李乾坤 吳 勇

(1.徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司，江蘇 徐州 221000； 2.云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223)

0 引言

為貫徹“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略，建設(shè)中南亞國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作走廊，我國(guó)西南地區(qū)高速公路、城際快速路建設(shè)遇到了新的機(jī)遇。但西南地區(qū)山地多，這就不可避免的修建大量隧道。同時(shí)由于地形地質(zhì)、環(huán)境保護(hù)等限制，不得不選在埋深較淺、地形起伏大的地點(diǎn)進(jìn)洞，導(dǎo)致淺埋偏壓隧道的出現(xiàn)。由于隧道進(jìn)口段埋深淺，且有偏壓的情況，使得此種隧道的變形規(guī)律不同于常見(jiàn)的淺埋隧道，深入研究淺埋偏壓隧道的變形規(guī)律十分必要。

目前，在這方面國(guó)內(nèi)學(xué)者已做了大量的研究和探討。高文學(xué)等人[1]采用有限元軟件建立淺埋偏壓隧道分析模型，將隧道開(kāi)挖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，系統(tǒng)性的研究了淺埋偏壓隧道變形規(guī)律。李宗長(zhǎng)等人[2]通過(guò)對(duì)湖北宜昌夾活巖公路隧道淺埋偏壓段出洞施工項(xiàng)目總結(jié)分析，指出準(zhǔn)確掌握地形、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、合理出洞方案是淺埋偏壓隧道出洞施工的關(guān)鍵。周嘉賓等人[3]通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果表明：洞口偏壓段初期支護(hù)呈現(xiàn)明顯不對(duì)稱(chēng)彎曲變形，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在偏壓隧道深埋側(cè)拱腰，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱腰和深埋側(cè)拱腳。祝文化等人[4]采用數(shù)值模擬軟件建立淺埋偏壓?jiǎn)喂八淼篱_(kāi)挖計(jì)算模型，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，深入研究了淺埋偏壓隧道圍巖支護(hù)的變形規(guī)律。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)淺埋偏壓隧道方面研究已經(jīng)做出了諸多貢獻(xiàn)，但對(duì)淺埋偏壓隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)方面的分析較少，本文以某淺埋偏壓隧道為依托，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)回歸分析，同時(shí)建立數(shù)值分析模型對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬分析，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，深入研究了淺埋偏壓隧道圍巖和支護(hù)變形規(guī)律，為以后類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

某公路隧道位于云貴高原中部，屬于構(gòu)造侵蝕、溶蝕中山地貌，地形波狀起伏，山谷相間，谷底較平坦；隧道區(qū)屬構(gòu)造侵蝕、剝蝕中高山峽谷地貌區(qū)，地形陡峭，地質(zhì)作用以侵蝕、風(fēng)化為主。

隧道進(jìn)口段埋深較淺，入口處覆蓋層厚度在1 m～5 m左右，巖性主要為含礫粉質(zhì)粘土、碎土塊、結(jié)構(gòu)松散。隧道進(jìn)口段穿越一孤峰，隧道軸線與山體斜坡走向相交，隧道右側(cè)埋深較大，呈明顯偏壓狀。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

隧道為分幅分離式雙向四車(chē)道，建筑線界凈寬10.25 m，凈高5.0 m。左線隧道全長(zhǎng)1 702 m，右線隧道全長(zhǎng)1 703 m，屬長(zhǎng)隧道。

隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合襯砌，Ⅴ級(jí)圍巖淺埋超前支護(hù)參數(shù)為：隧道洞口采用φ108 mm管棚，間距40 cm×40 cm，長(zhǎng)度30 m，搭接長(zhǎng)度5 m；隧道洞內(nèi)采用φ50 mm的小導(dǎo)管，間距40 cm×40 cm，長(zhǎng)度30 m，搭接長(zhǎng)度5 m；圍巖淺埋加強(qiáng)初期支護(hù)為：C25噴射混凝土厚25 cm；縱向間距60 cm的Ⅰ18鋼拱架；φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm。

1.3 施工方法

隧道進(jìn)口段圍巖條件差、埋深淺、斷面大，采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法進(jìn)行開(kāi)挖。環(huán)形開(kāi)挖留核心土法通過(guò)預(yù)留核心土，分部開(kāi)挖減小開(kāi)挖跨度，有效控制隧道變形保證圍巖的穩(wěn)定。

2 監(jiān)測(cè)方案與數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測(cè)方案

依照規(guī)范要求，對(duì)該隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。本文著重對(duì)隧道周邊收斂和拱頂下沉結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)參照其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目結(jié)果。

拱頂下沉采用精密水準(zhǔn)儀器測(cè)量，周邊收斂采用鋼尺收斂?jī)x測(cè)量。量測(cè)頻率按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行如表1所示。

表1 監(jiān)控量測(cè)頻率

2.2 監(jiān)測(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)分析

一般采用回歸分析的方法對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，回歸函數(shù)一般采用對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲線方程進(jìn)行[5]，并將擬合度較高的方程作為圍巖隨時(shí)間變化規(guī)律的回歸方程。

選取該隧道進(jìn)口段典型監(jiān)測(cè)斷面YK60+574監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表2所示。

由表2兩個(gè)斷面共6個(gè)測(cè)點(diǎn)(線)的回歸擬合結(jié)果可知，從決定系數(shù)R2可知，采用指數(shù)函數(shù)回歸分析獲得的決定系數(shù)R2均較大，說(shuō)明YK60+574監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉和收斂曲線符合指數(shù)函數(shù)回歸方程。從回歸方程極值來(lái)看，指數(shù)函數(shù)回歸方程極值與實(shí)際監(jiān)測(cè)終值相差均較少，差值最小為6.246 mm，最大值為9.875 mm；因此指數(shù)函數(shù)回歸方程較能符合監(jiān)測(cè)斷面拱頂下沉和收斂曲線。

表2 YK60+574斷面數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果

由于隧道存在淺埋偏壓現(xiàn)象，公路隧道相關(guān)規(guī)范要求對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖隧道預(yù)留變形量為80 mm～100 mm，由表2可知隧道最終變形量均超過(guò)預(yù)留變形量的1/3，變形較大。同時(shí)觀察表2監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，隧道收斂測(cè)線中右測(cè)線均收斂值比中左測(cè)線收斂值大，YK60+574監(jiān)測(cè)斷面中右測(cè)線收斂值均比中左測(cè)線收斂值大7.93 mm；隧道拱頂沉降右測(cè)點(diǎn)沉降值均比左測(cè)點(diǎn)沉降值大，YK60+574監(jiān)測(cè)斷面右測(cè)點(diǎn)沉降值較左測(cè)點(diǎn)大13.40 mm。說(shuō)明隧道由于偏壓的存在，呈現(xiàn)“左右不均勻變形”的規(guī)律。

3 數(shù)值模擬

以YK60+574斷面實(shí)際情況，采用數(shù)值模擬軟件建立分析模型，模型水平方向邊界取距隧道中心50 m，隧道底部向下取40 m，上部邊界按照實(shí)際情況選取。本構(gòu)方程選用摩爾—庫(kù)侖，隧道圍巖支護(hù)參數(shù)選取如表3所示。

表3 圍巖支護(hù)參數(shù)選取表

3.1 淺埋偏壓隧道圍巖位移場(chǎng)分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明：在隧道開(kāi)挖完成后，圍巖的豎向位移最大值出現(xiàn)在拱頂右測(cè)(埋深較大一側(cè))如圖1所示，右測(cè)水平位移明顯比左側(cè)水平位移要大如圖2所示。

3.2 淺埋偏壓隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明：隧道開(kāi)挖過(guò)程中最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且最小主應(yīng)力的最大值均發(fā)生在隧道開(kāi)挖面的拱頂和拱底，并在拱頂右側(cè)和拱底左側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。隧道開(kāi)挖過(guò)程中存在剪切應(yīng)力，并在拱頂右側(cè)和拱底左側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖3～5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某淺埋偏壓隧道實(shí)際工程為依托，通過(guò)對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，系統(tǒng)的研究了淺埋偏壓隧道的變形規(guī)律，研究結(jié)果表明：

1)分別采用對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)對(duì)YK60+574典型監(jiān)測(cè)斷面6個(gè)測(cè)點(diǎn)(線)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明指數(shù)函數(shù)回歸曲線較能反映拱頂下沉和收斂的變化趨勢(shì)。

2)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)還表明：隧道右側(cè)變形較左側(cè)變形大，YK60+574監(jiān)測(cè)斷面右側(cè)點(diǎn)沉降值較左側(cè)點(diǎn)大13.40 mm。說(shuō)明隧道由于偏壓的存在，呈現(xiàn)“左右不均勻變形”的規(guī)律。

3)數(shù)值模擬結(jié)果表明：拱頂右側(cè)(埋深較大一側(cè))沉降明顯較大，右側(cè)變強(qiáng)部位收斂較大，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致，且拱頂右側(cè)明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。