偏压连拱隧道渗流-应力耦合分析及处治技术研究

中铁十五局集团第二工程有限公司，上海 201713

1 引言

浅埋偏压连拱隧道工序繁杂，双洞开挖、支护交错进行，引起隧道位移变形激增，不利于隧道的稳定；在持续强降雨季节，更易发生大量地表水渗入而导致的隧道塌方，冒顶等地质灾害。李地元［1］等通过数值仿真计算分析深埋连拱隧道孔隙水压力场分布特征研究隧道的渗流机理。于清杨［2］等进行数值模拟求出地形偏压隧道对称位置的应力比值，给出了将拱肩处应力比作为定量判别隧道是否偏压的特征值。朱正国等［3］基于数值计算对左右洞开挖次序对连拱隧道的受力特征的影响进行了对比分析。金美海［4］等进行数值模拟得出了浅埋偏压隧道不同偏压坡度导致的隧道变形分布特征。但是由于不同地区围岩、低质情况差别较大、取得的经验和成果尚不具普遍指导意义。

本文以湖南省在建安乡至慈利高速公路（安慈高速）雷家台浅埋偏压连拱隧道为工程背景，基于MIDAS/GTS 数值分析，并对比施工实际监测数据，分析连拱隧道的渗流应力特征，为加固提供理论支撑。

2 偏压连拱隧道数值模拟

2.1 雷家台隧道工程概况

雷家台隧道设计长度为235m，最大埋深约54m，隧道最高点与最低点的差值约为54m，隧道纵坡为0.8%，山脊线与水平向夹角约为20°～35°，山坡处于基本稳定状态。隧道纵断面如图1 所示，隧道出入口设于山前斜坡位置。地表覆盖层为第四系更新统坡积碎石，下伏基岩为强风化与中风化砂质页岩。隧道围岩按V 级围岩进行设计支护，遵循“短进尺，早封闭”的原则，防止围岩爆露太长而引起的坍方，围岩及支护力学参数如表1 所示。

表1 隧道围岩及支护的基本参数指标

2.2 数值模型建立

根据实际监测断面布置与数据采集，选取雷家台隧道K112+665 断面建立模型。隧道围岩采用Mohr-Coulomb 模型，其他支护构件采用弹性模型。连拱隧道根据实际情况，每一步开挖，模拟初期锚杆支护、喷混支护，以及二次衬砌的施做，以达到最大效果模拟实际施工。

3 隧道数值结果与监测结果对比

3.1 连拱隧道实时监测结果

3.1.拱隧道左洞沉降监测

隧道拱顶沉降向下取正值，左洞断面沉降曲线见图1。

图1 ZK112+665 断面拱顶沉降随时间变化

如图所示，23～40d 由于上台阶开挖过程中较为严重的破坏了围岩稳定性，锚喷会逐步稳定拱顶位移沉降；41～55d 开挖过程中引起沉降但随着二次衬砌的及时闭合成环，抑制了拱顶位移，沉降时态曲线已成收敛趋势；56～75d 由于右洞上台阶的开挖引起左洞“断崖式”沉降位移。在右洞开挖过程中，对左洞的位移场产生扰动，致使左洞沉降收敛稳定的状态破坏，也说明了连拱隧道位移场变化较为复杂；76 天以后右洞核心土分三台阶由上至下依次开挖，随着右洞二次衬砌的完成，后续变形会基本趋于稳定，连拱隧道沉降控制以此稳定状态为参照指标较为合理。

3.1.2 连拱隧道右洞沉降检测

右洞开挖拱顶沉降分为两个阶段：

第一阶段（1～20d）为右洞开挖到核心土前，在刚开挖初期拱顶沉降出现急剧增加，这是由于右洞受到左洞开挖干扰，围岩较为破碎，平均收敛为20mm，约占总拱顶沉降的76%；

第二阶段（21～40d）为右洞开挖完成，沉降变化值大约为6mm，占总拱顶沉降的23%，右洞全部开挖完成后及时闭合成拱有利于隧道开挖稳定，整体支护结构抑制了拱顶沉降，收敛趋于稳定。右洞断面沉降曲线见图2。

图2 YK112+665 断面拱顶沉降随时间变化

3.1.3 连拱隧道断面收敛检测

对于左洞开挖时，在导洞开挖完成后，围岩收敛变化不明显，测线D-E 收敛值大概为2mm，在22d 开始开挖左洞上台阶，约在40d 重新趋于收敛，范围在5～6mm 之间，在55d 开始进行左洞完全开挖收敛变化不明显，测线D-E 收敛变化值约1mm左右，说明下台阶开挖对隧道横向收敛影响有局限，二次衬砌的浇筑闭合成环迅速限制隧道变形；右洞上台阶开挖完成前左洞测线D-E 收敛值急剧增加，之后趋于收敛，右洞开挖扰动左洞围岩稳定性，左洞测线D-E 最终收敛值约在12mm；左洞测线F-G 周边位移值最终收敛值约为6mm；

右洞测线D-E 在75 天之前，是于右洞处于偏压隧道深埋侧，地质环境较差，围岩上部自重大，断面收敛最终稳定在13mm左右；右洞测线F-G最终收敛于8mm。K112+665断面周边收敛曲线如图3 所示。

图3 K112+665 断面周边收敛随时间变化

3.2 数值计算结果

在流固耦合作用下围岩受力更加复杂，在开挖过程中隧道周边孔隙水压力变化，产生孔隙水压力差作用，造成渗流场改变，拱顶位移较大处在拱顶和拱脚处。

图4 考虑流固耦合作用下围岩Y 方向位移

图5 考虑流固耦合作用下围岩X 方向位移

根据数值模拟计算出的拱顶沉降值可得：隧道拱顶沉降最大处都在B 监测点处。拱顶沉降最终结果为29.1mm，出现位置为右洞拱顶边角，水平收敛值右洞测线D-E 为15.2mm。这是由于地形影响产生的偏压效应。（注：左洞B 点位于左洞拱顶与中墙交界处，右洞B 点位于右边墙拱顶处）。

对洞周收敛作用主要为右洞右拱脚位置处受偏压作用产生正方向位移，左洞左边墙以及左墙角由于埋深较深一侧围岩偏压作用，主要产生负方向位移，在隧道开挖后对围岩结构破坏程度较大。

4 结论

（1）由于是浅埋的偏压连拱隧道，右洞埋深大，左部埋深相对较浅，围岩受扰动后作用在隧道左右支护结构上的受力不一致，所产生的拱顶沉降在左右洞之间不完全对称，左洞的拱顶沉降小于右洞。中隔墙与左洞上台阶连接处、中隔墙与右洞拱腰连接处两处的竖向位移较大。施工要对上述位置采取强化措施，加强锚喷作用或改变连接方式，优化支护。

（2）右洞上台阶的开挖时，引起左洞“断崖式”沉降位移，所以建议施工开挖左洞尽早完成闭合支护，以加强围岩稳定性，防止右洞开挖对左洞干扰而造成坍塌事故。

（3）连拱隧道所处IV、V 级围岩，岩性较差，处于多雨的富水地区，抗渗性差，隧道上部承压水流经围岩裂隙渗入隧道内，同时地下水压力增加围岩裂隙贯通性，致使围岩位移增加。