软弱围岩浅埋隧道洞口失稳数值分析

杨斌 周雄 蒲端 张逸

摘要：隧道洞口的修建一直是隧道建设过程中重要的一环节，它是否稳定，直接关系到隧道的建设工期，以及是否顺利地进洞或出洞。文章以广东某高速公路浅埋偏压隧道为依托工程，采用Midas GTS软件建立数值模型，对隧道洞口围岩变形、失稳进行数值分析研究。结果表明：在埋深浅的一侧施作偏压挡墙，有助于围岩稳定，对隧道偏压处治具有良好的效果;在浅埋一侧施作护拱对隧道偏压处治时，建议结合实际情况进行计算分析，再根据计算结果确定护拱合理的截面形状、布置坡率、厚度等参数，以确保能较好地减小对隧道的偏压作用，否则会增大隧道的偏压作用效应，加速围岩变形，不利于隧道偏压处治。

关键词：软弱围岩;偏压;浅埋;洞口;数值分析

文献标识码：U457+.2-A-27-089-5

0 引言

随着我国经济的高速发展，越来越多的铁路、公路隧道投入建设中。由于隧道洞口常常出现浅埋、偏压等不良地质，围岩多松散、破碎、软弱，自稳能力较差，受降雨、施工扰动等外部环境影响较大，易出现较大的变形，甚至出现塌方冒顶、滑坡等失稳现象。而隧道洞口的修建一直是隧道建设过程中重要的环节，它是否稳定，直接关系到隧道的建设工期，以及是否顺利地进洞或出洞。

国内外许多学者对隧道洞口塌方、滑坡等失稳情况做了相关分析、研究。郑玉欣[1]从铁路、公路隧道1 050个塌方资料中统计分析了隧道出现塌方的主要原因及塌方的机理，将塌方进行归纳分类，并提出隧道塌方的处治方法。吴学智等[2]对施工过程中出现过2次变形的浅埋偏压隧道进口段采用变形观察及监控量测信息化手段，及时采用一系列有针对性的补救措施，成功加固变形隧道，制止隧道塌方及山体滑坡。汪宏、刘小军等[3-4]用数值模型分析了隧道支护变形和坍塌发生的原因，并结合工程实际提出了有效的治理措施。上述文献均来源于实际的工程案例，为浅埋偏压隧道方面的研究积累了丰富的资源，但分析研究主要以实际工程资料统计分析、经验总结为主，深入分析、研究依然还显得不足。本文以广东某高速公路浅埋偏压隧道为依托工程，采用Midas GTS軟件建立数值模型，对隧道洞口围岩变形、失稳进行数值分析研究，并依据研究结果和实际工程情况提出相应的处治措施。

1 数值模型的建立

1.1 工程概况

本隧道右线出口段长约104 m，存在偏压、浅埋地质，隧道围岩地质条件较差，为Ⅴ级围岩，计算断面埋深4.5 m。0～14.3 m为粉质黏土、全风化变质砂岩：粉质黏土为灰褐色-褐黄色，稍湿，可塑，土质不均，黏性一般，夹少量碎石;全风化变质砂岩为褐红色，岩石风化完全，岩质极软，手捏易散，遇水软化崩解。14.3～28.3 m为强风化变质砂岩（J3dl），灰褐色，变余结构，块状构造，岩质较软，敲击易碎，节理裂隙极发育，裂隙面锈染，局部中风化，岩质较硬，敲击声脆。28.3～53.3 m为中风化变质砂岩（J3dl）为灰褐色，变余结构，块状构造，岩芯破碎多呈碎块状，岩石风化不均，夹少量强风化碎块，岩质较硬，表面较粗糙，裂隙极发育，裂隙面锈染明显。

隧道出口已完成套拱施工，在大管棚的支护下，采用环形开挖留核心土法向里面开挖，上台阶掘进不足10 m，仰坡、截水沟均出现大范围开裂，初期支护多处开裂、渗水，出现较大的变形。

1个月过后，初期支护开裂处复喷处理后再次开裂，右拱脚处变形较大、侵限，且存在股状渗水;之前仰坡、截水沟裂缝依旧存在，其中部分裂缝继续发展、扩大。

为了进一步深入了解洞口围岩变形的原因、失稳机制，本文结合实际工程情况，建立数值模型进行深入分析、研究。

1.2 数值模型

参照相关设计文件，采用Midas GTS有限元软件对本隧道建立二维平面应变模型进行数值分析，如图1所示。隧道洞顶横坡模拟实际地形情况，左、右侧距离隧道取50 m，隧道底部距离下边界取40 m。对模型的左、右侧、下边界均施加法向约束，地表为自由边界，不加约束条件。

在模型中，隧道围岩采用摩尔-库伦本构模型，初期支护、锚杆采用弹性本构模型，进行线性静力计算;采用一维梁单元模拟管棚、喷射混凝土和钢拱架，一维桁架单元模拟锚杆，采用二维三边形或四边形实体单元模拟隧道围岩，采用材料参数替换模拟C20偏压挡墙及护拱、偏压挡墙处基础加固。

在数值模拟计算中，围岩、初期支护采用与实际相符的物理力学参数，如表1所示。

（1）初期支护：C25，喷射混凝土，厚24 cm;工字钢Ⅰ18@60 cm。

对于初期支护的参数，将钢拱架弹性模量等效给喷射混凝土[5]，其计算方法为：

E′h=E0h+AgEgAh

式中，E′h、E0h、Ah分别为考虑钢拱架作用后喷射混凝土的弹性模量、喷射混凝土的原始弹性模量和喷射混凝土的截面积;Ag和Eg分别为钢拱架的截面积和弹性模量。

（2）锚杆：中注式25 mm，壁厚5.5 mm，长度350 cm，按100×60 cm布置，HPB300。

1.3 施工工况

为了较好地对隧道存在的情况进行有针对性分析，数值分析按如下几种工况进行考虑（表2）。

1.4 施工工序

计算断面位于Ⅴ级浅埋岩段，在超前支护完成后，隧道采用环形开挖留核心土法进行开挖。隧道施工工序方案如图2所示。

施工主要步骤：

（1）开挖导坑上半断面（预留核心土弧形开挖1）。

（2）上导坑拱部初期支护1。

（3）开挖上台阶核心土2。

（4）左右交错开挖下台阶（3、4）。

（5）下台阶边墙、仰拱初期支护Ⅱ。

2 洞口失稳分析

下面从无偏压处治、偏压挡墙、护拱这三方面对洞口围岩稳定性的影响进行数值分析，分析洞口围岩失稳运行机制，以及以何种处治措施对偏压隧道洞口围岩稳定性具有更好的效果。

2.1 无偏压处治时洞口围岩失稳分析

本隧道上覆土层左侧较薄，右侧较厚，在上覆土自重荷载作用下，洞口围岩塑性应变、位移、初期支护内力均是呈不对称分布，表现出了明显的偏压现象。

2.1.1 塑性变形

在上台阶弧形土开挖后，左拱腰处、坡脚处围岩出现塑性变形，随着施工开挖、支护工序的推进，塑性应变区域逐渐扩大，右拱腰、右拱脚相继出现。这种现象与现场初期支护开裂、洞顶地表、坡脚开裂均一一吻合（图3）。

2.1.2 围岩位移

在围岩荷载作用下，隧道开挖后，拱部围岩向隧道内位移，呈挤压状态，拱顶沉降右侧、左侧分别为84.8 mm、54.2 mm，右侧比左侧大56%;拱底围岩向上隆起。偏压荷载对洞口围岩产生了水平推力，在这样的作用力下，隧道拱脚、拱底左侧部分向右侧位移;整个坡面均向临空侧位移，左拱腰坡面水平位移最大;拱部、右拱腰围岩水平位移次之，向隧道内位移;左拱腰水平位移最小，向围岩内部位移。这些均与现场初期支护开裂、洞顶地表开裂现象一致。

2.1.3 初期支护内力

在偏压荷载作用下，隧道开挖后，初期支护轴力上台阶部分整体大于下台阶部分，左拱腰最大，右拱腰次之，拱底最小;初期支护剪力左拱腰、右拱脚最大，右拱腰次之;初期支护左拱腰承受最大正弯矩，右拱腰承受最大负弯矩。这与现场初期支护开裂位置相符合。

2.2 偏压挡墙对洞口围岩稳定性的影响

数值分析偏压挡墙能否对本隧道洞口围岩起到稳定作用，其效果如何，以便为处治施工做出良好的指导作用。

工况1为无偏压处治，工况2为偏压挡墙处治。如下页图4所示，随着隧道开挖、支护等工序的开展，在隧道拱顶下沉、地表水平位移、地表沉降方面，工况1、工况2对应的趋势一致。其中，拱顶沉降、地表沉降先是随着施工进行而迅速增大，在上台阶喷射混凝土硬化后，在后续的施工中逐步缓慢地反弹，并随着下台阶仰拱封闭后逐渐收敛;而地表向坡面临空侧水平位移先随施工推进而迅速增大，在上台阶喷射混凝土硬化后，增量逐渐减小，并随着下台阶仰拱封闭后逐渐收敛。

但是，施作偏压挡墙后，隧道开挖前，拱顶沉降、地表水平位移、地表沉降均大于无偏压挡墙的情况。在隧道开始开挖掘进后，拱顶沉降、地表水平位移、地表沉降总是比无偏压挡墙的情况要小些，分别小7.8%、23.7%、6.3%。可见，在埋深浅的一侧施作偏压挡墙，对平衡隧道非对称土压力形成的水平推力具有较好的作用，对本隧道洞口偏压处治是非常合理的。

2.3 护拱对洞口围岩稳定性的影响

为简化计算，在计算模型中，在左侧拱部将护拱沿着斜坡布置，从左至右，护拱逐渐增厚。如后页图5所示可知，在自重荷载作用下，隧道开始开挖后，工况3中的拱顶沉降、地表沉降、地表水平位移均分别比工况2的大。可见，沿着坡面设置护拱，在自重荷载作用下，增加了埋深厚的一侧对埋深浅的一侧偏压作用效应，增大了隧道拱顶沉降、坡面地表沉降以及坡面地表向临空侧的水平位移。因此，在隧道上方浅埋侧沿着坡面设置护拱不能平衡非对称土压力形成的水平推力，只会增大它的作用，对偏压处治是不合理的。在偏压处治过程中应注意护拱选取合理的截面形状、布置坡率、厚度等，以确保能较好地减小对隧道的偏压作用。

3 偏压处治

通过对隧道偏压施工过程进行数值计算，探明了洞口偏压隧道失稳运行机制，分析了偏压挡墙、护拱对偏压隧道处治措施效果，为偏压处治提供了施作思路和相应的依据。根据以上数值计算结果，结合现场实际情况，提出切实可行的处治措施，减小围岩偏压作用，确保隧道围岩的稳定，以保障洞口浅埋偏压段隧道施工安全推进。

左拱腰处坡面围岩塑性变形较大，坡面大范围向临空侧水平位移，现场观察坡面出现开裂，初期支护大变形、开裂、侵线，但未出现整体滑坡。为此，本隧道现场处治基本思路[6]为：先停止掌子面开挖施工，进行偏压处治加固施工，等围岩稳定后再进行施工，同時做好隧道洞内外监控量测。

3.1 封闭裂缝

对地表开裂处喷射混凝土进行封闭，避免雨水进入隧道内，软化围岩，降低了围岩承载能力。对初期支护裂缝进行喷射混凝土封闭处理，提高结构承载能力。同时加强地表沉降和洞内初期支护观测。

3.2 挡墙基础加固

对YK20+875～YK20+885段左侧边坡附着物进行清表处理，施作42 mm×4 mm小导管径向注浆加固挡墙基础处，小导管单根长度为6 m，横向×纵向间距为1 m×1 m。

3.3 施作偏压挡墙

在YK20+885～YK20+891段，隧道左侧增设长6 m、高8.5 m、宽7 m的挡墙（底宽5.5 m、顶宽8.5 m），如图6所示。防止洞口左侧边坡向明洞方向滑塌，同时取消原设计对该侧浆砌片石的回填。挡土墙采用扩大基础，深1.5 m，支护开挖，基础底部换填0.5 m厚的碎石。采用22 mm钢筋连接挡墙和明洞，采用C25混凝土浇筑墙身。

3.4 施作护拱

在YK20+875～YK20+885段浅埋侧施作护拱，采用C20混凝土浇筑护拱，厚度为2 m，护拱基础用混凝土挡墙作为基础，结合现场地形，以小于自然坡率的角度施作护拱。

经过历时两个月的偏压处治，消除了偏压现象，围岩变形得到了有效控制，并趋于稳定，避免了可能因隧道塌方冒顶而耽误工期，有条不紊地安全推进隧道施工，安全通过了浅埋偏压地段，实现了顺利进洞，保证了后续施工工序的正常、安全进行。

4 结语

通过对广东某高速公路隧道洞口偏压失稳运行机制、处治措施进行了数值计算分析，并进行偏压处治，可以得出以下结论：

（1）隧道开挖后，浅埋一侧拱腰、坡脚围岩塑性变形严重，以及深埋一侧拱脚、拱墙出现塑性变形;拱部围岩向隧道内位移，拱顶沉降深埋一侧比浅埋一侧大56%，拱底围岩向上隆起;整个坡面均向临空侧水平位移，浅埋一侧拱腰处坡面水平位移最大。这些数值分析结果较好地诠释了现场坡脚、坡面、初期支护开裂现象。

（2）在埋深浅的一侧施作偏压挡墙，可以减小围岩对浅埋一侧的偏压作用，降低隧道开挖施工中拱顶沉降、地表水平位移、地表沉降，有助于围岩稳定，对隧道偏压处治具有良好的效果。

（3）在浅埋一侧施作护拱对隧道偏压处治时，建议结合实际情况进行计算分析，再根据计算结果确定护拱合理的截面形状、布置坡率、厚度等参数，以确保能较好地减小对隧道的偏压作用，否则会增大隧道的偏压作用效应，加速围岩变形，不利于隧道偏压处治。

参考文献

[1]郑玉欣.隧道施工塌方机理分析及处治技术[J].铁道工程学报，1999（2）：69-72.

[2]吴学智，王 建，杨保全，等.某强倾倒变形体内浅埋偏压洞口段的隧道变形分析及处治技术研究[J].隧道建设，2015，35（7）：721-726.

[3]汪 宏，蒋 超.浅埋偏压隧道洞口坍方数值分析与处治[J].岩土力学，2009，30（11）：3 481-3 485.

[4]刘小军，张永兴，高世军，等.软弱围岩隧道洞口段失稳机制分析与处置技术[J].岩土力学，2012，33（7）：2 229-2 234.

[5]吕国仁，隋 斌，王永进，等.浅埋偏压隧道开挖数值模拟及稳定性研究[J].山东大学学报（工学版），2013，43（4）：68-73.

[6]王 浩，杨 斌，汪 洋.偏压浅埋隧道安全施工控制技术研究[J].西部交通科技，2019（11）：115-118.

收稿日期：2021-03-22

作者简介：杨 斌（1986—），工程师，主要从事桥梁与隧道工程检测、咨询及维修加固设计方面的工作。