反压回填法在隧道明洞偏压处治工程中的应用

吴 桐，张 双

(1.黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080; 2.辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110166)

0 引 言

随着我国交通运输工程技术的不断发展和更新，在跨越海峡、河流、山岭工程中，隧道结构以其成熟的施工技术，超长的贯通能力而被广泛采用，其结构设计、施工、养护技术也得到突飞猛进的发展[1-2]。在隧道服役过程中，部分工程病害逐渐显现，这些病害影响结构的耐久性和安全性[3-4]。

隧道偏压现象是指隧道段两侧承受不均匀荷载而使衬砌结构的变形和内力出现不对称的现象[5-6]。在隧道进出口的明洞段，由于明洞一侧是浅埋回填，另一侧为山体，这种偏压地形使明洞常受到偏压荷载作用[7-8]。

本文结合辽宁省高速公路某隧道明洞段偏压病害情况，对病害的成因进行了详细分析。根据病害情况选用反压回填法作为处治方法，并通过Midas-GTS有限元分析模型验证了该方法的可行性和有效性。

1 隧道病害情况

1.1 隧道概况

某双洞分离式隧道位于辽宁省东南部丘陵地区，长度为1 400 m，断面净宽为10.75 m；一般断面形式为三心圆拱形曲墙式，洞门为削竹式，施工方法为“新奥法”。隧道入口侧明洞段处于偏压地形上，明洞左侧为回填土，填土坡度为1∶1.3～1∶1.4，明洞右侧为山体，山体高度为40～50 m，坡度为1∶2～1∶2.5，明洞段长度为71 m。

1.2 病害情况

2015年9月中旬，工程日常养护时，发现距隧道入口侧50 m、60 m处施工缝位置，衬砌拱顶及两腰有施工缝开裂及变形错台迹象，见图1(a)、图1(b)；入口明洞段右侧拱腰存在大量纵向裂缝，见图1(c)。为防止衬砌脱落危害交通，及时清除可能脱落的防火涂层，然后对此病害进行观察监测。当年9月到次年3月，工作人员在观察监测过程中，发现变形错台现象有进一步发展的迹象。次年3月之后，并未发现此病害有继续发展的趋势。病害的整体状况见图2。

图1 洞口病害Fig.1 Tunnel portal section diseases

图2 隧道病害整体情况(①～⑦为板块编号)Fig.2 Overall condition of tunnel diseases

1.3 病害原因分析

通过对隧道入口侧现场检查及对设计文件进行复查，分析病害产生原因：洞口浅埋段存在偏压。明洞段衬砌病害出现在当年9月到次年3月，这一时段经历秋雨和春融季节，秋季雨水及春季融水渗入到土体中，造成原土体黏聚力c，内磨擦角φ变小，土体抗剪强度降低，存在蠕动现象，增加明洞侧向压力；同时，明洞段人工填土与原始山体结合部位形成地表水下渗的通道，渗水通道加重土体的蠕动趋势，增大明洞段偏压程度。隧道入口侧地形较为复杂，明洞段左侧为回填边坡，坡度为1∶1.3～ 1∶1.4，无法阻挡明洞段右侧的围岩压力，使明洞段产生错台、裂缝等病害。

2 处治方案

根据设计文件、现场勘查及连续观测结果，为了隧道运营安全，保证一次修复、长久使用并避免明洞段再次发生诸如偏压、错台等衬砌病害问题，决定采取反压回填方法对明洞段进行处治。对明洞段左侧边坡进行反压回填处理，使原始坡度1∶1.3～1∶1.4变为1∶1.75。由于明洞边坡坡脚位于封闭的中央分隔带处，属于低洼且排水不良地带，应增设边坡、坡脚处的排水设施及中央分隔带内的蒸发池[9]。处治工程的平面布置见图3(a)，反压回填断面见图3(b)，排水设施断面见图3(c)～3(f)。

图3 洞口处治方案(单位: cm)Fig.3 Maintenance project for tunnel portal section (unit: cm)

3 模拟计算

3.1 荷载结构法

荷载结构法将隧道围岩作用力等效为地层压力，并假设衬砌在等效的地层压力下保持平衡和稳定。基本平衡方程为

[K]{δ}={P}

(1)

其中：[K]为衬砌整体刚度矩阵；{δ}为衬砌结点位移列向量，即{δ}=[δ1,δ2,…,δm]T；{P}为衬砌结点荷载列向量，即{P}=[P1,P2, …,Pm]T。

3.2 有限元模型

为了分析反压回填方案能否达到处治效果，应用Midas-GTS有限元分析软件对隧道进行受力计算。建立隧道衬砌的二维模型，根据荷载结构法计算原则，假设围岩荷载以地层压力的方式施加到衬砌结构物上。采用梁单元模拟衬砌结构，采用曲面弹簧模拟围岩与衬砌间的相互作用。明洞段断面见图4，隧道有限元模型见图5，衬砌及曲面弹簧相关参数见表1。隧道在初始状态下的受力情况见图6。

表1 模型相关参数Table 1 Model parameters

图4 明洞段断面Fig.4 Tunnel portal cross-section

图5 隧道有限元模型Fig.5 Finite element model of tunnel

图6 隧道受力示意图Fig.6 Tunnel force state under external load

根据《公路隧道设计规范》[10]，明洞段各部位的初始竖直土压力和水平土压力计算结果为：q1=46 kN·m-2；q2=106 kN·m-2；e1=26.7 kN·m-2；e2=110.2 kN·m-2；e3=26.7 kN·m-2；e4=125.3 kN·m-2。隧道在初始荷载下的模型见图7。

图7 隧道在初始状况下受力模型Fig.7 Tunnel force model in initial condition

3.3 计算结果

1)初始状态模拟。通过计算，在初始状态下，隧道衬砌由于偏压作用产生了一定的横向位移，最大值为5.5 mm。隧道在初始状态下的位移见图8。

图8 隧道在初始状态下的位移云图Fig.8 Disp. nephogram under initial load

2)病害荷载模拟。分析假定：认为在外部荷载的作用产生了30～80 mm的横向位移(现场病害：5、6号衬砌板块间的错台值)。在隧道偏压侧增加外部荷载作用，使衬砌向左侧产生30～80 mm的病害位移。经计算得出：当隧道左侧拱腰相对位移值为84.5 mm时，隧道右侧增加荷载值为隧道右侧初始荷载e3、e4的3.4倍。此时e3=90.8 kN·m-2、e4=426 kN·m-2。隧道衬砌在求解的外部荷载作用下变形情况见图9。

图9 外部荷载作用下隧道位移云图Fig.9 Disp. nephogram under external load

3)反压回填土模拟。反压回填产生的附加压力为

F=γVsin(π/2-θ)

(2)

式中：γ为土体重度；v为土体体积；θ为原始坡角。本工程中，反压回填土体重度为20 kN·m-3，原始坡角为36°。

土体作用在坡面上的垂直力为F1=1 275 kN。将力按梯度分布压力作用在衬砌上，得到：Q下=145.5 kN·m-2；Q上=32.5 kN·m-2。施加反压回填荷载后隧道变形情况见图10。

由图10可见，在反压回填处治方法下，衬砌在反压方向的最大位移值为51.2 mm。反压回填能在一定程度上起到抑制衬砌变形。模型内各点位移见表2。

表2 模型节点在荷载作用下的位移Table 2 Disp. of model nodes under loads mm

图10 反压回填作用下隧道位移云图Fig.10 Disp. nephogram under backpressure backfilling

当作用在衬砌右侧荷载为初始荷载的3.4倍时，明洞段最大产生84.5 mm的错位，采用反压回填处治能抵消35%～68%的错位变形，说明反压回填能有效抑制明洞段错台的发展。

4 结 论

本文针对辽宁省高速公路某隧道明洞段偏压现象进行了病害原因分析、处治方案设计和模拟计算，得到如下结论：

1)隧道明洞段位于偏压地形上、回填土无法形成有效的支护、地下水的渗流造成土体抗剪强度降低是造成隧道明洞段偏压病害形成的原因。在隧道的养护过程中，对于明洞段较长的隧道，在秋雨和春融季节应加强对明洞的监控。

2)反压回填法是处治隧道明洞偏压的有效方法。该方法中回填压力与偏压荷载达到新的平衡，可抵消明洞段衬砌偏压所产生的错位，减缓明洞偏压病害。在隧道设计和维修处治过程中，应对隧道明洞段及偏压荷载情况进行模拟和分析，确定最优的明洞段回填方式。