°的时候，小净距隧道表现出了明显的偏压。其中它的深埋围岩屈服接近度达到了最大η=1。而且η＞0.8的分布范围激光，在隧道围岩的各个部位包括顶层、底部都出现了η＞0.8的情况。它的最大屈服度在隧道的拱脚、边墙和墙脚处都接近0.99。比平坡时大幅提高了80%以上。中间岩柱上下去的最大连接屈服度也显现出明显的偏压，最高达到0.9。所以当偏压达到40°时，围岩和中间岩柱的受力状态表现出极差的稳定性，需要引起施工的强烈注意。

在浅埋小净距隧道偏压值大于20°后，偏压隧道的深埋侧边墙处和浅埋侧靠近岩柱边的拱腰和边腰出η值较大，所以此区域就会产生塑性区；而随着地形偏压的加剧，深埋侧边墙的围岩屈服度就会快速增大，并且会向拱脚与墙脚处延伸，最终形成连通区域。这些区域的塑性区面积增加越多，浅埋侧增长值增长越缓慢。另外，偏压角的增加，小净距隧道中间岩柱的最大联通围岩屈服度增幅也会越明显，它贯通区域面积增幅也会愈大。所以浅埋侧拱腰与深埋侧墙脚处是浅埋偏压隧道施工整个过程的最薄弱环节，容易出现不稳等问题。要注意安保措施。

总结：

通过对不同地质条件和偏压角度下浅埋偏压小净距隧道的围岩和中间岩柱的测试发现，其围岩屈服接近度的不同会给隧洞岩层和山坡带来不同程度的偏压现象，这种偏压现象越大，对施工的力学效应和难度也就越大，危险性也越大。浅埋洞中夹岩测拱脚、深埋洞两侧的拱脚和拱腰是浅埋偏压小净距隧道施工工程中最为薄弱、最需要保持警惕的关键环节，可能会出现危险的滑坡甚至坍塌，所以在施工时一定要格外注意，加强安全措施。

[1]祁寒,高波,王帅帅等.不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究[J].现代隧道技术,2014,51(4).

[2]彭琦,罗威,李亮等.浅埋偏压小净距隧道施工力学数值分析[J].铁道建筑,2009(12).

[3]黄欣.浅埋偏压小净距隧道洞口段施工技术研究[D].中南大学,2013.

[4]柴喜林.不同地质条件下小净距隧道施工方案.中铁隧道集团杭州公司.隧道建设.2009（9）

柴喜林（1982-），汉族，男，江西万年人，2004年毕业于中南大学土木工程专业，本科，工程师，从事项目施工技术与项目管理工作。