浅埋偏压对连拱隧道施工力学效应的影响及处治措施

邱明明， 杨果林， 张沛然， 段君义

(1.延安大学建筑工程学院， 延安 716000； 2.中南大学土木工程学院， 长沙 410075)

随着中国交通基础设施建设的快速发展，穿越山区复杂地质条件的连拱隧道工程大量涌现，不可避免地会遇到围岩条件恶劣与浅埋偏压问题。工程实践表明，此类隧道多出现在斜坡洞口段，由于围岩稳定性差、地形和两侧荷载不对称，隧道在施工期间和运营过程极易出现围岩大变形、衬砌侵限、中墙压裂、边坡失稳等工程灾害[1-3]，严重影响隧道施工和运营安全。

浅埋偏压连拱隧道进洞施工力学行为一直是中外学者的研究热点。雷明锋等[4-5]借助模型试验研究了浅埋偏压条件下隧道力学特性，并认为偏压作用是隧道受力的不利因素。王海强等[6]对浅埋偏压条件下连拱隧道衬砌开裂原因、发展规律及防治措施进行了研究。余莉等[7]通过现场调查统计和室内试验方法对偏压洞口段隧道衬砌开裂诱发因素及处理措施进行了分析。季毛伟等[8]研究了浅埋偏压双连拱隧道施工过程中围岩与支护结构应力与位移变化规律。徐前卫等[9]通过现场监测和数值模拟方法研究了浅埋偏压隧道洞口段施工力学特性。黄维新等[10]结合软弱围岩偏压隧道工程实例，对比分析了不同开挖顺序条件对隧道围岩位移变形量的影响规律。李辉等[11]分析了偏压连拱隧道不同施工方案引起的的隧道-支护结构位移与应力变化规律。杨果林等[12]通过现场监测对偏压连拱隧道复合式曲中墙力学特性进行了研究，认为偏压荷载会诱发施工阶段中墙发生偏转。李建宇等[13]对软弱围岩偏压连拱隧道中隔墙受力特点和稳定性进行了研究，分析了对称和不对称型式中隔墙结构合理选型。来弘鹏等[14]通过现场试验和数值模拟对地表预加固破碎围岩浅埋偏压隧道处治效果进行了研究，分析结果表明注浆处治效果显著。

综上所述，浅埋偏压赋存条件下连拱隧道有着特殊的施工力学特性，是影响隧道施工安全和结构稳定的关键因素。尽管现有的研究在偏压连拱隧道方面已取得诸多有益的成果，但由于地质条件的特殊性和岩土介质的复杂性等显著特点，浅埋偏压连拱隧道施工力学行为仍需深入研究。鉴于此，现以浅埋偏压连拱隧道工程为背景，借助数值模拟方法建立连拱隧道破碎围岩-曲中墙-支护结构系统有限元计算模型，对比分析不同开挖方案条件下偏压连拱隧道围岩、支护结构及曲中墙力学行为变化规律，并结合具体工程实例分析偏压洞口失稳灾害原因及处治措施，为软弱围岩偏压隧道施工安全与变形控制提供参考。

1 依托工程背景

1.1 工程及地质概况

某Ⅰ级公路隧道工程，起止桩号为K9+309.8～K9+540.0，总长230.2 m，坡度i=2.24%，设计行车速度60.0 km/h。隧道内轮廓宽×高为10.50 m×8.50 m，采用双连拱隧道方案，断面形式为三心圆。上覆岩土体厚度为1.5～63.0 m，隧道开挖总宽25.37 m，高度10.42 m。拟建隧道场地属低山丘陵地貌，地形起伏较大，山体自然坡度45°～55°，植被较发育。隧道进、出口段均处于山前斜坡地带，地表主要为残、坡积成因的粉质黏土及少量碎石土，不均匀分布于隧道山体，坡体稳定性较差。洞口段隧道覆土厚度1.5～16.0 m，且为浅埋偏压地段，该段地质类型为软弱破碎围岩，主要为强(中)风化粉砂岩、页岩破碎带，局部为硬塑状粉质黏土。岩体浅部节理裂隙发育、极破碎，围岩自稳能力差，无支护时拱部易坍塌，侧壁易失稳。岩层倾向对隧道排水较不利，集中降雨条件下洞内呈线状、淋雨状或涌流状出水。

双连拱隧道支护系统采用柔性支护体系的复合式衬砌结构，即以系统锚杆[直径25 mm，长度4.0 m，@800 mm×500 mm(环向×纵向)]、喷射混凝土(C25，厚度260 mm)、钢筋网(直径8 mm，间距200 mm×200 mm)、型钢拱架(I20a，间距500 mm)等为初期支护，模筑钢筋混凝土二次衬砌(C35/P8，厚度600 mm，带仰拱)，并在两次衬砌之间铺设EVA防水板(1.5 mm EVA复合防水板+无纺土工布)，衬砌断面型为曲墙带仰拱衬砌。其中，复合式曲中墙结构墙高6.21 m，墙厚1.05～3.00 m；隧道洞口段采用超前大管棚(φ108 mm×6 mm管棚，@400 mm，长度40 m，插入角3.0°)和超前小导管(φ42 mm×4 mm钢管，@400 mm，长度5.0 m，插入角20.0°)共同组成超前支护系统，如图1所示。隧道施工采用三导洞法，具体施工顺序为：中导洞超前支护→中导洞开挖与初期支护→左侧导洞开挖与支护→右侧导洞开挖与支护→中墙底部小导管注浆加固(中导洞贯通后)→中墙施工→施做中墙临时支撑→左洞主洞开挖与支护→右洞主洞开挖与支护。

图1 双连拱隧道支护结构系统Fig.1 Support structure system of double multi-arch tunnel

1.2 偏压洞口失稳特征

在偏压隧道洞口施工过程中，受开挖卸荷、斜坡体偏压和降雨入渗共同作用，左洞洞顶上方坡面出现可见裂纹、套拱开裂，初期支护发生过大变形、掉块现象，如图2所示；套拱拱顶水平位移约50.0 mm，左洞拱腰水平和竖向位移分别达67.0、-30.0 mm；已施作的中墙墙肩开裂、墙身多处出现可见裂纹等病害，如图3所示。主要原因有：①斜坡土体稳定性差，致使偏压作用更加突出；②持续性降雨入渗诱发斜坡土体强度劣化，隧道支护结构遭受偏压荷载加剧；③斜坡预加固和防排水处理考虑不足；④隧道施工顺序对偏压洞口的影响考虑不足，引起斜坡和隧道结构大变形。

图2 洞口套拱结构位移随时间变化规律Fig.2 Change rules of umbrella arch structure displacement with time at portal section

图3 浅埋偏压连拱隧道洞口失稳现象实况Fig.3 The instability phenomenon of shallow biased multi-arch tunnel at portal section

2 数值模拟分析

2.1 有限元模型建立

为分析偏压条件下浅埋连拱隧道施工力学特性，结合拟建隧道场地勘察报告及设计资料，考虑土体的无限性及隧道开挖扰动影响范围，取模型上表面为地表，取为自由边界；左、右边界取距原点50.0 m，模型侧面限制水平位移；下边界取距原点20.0 m，底面固定限制水平和竖直位移。取平行隧道横向为X轴、竖向为Z轴，坐标原点为隧道中心点，采用有限元软件PLAXIS2D建立的连拱隧道软弱破碎围岩-曲中墙-支护结构系统数值计算模型尺寸宽(X)×高(Z)为100.0 m×60.0 m，模型共划分1 665个单元，13 427个节点，如图4所示。在数值模拟计算中，岩土体、注浆加固体和二次衬砌采用实体单元模拟，初期支护结构采用结构单元模拟。岩土体为各向同性弹塑性材料，屈服准则采用能较好描述土体破坏应力状态的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服条件[15]，利用增量理论计算，见式(1)；初期支护、二次衬砌采用弹性本构模型。各材料主要物理力学参数如表1所示。

图4 偏压连拱隧道数值计算模型Fig.4 Numerical analysis model of multi-arch tunnel under unsymmetrical loading

表1 围岩及结构主要物理力学参数Table 1 The main physical and mechanical parameters of surrounding rock and structure

fs=(σ1-σ3)-(σ1+σ3)sinφ-2ccosφ=0

(1)

式(1)中：fs为屈服函数；σ1为大主应力；σ3为小主应力；c为土体黏聚力；φ为土体内摩擦角。

2.2 计算结果对比与分析

在浅埋偏压条件下连拱隧道开挖顺序对隧道结构力学响应影响显著，故设置先右洞后左洞(开挖方案Ⅰ：Ⅰ-1右洞开挖，Ⅰ-2左洞开挖)和先左洞后右洞(开挖方案Ⅱ：Ⅱ-1左洞开挖，Ⅱ-2右洞开挖，实际采用方案)两种隧道开挖方案，以进一步探讨不同开挖方案条件下偏压连拱隧道及曲中墙力学行为变化规律。

图5 开挖方案Ⅰ条件下偏压连拱隧道围岩位移分布规律Fig.5 Displacement distribution of surrounding rock of biased multi-arch tunnel under the excavation scheme Ⅰ

图6 开挖方案Ⅱ条件下偏压连拱隧道围岩位移分布规律Fig.6 Displacement distribution of surrounding rock of biased multi-arch tunnel under the excavation scheme Ⅱ

2.2.1 围岩位移场分布规律

如图5所示为开挖方案Ⅰ条件下偏压连拱隧道围岩位移分布规律。如图6所示为开挖方案Ⅱ条件下偏压连拱隧道围岩位移分布规律。由图可得，围岩水平位移和竖向位移呈非对称分布，且左侧变形量大于右侧，即偏压荷载对左隧道施工变形影响较右侧显著；在方案Ⅰ条件下，右洞先施工后，坡面最大水平位移为3.26 mm，右洞左侧拱脚水平位移为-4.46 mm，拱顶下沉-8.96 mm，而左洞施工后，坡面最大水平位移为9.40 mm，左洞左侧拱脚水平位移为-8.27 mm，拱顶下沉-14.64 mm，如图5所示；在方案Ⅱ条件下，左洞先施工后，坡面最大水平位移为8.01 mm，左洞左侧拱脚水平位移为-6.15 mm，拱顶下沉-12.78 mm，而右洞施工后，坡面最大水平位移为10.95 mm，左洞左侧拱脚水平位移为-8.60 mm，拱顶下沉-16.38 mm，如图6所示。两种开挖方案对比可知，先进行受偏压荷载影响较小的右隧道施工，使右隧道支护结构与坡体形成整体，有利于坡体稳定和控制隧道施工变形，相反，若先施工左隧道会加剧偏压荷载释放，诱发隧道围岩大变形，故方案Ⅱ条件下的围岩变形大于方案Ⅰ。

2.2.2 曲中墙应力分布规律

如图7所示为开挖方案Ⅰ条件下偏压连拱隧道曲中墙应力变化规律。如图8所示为开挖方案Ⅱ条件下偏压连拱隧道曲中墙应力变化规律。由图可得，两种开挖方案条件下中墙水平应力(σxx)分布差异较小，且均在中墙墙脚(拱脚)位置压应力集中现象显著；工况Ⅰ-1下仅在中墙右侧墙脚区域出现压应力集中，最大应力为-3.40 MPa，工况Ⅱ-1下在中墙左侧区域整体出现较大压应力，墙体中上部和墙脚应力集中现象显著，最大应力为-4.80 MPa，约为工况Ⅰ-1的1.41倍，且在右侧墙体中上部出现拉应力区；左右洞开挖完成后中墙左侧均为受压状态，且工况Ⅱ-2墙体最大竖向应力为工况Ⅰ-2的1.18倍；两种开挖方案条件下中墙竖向应力(σzz)分布差异明显，工况Ⅱ-2条件下相对于工况Ⅰ-2更易引起中墙左侧因遭受附加偏压荷载作用而发生压裂破坏，此现象与实际情况吻合，见图3。因此，从控制偏压连拱隧道变形和中墙力学状态角度，采用开挖方案Ⅰ更优于方案Ⅱ。

图7 开挖方案Ⅰ条件下偏压连拱隧道曲中墙应力变化规律Fig.7 Stress distribution of middle wall of biased multi-arch tunnel under the excavation scheme Ⅰ

图8 开挖方案Ⅱ条件下偏压连拱隧道曲中墙应力变化规律Fig.8 Stress distribution of middle wall of biased multi-arch tunnel under the excavation scheme Ⅱ

2.2.3 初期支护位移分布规律

如图9所示为不同开挖方案条件下连拱隧道初期支护位移分布规律。由图9可得，随着隧道左右洞逐步开挖，隧道初期支护变形逐渐增大，且呈非对称曲线分布；工况Ⅱ-1条件下拱顶水平(Ux)和竖向位移(Uz)依次为6.05、-12.78 mm，为工况Ⅰ-1的1.49、1.43倍；方案Ⅱ条件下隧道初期支护变形大于方案Ⅰ，尤其是工况Ⅰ-1与工况Ⅱ-1相比差异更为显著，见表2。因此，在工程实践中应重视浅埋偏压连拱隧道合理开挖顺序和斜坡体加固措施，以防止由于施工不当加剧隧道遭受附加偏压荷载作用，并诱发洞口斜坡和隧道支护结构发生变形破坏。

表2 不同开挖方案条件下隧道初期支护位移对比Table 2 Comparison between displacements of tunnel primary support under different conditions

图9 不同开挖方案条件下连拱隧道初期支护位移分布规律Fig.9 Displacement distribution of primary support of biased multi-arch tunnel under different conditions

3 偏压洞口失稳处治措施

针对偏压洞口病害提出了相应的加固处治方案，主要包括临时加固、二衬强化、套拱换拱、侵限钢拱架换拱等工程措施，具体措施如下：

3.1 临时加固措施

对边坡开裂区域采用人工灌注水泥砂浆，再采用防水土工布覆盖坡面，以防止降雨入渗而加剧边坡失稳；将坡体喷射砼已开裂或即将掉块区域人工凿除，并重新补喷；在洞内偏压侧人工凿出初支工字钢，在其上沿纵向设置I20a工字钢横梁和斜撑，采用φ630钢管施作立柱并支撑于拱顶，见图10。临时支护结构可将偏压荷载传递至仰拱，以抑制隧道变形继续发展。

图10 偏压隧道洞口临时加固与支护措施Fig.10 The measures of temporary reinforcement and support of biased tunnel at portal section

图11 偏压隧道洞口套拱加固与二衬施工Fig.11 Umbrella arch reinforcement and second lining construction of biased tunnel at portal section

3.2 二衬强化措施

提高左洞洞口未侵限段二衬混凝土强度等级(由原设计的C35调整为C40)，以增强二衬承载性能；快速施作未侵限段二衬结构，但不得过早拆移台车以避免二衬受偏压荷载影响而开裂变形；加快右洞洞口开挖与明洞结构施工，使右洞明洞与山体尽快形成整体。

3.3 洞口套拱换拱

在左洞原套拱外侧施作新套拱，新套拱采用25 m长φ108 mm×8 mm热轧无缝钢花管+微型钢筋笼(4φ20 mm)+注浆组合型大管棚，待右洞明洞及左洞大管棚施工完成后方可进行原有侵限套拱的拆除；套拱拆除时采用人工和炮机相结合的方式由内而外按榀破除，拆除后立即施作新钢拱架、喷射混凝土和锁脚锚杆，同时在拱腰钢板连接处增设2根锁脚锚杆，增强初支结构整体稳定性，如图11所示；侵限套拱拆除过程中应避免破坏新套拱，强化施工监测，以确保施工安全。

3.4 洞口二衬施工

左洞套拱破除及侵限初支处理完成后，立即由内而外施作二衬结构，而后进行洞门、明洞回填等施工。

通过采取上述加固处治措施，有效抑制了斜坡坡体与隧道支护结构变形继续发展，保证了洞口段浅埋偏压连拱隧道施工得以顺利实施，说明该处治方案是合理、可行的。

4 结论

以浅埋偏压连拱隧道工程为背景，建立连拱隧道软弱破碎围岩-曲中墙-支护结构系统有限元计算模型，研究不同开挖方案条件下偏压连拱隧道及曲中墙力学行为变化规律，并结合具体工程实例分析偏压洞口失稳灾害原因及处治措施。主要研究结论如下。

(1)围岩水平位移和竖向位移呈非对称分布，开挖条件下受偏压左侧隧道施工变形较右侧隧道影响显著；方案Ⅱ条件下的围岩变形大于方案Ⅰ，建议先进行受偏压荷载影响较小的右隧道施工，使右隧道支护结构与坡体形成整体，有利于坡体稳定和控制隧道施工变形。

(2)不同开挖方案条件下连拱隧道中墙水平应力分布差异较小，而竖向应力分布差异较大，中墙墙脚(拱脚)位置水平压应力集中现象显著；从控制偏压连拱隧道变形和中墙力学状态角度，方案Ⅱ相较于方案Ⅰ更易引起中墙左侧因遭受附加偏压荷载作用而发生压裂破坏。

(3)方案Ⅱ条件下隧道初期支护变形大于方案Ⅰ，尤其是工况Ⅰ-1与工况Ⅱ-1相比差异更为显著，在工程实践中应重视浅埋偏压连拱隧道合理开挖顺序和斜坡体加固措施，以防止由于施工不当加剧隧道遭受附加偏压荷载作用，并诱发洞口斜坡和隧道支护结构发生变形破坏。

(4)针对偏压连拱隧道洞口失稳灾害，分析了隧道大变形、支护结构侵限、曲中墙墙体压裂原因，给出了临时加固、二衬强化、套拱换拱、侵限钢拱架换拱等处治加固措施，工程实践表明，采取的加固处治方法合理可行、施工效果显著。