地形偏压隧道地表处理措施分析

代树林， 左天宇， 侯晶石， 万怡祯

(吉林大学建设工程学院，长春 130026)

随着中国公路、铁路交通网络的不断完善，隧道工程的应用日益广泛。偏压隧道是傍山或沿河的大多数隧道工程中的普遍问题。采用合理的地表处理措施，可避免由于偏压带来的开挖方法复杂、施工成本增加等一系列问题。许多学者对此进行了一系列研究。朱同华等[1]以梅坎铁路松南隧道偏压段为依托，分析地形偏压隧道的产生原因及机理，介绍了处理地形偏压的具体工程措施和施工方法。来弘鹏等[2]以广福隧道浅埋偏压涌水段为工程实例，采用水泥单液浆和水泥水玻璃双液浆的地面高压预注浆处治措施，通过现场试验，以凝结时间、抗拉强度及抗折强度为指标，得到地表注浆最佳浆液配合比。邱喜恩等[3]以旱塘坡隧道为依托，结合现场变形观测数据，对隧道进行不同工况的数值模拟，研究了不同防护措施下隧道变形规律。彭雪枫[4]以宜叙高速公路马鞍山隧道工程为背景，为治理洞口偏压，采用沟谷回填、顶部削坡等卸荷反压施工工法，并通过数值模拟验证治理措施的合理性。杨晓华等[5]针对黄土隧道的围岩特点，以土家湾隧道为工程实例，研究了注浆压力、扩散半径等多种影响因素，经地表注浆法处理后，隧道周围岩体的含水量明显降低，有效地改善了隧道围岩的力学性质。依托回头沟隧道，针对地形偏压隧道常用的地表处理措施，对削坡法、回填法、地表注浆法等处理措施进行模拟分析，从控制围岩变形、减小围岩应力出发，分析不同地表处理措施对隧道偏压产生的作用效果。

1 工程概况

回头沟隧道位于吉林省白山市鹤大高速公路上，图1所示为隧道现场照片。隧道地处长白山西南麓支脉山区，山体总体走向北东，山体整体坡度为25°～30°，属中低山地貌，隧道途经地段海拔高度814～930 m，相对高差116 m。隧道左线长720 m，起讫里程为 LK315+655～LK316+375，右线长660 m起讫里程为RK315+680～RK316+340[6]。洞口段围岩等级为Ⅴ级，洞身段为Ⅳ-Ⅴ，隧道洞身段岩石以角砾岩、强风化至中风化片麻岩为主，在Ⅳ-Ⅴ级围岩中节理裂隙发育，受十道羊岔-团结东西向冲断层、板房沟-1031高地南压性断层影响。地震基本烈度小于Ⅳ级，地震反应谱特征周期为0.35 s，属构造稳定区。隧道区段内无大的地表水体，地下水类型简单属地下贫水区，不同节气对含水层中水的含量有很大影响。含水层深度通常在5.0～33.0 m，随季节变化大。地下水矿物质含量低，以淡水为主，通过蒸发和地下排水排出。

图1 回头沟隧道现场照片Fig.1 Scene photo of Huitougou tunnel

2 地表处理措施数值模拟

以回头沟隧道右幅进口偏压段为模拟背景，模型选取的断面里程号为RK315+680，运用FLAC3D软件对以上3种地表处理措施进行数值模拟[7]，将隧道围岩考虑成弹性均匀、各向同性的连续Mohr-coulomb模型[8]，上覆岩体对隧道产生的压力视为原岩应力，底面及两侧施加约束，忽视其余力学效应。为保证计算的可靠性，本模型的范围取为隧道有效高(宽)度的5倍[9]，在隧道横断面内取横向宽度为140 m，深度为隧道中心向下25 m，向上取到地表。图2所示为3种地表处理措施的初始状态计算模型，模型共3 554个单元，7 298个节点。

图2 初始状态计算模型Fig.2 Calculation model in initial state

在回头沟隧道进行现场试验，根据《公路隧道施工技术规范》(JTG F60—2009)，相应力学参数如表1所示。

表1 FLAC3D数值模拟力学参数

隧道受地形偏压作用，为反映隧道的收敛变形和应力变化，选取拱顶为1号监测点，左右拱肩分别为2、7号监测点，左右边墙分别为3、6号监测点，左右拱脚分别为4、5号监测点，具体布置如图3所示。

图3 监测点布置示意图Fig.3 The general layout of monitoring point

3 3种地表处理措施作用效果分析

选取的隧道截面里程号为RK315+680，埋藏深度为16 m，坡比为1∶1.65，围岩级别为Ⅴ级。通过削坡法和回填法改变坡比和埋深，通过地表注浆法提高围岩级别，进而减小偏压的不利影响[10]。具体措施如下：①运用削坡法将地面坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5；②运用回填法将地面坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5；③运用地表注浆法将围岩级别由Ⅴ级围岩提升至Ⅳ级围岩[11]。

3.1 削坡法

根据隧道埋深及坡角选择坡比1∶1.65、坡比1∶2和坡比1∶2.5三种工况的围岩进行数值模拟，从隧道围岩竖向位移和竖向应力两方面进行分析，削坡至不同坡比的隧道围岩竖直位移云图如图4所示。

图4 不同坡比隧道围岩竖向位移变化云图Fig.4 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical displacement under different slope ratio

隧道内监测点的竖向位移值如表2所示。

分析可知，由于偏压作用，虽然削坡角度不同，但最大变形位置均出现在右拱肩处，坡比1∶1.65时竖直位移为58.6 mm,坡比1∶2与坡比1∶2.5时竖直位移分别为30.5、13.3 mm。以两侧拱肩位移差为指标判断偏压隧道处理措施的效果，坡比为1;1.65时左、右拱肩位移差为18.6 mm，坡比为1∶2与坡比1∶2.5时，左右拱肩位移差分别为8.8 mm和4.6 mm，与初始状态相比分别降低了52.7%和75.3%，围岩竖向变形云图均呈对称性发展。

表2 不同坡比隧道围岩竖直方向位移

注：负号表示位移方向向内。

选择坡比1∶1.65、坡比1∶2和坡比1∶2.5三种工况隧道周围的岩体进行数值模拟，不同削坡角度下隧道围岩竖向应力变化如图5所示。

图5 不同坡比隧道围岩竖向应力变化云图Fig.5 The cloud chart of tunnel surrounding rock verticalstress under different slope ratio

隧道内监测点的竖向应力值如表3所示。

分析可知，左侧围岩受到持续偏压作用，应力较大，拱脚处应力集中现象明显，坡比1∶1.65时左侧拱脚竖向应力为163.4 kPa, 坡比1∶2与坡比1∶2.5时竖直应力分别为156.1、154.1 kPa。以两侧拱脚应力比为指标判断偏压隧道处理措施的效果。坡比1∶1.65时，左、右拱脚应力比为1.17，坡比1∶2与坡比1∶2.5时拱脚应力比均为1.12，削坡角度增大对竖向应力影响不大。

表3 不同坡比隧道围岩竖向应力

注：负号表示应力方向向内。

3.2 地表注浆

回头沟隧道埋深为16 m，坡比为1∶1.65，洞口段为Ⅴ级围岩。采用地表注浆法将围岩级别由Ⅴ级围岩提升至Ⅳ级围岩，通过工程类比法，选取水泥、水玻璃双液浆地面高压预注浆法，确定水灰比为1∶1，水玻璃与水泥的质量比为3∶20，注浆压力为1～2 MPa，扩散半径为1.5 m，注浆区长度为26 m，注浆区宽度为20.8 m，注浆区高度为24 m。片麻岩层孔隙率为15%，填充率为70%，碎石土层孔隙率为25%，填充率为80%。地表注浆前和注浆后计算模型如图6、图7所示。

注浆计算模型的数值模拟力学参数如表4所示。

从注浆前后围岩的竖向位移和竖向应力两方面进行分析。注浆前后隧道围岩竖直位移变化情况如图8所示。

图6 地表注浆前计算模型Fig.6 Calculation model before surface grouting

图7 地表注浆后计算模型Fig.7 Calculation model after surface grouting

表4 FLAC3D数值模拟力学参数

图8 注浆前后隧道围岩竖直位移云图Fig.8 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical displacement before and after surface grouting

隧道各关键点竖向位移值如表5所示。

表5 注浆前后隧道围岩竖直位移

分析发现，注浆后拱顶及左、右拱肩的竖直位移均比初始状态分别降低了96.8%、94.0%和97.3%，隧道周边的围岩竖向位移云图呈对称性，有效控制了围岩竖向位移，地形偏压对隧道的影响基本消失。

选择注浆前、后隧道周围的岩体进行数值模拟，注浆前、后隧道围岩竖向应力变化如图9所示。

图9 注浆前后隧道围岩竖向应力云图Fig.9 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical stressbefore and after surface grouting

隧道各关键点竖向应力值如表6所示。

分析发现，注浆区域水泥-水玻璃浆液使围岩的密度增大，引发了应力场的重新分布,使左、右拱脚处竖向应力由163.4、140.2 kPa增至746.3、568.8 kPa，造成隧道围岩竖向应力过大，需提高相应位置支护强度，保证隧道稳定性。

表6 注浆前后隧道围岩竖向应力

3.3 回填法

根据隧道埋深及坡角选择坡比1∶2、1∶2.5两种工况的围岩进行数值模拟，回填至不同坡比的计算模型如图10所示,数值模拟所需的力学参数如表7所示。

图10 不同坡比隧道计算模型Fig.10 Tunnel calculation model under different slope rat

表7 FLAC3D数值模拟力学参数

从隧道围岩竖向位移和竖向应力两方面进行分析，回填至不同坡比的隧道围岩竖直位移云图如图11所示。

隧道内监测点的竖向位移值如表8所示。

图11 不同坡比隧道围岩竖直方向位移云图Fig.11 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical displacement under different slope ratio

表8 不同坡比隧道围岩竖直位移

经分析，以两侧拱肩位移差为指标判断偏压隧道处理措施的效果，坡比1∶1.65时左、右拱肩位移差为18.6 mm，坡比1∶2与坡比1∶2.5时左右拱肩位移差分别为9.5 mm和9.3 mm，与初始状态相比分别降低了48.9%和50.0%，对围岩竖向位移影响几乎相同。

对不同回填角度下隧道周围的岩体进行数值模拟，回填至不同坡比的隧道围岩竖向应力变化如图12所示。

图12 不同坡比隧道围岩竖向应力云图Fig.12 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical stress under different slope ratio

隧道内监测点的竖向应力值如表9所示。

分析可得，回填后围岩上覆土层自重增加，深埋侧拱脚处应力增加，坡比1∶1.65时深埋测拱脚竖向应力为163.4 kPa,坡比1∶2与坡比1∶2.5时竖直应力分别为169.1、172.1 kPa。偏压隧道处理措施的效果反应在两侧拱脚应力比上，坡比1∶1.65时 左、右拱脚应力比为1.17，坡比1∶2与坡比1∶2.5时拱脚应力比分别为1.08和1.09，拱脚处应力集中现象得到明显改善。

表9 不同坡比隧道周边围岩竖向应力

4 数值模拟综合分析

以回头沟隧道工程为依托，针对地形偏压隧道常用的地表处理措施，对削坡法、回填法、地表注浆法等处理措施进行模拟，分析不同地表处理措施对隧道偏压所产生的作用效果。不同处理措施下竖向位移与竖向应力的对比图分别如图13、图14所示。为方便区分削坡与回填法的差异，图中将坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5分别称为削坡5°和削坡10°；将坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5分别称为回填5°和回填10°。

图13 不同处理措施隧道围岩竖向位移对比Fig.13 The comparison chart of tunnel surrounding rock vertical displacement under different treatment measures

图14 不同处理措施隧道围岩竖向应力对比Fig.14 The comparison chart of tunnel surrounding rock vertical stress under different treatment measures

以左、右拱肩竖直位移差为指标，比较不同处理措施对偏压隧道竖向位移的影响。由图13可知：初始状态下，受地形偏压影响，左、右拱肩竖直位移分别为40.0、58.6 mm,拱肩竖直位移差为18.6 mm；削坡法削坡5°后，左、右拱肩竖直位移分别为21.7、30.5 mm，拱肩竖直位移差为8.8 mm，与初始状态相比降低了52.7%；削坡10°后左、右拱肩竖直位移分别为8.7、13.3 mm，拱肩竖直位移差为4.6 mm，与初始状态相比降低了75.3%，削坡角度越大，降低竖向位移效果越明显。回填法回填5°后，左、右拱肩竖直位移分别为33.9、43.4 mm，拱肩竖直位移差为9.5 mm，与初始状态相比降低了48.9%；回填10°后左、右拱肩竖直位移分别为33.2、42.5 mm，拱肩竖直位移差为9.3 mm，与初始状态相比降低了50.0%，回填角度增加对竖向位移的影响相同。注浆法注浆后，左、右拱肩竖直位移分别为2.4、1.9 mm，拱肩竖直位移差为0.5 mm，与初始状态相比降低了97.3%。注浆法减小围岩竖向位移效果最好，削坡法次之，回填法效果最差。

以各监测位置的竖向应力为指标，比较不同处理措施对偏压隧道围岩竖向应力的影响。由图14可知，削坡法、回填法对各监测位置的竖向应力的影响相同，应力变化范围在18 kPa以内；注浆法注浆后，由于注浆区域水泥-水玻璃浆液使围岩密度增大，引发应力场的重新分布，左、右拱脚处竖向应力由163.4、140.2 kPa增至746.3、568.8 kPa，不利于隧道的稳定性，需提高相应位置支护强度，增加施工成本。

5 结论

针对地形偏压隧道常用的地表处理措施，以回头沟隧道为工程实例，通过数值模拟对比分析削坡法、回填法、地表注浆法，从围岩变形、围岩应力角度出发得出以下结论。

(1)削坡法。初始状态左、右拱肩位移差为18.6 mm，将坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5时左右拱肩位移差分别为8.8、4.6 mm，与初始状态相比分别降低了52.7%、75.3%，削坡角度越大，降低竖向位移效果越明显；削坡前，左、右拱脚应力比为1.17，将坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5后左、右拱脚应力比均为1.12，削坡角度增大对竖向应力影响不大。

(2)注浆法。注浆后，左、右拱肩竖直位移分别为2.4、1.9 mm,拱肩竖直位移差为0.5 mm，与初始状态相比降低了97.3%，控制变形效果最好；由于注浆区域水泥-水玻璃浆液使围岩密度增大，引发应力场的重新分布，左、右拱脚竖向应力由163.4、140.2 kPa增至746.3、568.8 kPa，不利于隧道的稳定性，需提高相应位置支护强度，增加施工成本。

(3)回填法。初始状态左、右拱肩位移差为18.6 mm，将坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5时左右拱肩位移差分别为9.5、9.3 mm，与回填前相比分别降低了48.9%、50.0%，对围岩竖向位移影响相同。回填前左、右拱脚应力比为1.17，将坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5时拱脚应力比分别为1.08和1.09，回填角度增大对围岩竖向应力影响不大。

(4)综合围岩变形、围岩应力考虑，注浆法控制竖向变形效果最好，但注浆区域水泥-水玻璃浆液使围岩密度增大，引发应力场的重新分布，拱脚处竖向应力明显增加，不利于隧道的稳定性；削坡法、回填法对各监测位置的竖向应力的影响相同，但回填法会增加隧道上覆土层厚度。削坡法比回填法控制竖向变形效果好，削坡角度越大，降低竖向位移效果越明显，故采用削坡法将坡比由1∶1.65削至1∶25是处理回头沟隧道偏压段最有效的措施。