浅埋偏压土质隧道削坡减载措施有效性分析★

熊 中 贵

(贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008)



·桥梁·隧道·

浅埋偏压土质隧道削坡减载措施有效性分析★

熊 中 贵

(贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008)

针对登攀右线偏压隧道进口段开挖围岩变形过大的实际情况，并根据洞口段偏压地形和工程地质资料，分别建立了未削坡减载和削坡减载开挖隧道进口段的两个模型，比较分析两个模型围岩变形和衬砌受力状况，证实了削坡减载方法对控制围岩变形和加强衬砌安全的有效性。

偏压隧道，削坡减载，围岩变形，衬砌受力

随着我国高速公路建设的发展，山岭隧道在隧道建设中的比重也在逐渐增大。由于山区地质地形条件复杂多变，浅埋隧道进出口段遇到偏压的情况并不鲜见。如何保证隧道在这种浅埋偏压情况下安全进洞，是急需解决的一个问题。除了采取正确的开挖工法之外，偏压隧道进出洞还需采取一定的辅助施工技术，如减载反压技术、超前大管棚支护技术等[1-8]。削坡减载技术是减载反压技术的一种，工程上在治理滑坡等问题上有比较多的研究，也有比较好的效果[2]。实际工程中浅埋偏压隧道采用削坡减载技术并不少见，但是研究相对较少。本文以登攀右幅浅埋偏压隧道为研究对象，分析削坡减载技术在浅埋偏压隧道进口段施工中的有效性，为以后类似工程提供一定的参考。

1 工程背景

贵州晴兴高速公路登攀隧道位于黔西南，隧道区位于朵冲背斜的北西翼，隧道轴线与朵冲背斜走向斜交。隧道所处地貌为侵蚀、剥蚀山地，区内山高坡陡，沟壑纵横。隧道进出口均位于坡体上，其中进口段坡度较缓，自然坡度角25°～30°，出口段坡体陡峻，自然坡度角35°～50°。进口段岩体节理裂隙发育，岩体破碎。隧道区年均降雨量1 561.7 mm。隧道设计为分幅式隧道，左幅里程桩号ZK3+455～ZK5+100，长1 645 m；右幅里程桩号YK3+460～YK5+085，长1 625 m。隧道左幅底板高程1 250.90 m～1 293.32 m，最大埋深222.09 m；右幅底板高程1 251.05 m～1 292.70 m，最大埋深219.03 m。单洞室净宽11.25 m，净高7.18 m。右幅隧道进口段为碎石状松散结构，围岩埋深较浅，围岩为砂质粘土及强风化泥质粉砂岩、泥岩，围岩等级Ⅴ级。隧道洞门仰坡为顺向坡，隧道偏压较大，进口开挖时稳定性差，易坍塌，施工风险较大。如何顺利开挖右幅偏压隧道进口段是该隧道施工中的技术重点和难点问题。

2 隧道进洞情况

隧道进洞初期采用环形开挖预留核心土法，一次开挖进尺严格控制在1 m内，并及时进行立架支护，封闭成环，待初支达到一定强度后再施作下一循环。进洞后揭露登攀隧道进口右洞围岩较差，隧道右上侧存在较大偏压，开挖过程中隧道结构产生了较大变形，存在较大施工风险，为此及时改用三台阶法开挖。同时，由于隧道偏压开挖引起仰坡大变形开裂，对右幅隧道进口仰坡进行削坡减载处理，减小隧道偏压。本文运用数值模拟对采用三台阶法后隧道进行削坡开挖和不进行削坡开挖进行数值计算，研究削坡减载对隧道开挖影响。

3 右幅隧道进口偏压大变形数值分析

3.1 偏压隧道进口数值模型

依据登攀隧道现场情况和地质资料，隧道进口情况见图1。模型重点考虑未进行削坡减载和进行削坡减载情况下隧道开挖变形影响。为控制影响因素，隧道开挖工法均采用三台阶法。结合现场情况和隧道开挖影响范围，模型水平方向取100 m，右侧高度取50 m，左侧高度取20 m。底部采用竖向约束，左右两侧采用水平约束。其余边界为自由边界，网格尺寸取0.5 m，根据土层物理力学性质，采用Mohr-Coulomb(MC)本构模型；隧道衬砌采用梁单元，土层为平面应变单元。两个有限元模型见图2，未削坡模型包含单元数11 754个，削坡模型单元数11 429个。

3.2 模型参数选取

模型中各土体和衬砌物理力学参数如表1所示。

表1 土体及衬砌结构物理力学参数

3.3 偏压隧道施工数值计算结果及分析

1)隧道开挖引起地层变形结果及分析。图3，图4分别为未削坡和削坡情况下隧道三台阶法开挖引起地层位移云图。由图3可知，在未削坡情况下，隧道开挖引起地层最大水平位移出现在坡顶，达到-246.5 mm；隧道衬砌最大水平位移出现在隧道拱顶左侧，为-136.7 mm。隧道开挖引起地层最大竖向位移出现在隧道拱顶，达到-271.2 mm。由图4可知，进行削坡后，隧道开挖引起地层最大水平位移出现在隧道上侧坡顶，仅为-51.6 mm，隧道结构最大水平位移出现在右侧拱肩，仅为-44.3 mm，方向向左。隧道开挖引起地层最大竖向位移出现在隧道右侧拱腰，仅为-63.4 mm。比较图3，图4可知，未削坡和削坡情况下，地层位移存在较大差异。采用削坡减载方式，比未进行削坡减载，隧道最大水平位移量减少了67.6%，最大竖向位移减少了76.6%，削坡减载效果显著。未削坡减载情况下隧道变形过大，易引起隧道衬砌破坏，发生隧道坍塌、滑坡等重大事故，采用削坡减载方法具有良好的变形控制作用。

2)隧道衬砌结构轴力弯矩结果及分析。图5，图6分别为未削坡和削坡模型隧道衬砌内力云图。由图5可知，未削坡情况下隧道衬砌最大轴力出现在拱顶，达到1 201 kN，衬砌最大弯矩出现在拱顶，弯矩值为442 kN·m；由图6可知，削坡情况下隧道衬砌最大轴力出现在左侧拱肩，达到724 kN，衬砌最大弯矩出现在左侧拱肩，为265 kN·m。为分析削坡对衬砌安全性的影响，依据规范[3]计算衬砌结构的安全系数，对衬砌安全进行检验，检验结果见表2。

表2 两种情况衬砌最不利位置安全系数表

由表2可知，未削坡情况下安全系数为1.98，小于规范规定的安全系数3.6，衬砌结构发生拉伸破坏；削坡情况下安全系数为6.07，大于规范规定的安全系数3.6，衬砌结构不会发生拉伸破坏。因此，采用削坡减载方式对避免隧道开挖衬砌破坏具有较好的作用。

4 结语

采用数值计算方法，建立了偏压登攀隧道进口段未削坡和削坡减载两种二维计算模型，分析了两种工况下地层变形和隧道衬砌内力情况，相互比较证实了偏压隧道削坡减载开挖对控制围岩变形和避免衬砌破坏的有效性，主要结论如下：1)隧道削坡开挖相对于未削坡开挖引起地层位移较小，其中隧道最大水平变形由136.7 mm降到44.3 mm，减少67.6%；隧道最大竖向位移由271.2 mm降到63.4 mm，减少76.6%。削坡减载开挖对于控制围岩变形具有较好效果。2)未削坡开挖衬砌内力均大于削坡开挖衬砌内力，前者抗拉安全系数为1.98，不符合规范标准，衬砌结构受到破坏；后者抗拉安全系数为6.07，大于规范标准，衬砌结构未发生破坏。削坡减载对于隧道衬砌结构安全具有明显的加强作用。

[1] 翟珍龙.大断面浅埋偏压隧道的辅助施工技术[J].公路与汽运,2008(5):134-136，166.

[2] 杨 林,佴 磊,刘永平.滑坡稳定性分析及削坡减载在工程中的应用[J].森林工程,2005(4):24-26.

[3] JTG D70—2004，公路隧道设计规范[S].

[4] 肖林勇.铁路隧道浅埋偏压段施工方法及控制技术研究[J].山西建筑,2015，41(11):167-169.

[5] 王 峰.浅埋偏压隧道洞口段施工技术[J].山西建筑,2013，39(28):152-153.

[6] 刘天宇.浅埋偏压隧道围岩稳定性数值分析研究[J].山西建筑,2013，39(3):150-152.

[7] 宋 刚.浅埋偏压隧道洞口变形机理及治理措施研究[J].山西建筑,2010，36(1):346-347.

[8] 卫 晋.隧道偏压和浅埋及软弱围岩段的施工技术[J].山西建筑,2010，36(1):315-317.

The effectiveness analysis on cutting slope and reducing load measures of shallow buried and unsymmetrical pressure soil tunnel★

Xiong Zhonggui

(GuizhouHighwayEngineeringGroupLimitedCompany,Guiyang550008,China)

According to the actual situation of big deformation of excavation surrounding rock of Dengpan right line unsymmetrical pressure tunnel entrance section, and according to the unsymmetrical pressure terrain and engineering geological data of tunnel portal section, respectively established two models of excavation tunnel entrance section without cutting slope and reducing load and cutting slope and reducing load, comparatively analyzed the two model surrounding rock deformation and lining stress condition, proved that the cutting slope and reducing load method had effectiveness to control the surrounding rock deformation and strengthen the lining safe.

unsymmetrical pressure tunnel, cutting slope and reducing load, surrounding rock deformation, lining stress

1009-6825(2016)22-0155-02

2016-05-24★:贵州省交通科技项目(项目编号：2010-122-010)

熊中贵(1972- ),男，高级工程师

U457

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