張永興，婁 勇，黃 達，劉小軍，楊 超

（1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 教育部山地城市建設(shè)與新技術(shù)重點實驗室，重慶400045）

0 引言

隨著國家基建重心向西部轉(zhuǎn)移，山區(qū)高速公路的建設(shè)越來越多。在山區(qū)修建高速公路，隧道往往是投資最大的工程，同時也是高速公路全線的控制性工程。而在山區(qū)隧道進洞施工過程中，洞口段邊仰坡的穩(wěn)定性問題在隧道施工階段往往處于突出的地位［1］。當(dāng)前，地表開挖和填土引起的邊坡變形，應(yīng)力場和位移場的重力重分布以及邊坡失穩(wěn)機理的三維數(shù)值分析的事例已有不少［2-6］，對于地形偏壓隧道進口段隧道施工對仰坡變形影響已有一些研究［7-11］。在實際工程中，人們對洞口仰坡重視程度較高，但往往關(guān)心隧道未開挖之前的狀態(tài)，大多進行刷坡之后再進行隧道開挖，而對于洞口段隧道開挖過程中對仰坡變形的研究不夠重視。許多隧道在洞口段開挖過程中出現(xiàn)的仰坡坡面開裂失穩(wěn)、洞口垮塌等事故，關(guān)鍵問題就是忽視了洞口開挖對仰坡變形的影響。因此對于山區(qū)淺埋偏壓條件下隧道洞口段開挖對仰坡變形規(guī)律的影響的研究是有必要的。

文章結(jié)合廈蓉高速公路某隧道右洞洞口段的施工過程具體研究淺埋偏壓隧道洞口仰坡因隧道開挖引起的變形規(guī)律，可為類似隧道洞口段開挖方案的設(shè)計提供理論依據(jù)，也為類似工程建設(shè)提供有益的借鑒。

1 工程概況

隧址區(qū)位于貴州省丹寨縣平寨溝，分為左、右線，分別位于公路測設(shè)里程 ZK173+776～ZK173+944，YK173+752～YK174+005，為短隧道。隧道洞室左線長168m，右線長253m，左線最大埋深44.2m，右線最大埋深60.5m。

隧道穿越區(qū)為構(gòu)造隆升低山工程地質(zhì)區(qū)，山脊與隧道近于直交，隧道進口地形較陡，仰坡坡角約為45°。隧址區(qū)處于第四系全新統(tǒng)坡殘積（Qdl+el4）碎石土、中泥盆統(tǒng)泥質(zhì)灰?guī)r（D2），巖層產(chǎn)狀進口段90°∠55°，出口段100°∠42°。進口段典型斷面YK173+762斷面工程地質(zhì)橫斷面圖如圖1所示，此段圍巖下伏強風(fēng)化粉砂巖，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，呈松散結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性極差，隧道開挖易產(chǎn)生坍塌，地下水類型為基巖裂隙水，富水性強。雨季施工地表水沿裂隙入滲在洞壁形成面狀或線狀水流。隧道襯砌按新奧法原理設(shè)計和施工，支護體系結(jié)構(gòu)均為復(fù)合式襯砌，即以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架等為初期支護型式，二次襯砌采用鋼筋混凝土。右洞左邊界處于山谷一側(cè)，覆蓋層比較薄，處于偏壓狀態(tài)，隧道進洞口地形如圖2所示。

2 計算模型的建立

由于隧道地形偏壓嚴(yán)重，隧道埋深較淺，在X方向，模型的左邊界取至自然山谷線，為自由邊界；模型右邊界取至5倍單洞開挖跨度，施加X方向水平約束。在Y方向，上邊界取至實際埋深地面，為自由邊界；底部取至據(jù)開挖洞底4倍隧洞開挖高度，施加Y方向位移約束。在Z方向從進洞洞口段向洞內(nèi)選取40m長度，后邊界面（Z=-40的平面）取Z方向位移約束；而對于前邊界面（Z=0的平面），距洞底5m以下取Z方向位移約束。所取模型洞口埋深為2m，進洞40m處埋深為40m。模型見圖3所示。

圖1 YK 173+762斷面剖面圖Fig.1 section of YK 173+762

圖2 隧道洞口段Fig.2 The portal of the tunnel

圖3 模型網(wǎng)格圖Fig.3 Mesh figure of the m ode

計算采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，模型中二襯、巖體采用8節(jié)點三維實體等參單元模擬；初期支護采用殼單元模擬；計算模型中偏于最危險的情況考慮，忽略了錨桿的作用。隧道圍巖和混凝土是彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。初始荷載均為巖土體的自重荷載。模型所選材料參數(shù)見表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-m echanical parameters

數(shù)值模擬將模型所選段按一次開挖貫通進行模擬，即開挖進尺為所選隧道長度40m。

平寨隧道開挖采用上下臺階開挖的方法，模擬整個施工開挖步驟分為5個步驟：第0步為圍巖自重作用下的初始狀態(tài)模擬；第 a步，開挖上臺階；第b步，支護上臺階；第c步，開挖下臺階；第 d步，支護下臺階；第e步，澆筑二次襯砌及仰拱。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 隧道開挖應(yīng)力特征分析

通過每隔4m取垂直隧道軸線（Z）方向的橫斷面分析發(fā)現(xiàn)，在施工步驟相同的條件下，各橫斷面的應(yīng)力分布位置基本一致，只是形狀和大小略有差異，因此僅取距洞口20m的斷面進行分析，列出能基本反應(yīng)施工過程中應(yīng)力變化和遷移情況的施工步云圖。從圖4～圖7可見：

圖4 第a步應(yīng)力變化特征圖Fig.4 Distribution of m axim al and m inim al p rincipal stress under the condition a.

圖5 第c步應(yīng)力變化特征圖Fig.5 Distribution of maximal and minimal principal stress under the condition c.

圖6 第e步應(yīng)力變化特征圖Fig.6 Distribution of maximal and minimal principal stress under the condition e.

圖7 第 c、e步應(yīng)力（剪應(yīng)力 Sxy）變化特征圖Fig.7 Distribution of shear stress under the condition c and e.

（1）隨著各施工階段分步開挖的進行，從主應(yīng)力云圖可以看出，在近山谷一側(cè)拱腳附近有主應(yīng)力集中，上臺階開挖后下臺階土體表層、下臺階開挖后拱底表層出現(xiàn)拉應(yīng)力；拱頂及仰拱中部圍巖主應(yīng)力較其他部位明顯減小，拱頂部分圍巖應(yīng)力σ3則出現(xiàn)拉應(yīng)力，隧道拱腳處圍巖主應(yīng)力較其他部位明顯偏大，拱腳形成較高應(yīng)力承載區(qū)；從最小主應(yīng)力云圖來看，坡體內(nèi)部形成一貫通的拉應(yīng)力帶，容易發(fā)展至滑移破壞。

（2）開挖下臺階后，隧道拱肩、拱腳腳趾部位剪應(yīng)力集中較為顯著，這一部位通常是洞身內(nèi)壁中最容易發(fā)生變形和破壞的部位。

（3）二次襯砌及仰拱施作后，隧道洞室內(nèi)圈應(yīng)力分布較為均勻，主應(yīng)力形成一個閉合圈，靠近閉合圈附近的圍巖應(yīng)力分布較均勻，洞身內(nèi)壁拱腳腳趾部位剪應(yīng)力集中得以顯著改善。

3.2 洞口開挖過程中仰坡變形分析

仰坡主軸向平行于Z軸方向（隧道軸線方向），坡體前緣Z坐標(biāo)值為0。豎向位移（Y方向位移）向上為正，向下為負(fù)。水平位移（Z方向位移）正直指向隧洞外，負(fù)值指向洞內(nèi)。

模型中平行于隧道軸線方向截取3個仰坡縱向斷面（左右側(cè)距離隧道中心線心7m各一個，過隧道中心線位置一個），在斷面與仰坡坡面的3條交線上選取若干監(jiān)測點觀察仰坡坡面豎向位移（Y方向位移）和水平位移（Z方向位移）；垂直于隧洞軸線方向截取2個仰坡橫向斷面（坡體前緣距洞口2m一個，坡體后緣距洞口37m一個），在斷面與仰坡坡面的2條交線上選取若干監(jiān)測點觀察豎向位移（Y方向位移）和坡面橫向水平位移（X方向位移）。斷面選取如圖8所示。

3.2.1 仰坡軸向位移分析

下面的位移消除了自重作用下的初始位移，為模擬實際開挖過程中的變形情況由圖9～圖11可以看出：

圖8 監(jiān)測點布置圖Fig.8 Position of monitoring points

（1）近山谷一側(cè)仰坡坡面豎向位移最大值在坡體后緣，最大值為1.56cm（向下），最大水平位移在坡坡體前緣，最大值為0.32cm；隧道洞頂上方仰坡坡面豎向位移最大值為2.49cm（向下），產(chǎn)生在坡體前緣，最大水平位移值為0.19cm，產(chǎn)生在坡體前緣；近山脊一側(cè)豎向最大位移值為1.6cm（向下），產(chǎn)生在靠近坡體后緣，最大水平位移值為0.45cm，產(chǎn)生在坡體前緣。

（2）近山谷一側(cè)與近山脊一側(cè)仰坡的豎向位移值體現(xiàn)為坡體后緣大，前緣小，而洞頂仰坡坡面豎向位移值體現(xiàn)為坡體前緣大，后緣??；坡面Z方向水平位移值表現(xiàn)為坡體前緣大，且均為向洞心外方向，后緣變化小，有向洞內(nèi)一側(cè)移動的趨勢。洞身附近仰坡前緣下沉較后緣嚴(yán)重，而隧洞兩側(cè)仰坡后緣產(chǎn)生下沉大，前緣向洞外擠出，在仰坡坡面后緣容易出現(xiàn)拉裂裂縫。

圖9 隧道近山谷一側(cè)（距隧道中心線7m）仰坡坡面軸向豎向位移、水平位移曲線圖Fig.9 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis near mountain vale（7m from the tunnel center）

圖10 隧道拱頂（過隧道中心線）仰坡坡面軸向豎向位移、水平位移曲線圖Fig.10 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis on tunnel vault

圖11 隧道近山脊一側(cè)（距隧道中心線7m）仰坡坡面軸向豎向位移、水平位移曲線圖Fig.11 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis near mountain ridge（7m from the tunnel center）

3.2.2 仰坡坡面橫向測點位移分析

圖中豎向位移為Y方向位移，正值朝向上，負(fù)值朝向下；水平位移為X方向水平位移，正值朝向山脊側(cè)，負(fù)值朝向山谷側(cè)。洞心橫坐標(biāo)為0。由圖12～圖13可以看出：

圖12 仰坡坡面下部豎向位移、水平位移曲線圖Fig.12 Curves of vertical and horizontal displacement along transverse slope axis near the mountain bottom

圖13 仰坡坡面上部豎向位移、水平位移曲線圖Fig.13 Curves of vertical and horizontal displacement along transverse slope axis near the mountain top

（1）仰坡坡面豎向位移值洞身范圍附近比較大，近山谷一側(cè)為逐漸減小的趨勢，山脊一側(cè)離洞身范圍越遠(yuǎn)，仰坡坡面豎向位移較小。

（2）仰坡橫向水平位移值在洞身范圍附近靠近山脊一側(cè)為負(fù)值，靠近山谷一側(cè)為正值。洞身兩側(cè)坡體向洞心擠壓，洞身范圍附近以上坡體在隧道開挖后沉降較大，可能出現(xiàn)塌落。

4 結(jié)論

（1）隧道洞口段開挖對仰坡影響表現(xiàn)為：仰坡后緣下沉，前緣向洞心外有移動趨勢，洞口段洞身以上仰坡坡面發(fā)生豎向下沉，洞身兩側(cè)向洞內(nèi)擠出，隧道開挖可能會引起隧道洞身附近巖體坍塌，所以工程中洞口垮塌事故屢見不鮮。

（2）明確了洞口段開挖過程中仰坡變形規(guī)律，在隧道開挖之前，先進行仰坡加固處理，同時在洞口段進洞開挖過程中，要及時關(guān)注仰坡的變形，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)從隧道開挖的控制對仰坡變形進行針對性的治理。例如隧道開挖過程中應(yīng)嚴(yán)格控制爆破藥量及進尺尺度，并及時進行有效的支護，防止洞頂巖體產(chǎn)生松弛破壞或冒頂而為上部巖體提供變形空間。

（3）對于淺埋隧道洞口圍巖段，拱頂圍巖自承能力往往較差，僅依靠初期支護達到隧道洞室圍巖完全穩(wěn)定是相當(dāng)困難的。因此，即時施作二次襯砌及仰拱，盡快封閉成環(huán)對隧道圍巖的穩(wěn)定性是十分關(guān)鍵的。

［1］張力.公路隧道洞口工程相關(guān)問題分析探討［J］.山西交通科技，2010，（8）：81-83.ZHANG Li.The analysis of portal engineering problem of highway tunnel［J］.Shanxi Science ＆ Technology of Communications，2010，（8）：81-83.

［2］劉小兵.隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性影響因素的綜合性評價［J］.鐵道工程學(xué)報，2002，（3）：38-41.LIU Xiaobing.Comprehensive evaluationo finfluencing factors of stability of the side slope at tunnelportal［J］.Journal of Railway Engineering Society，2002（3）：38-41.

［3］劉小兵，彭立敏，王薇.隧道洞口邊仰坡的平衡穩(wěn)定分析［J］.中國公路學(xué)報，2001，14（4）：80-84.LIU Xiaobing，PENG Limin，WANG Wei.Analysis on stability of balance of the side slope at tunnel portal［J］.China Journal of Highway and Transport，2001，14（4）：80-84.

［4］涂國祥，黃潤秋.某水電站壩肩順坡向變傾角巖質(zhì)邊坡變形破壞機制研究［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，32（3）：278-283.TU Guoxiang，HUANG Runqiu.Study on mechanism of deformation and failure of rock slope with variable inclination along slope of the dam shoulder of certain hydropower station［J］.Journal of Chengdu University of Technology（Science of Technology Edition），2005，32（3）：278-283.

［5］黃天立，樓夢麟，曾憲明.填土邊壁（坡）破壞模式模型試驗的有限元分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2005，1（4）：494-497.HUANG Tianli，LOU Menglin，ZENG Xianming.Finite element analysis for the filling clay side walls（slopes）failure pattern based on the simulation model test［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，2（4）：494-497.

［6］張曉榮，張武祥，楊彥民，等.特大斷面隧道洞口仰坡穩(wěn)定性研究［J］.公路，2009.ZHANG Xiaorong，ZHANGWuxiang，YANG Yanmin，et al.Study on stability of the side slope at tnnelportal［J］.Highway，2009，10.

［7］黃潤秋，肖華波.偏壓連拱隧道施工過程優(yōu)化的FLAC～（3D）分析［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，1：59-66.HUANG Runqiu，XIAO Huabo.National an optimum analysis of the construction process for double-arch tunnels under an unsymmetrical pressures and ocmplex geological conditions［J］.Journal of Chengdu University of Technology（Science ＆ Technology Edition，2009，（1）：59-66.

［8］向安田，朱合華，丁文其，等.偏壓連拱隧道洞口仰坡失穩(wěn)機制數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2008，2（4）：73-79.XIANG Antian，ZHU Hehua，DINGWenqi，et al.Mouth slope failure mechanism of shallow embedded and doublearch tunnel with partial-pressure［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，2（4）：73-79.

［9］王金兵.隧道洞口淺埋偏壓施工技術(shù)研究［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，6：27-30.WANG Jinbing.Research on construction techmology of bias of the shallow cave tunnel［J］.Journal of Anhui Institue of Architecture＆Industry（Natural Science）.2007，6：27-30.

［10］趙陽，王偉筆，楊昌能.偏壓淺埋連拱隧道施工過程的三維數(shù)值模擬［J］.中南公路工程，2005，6：181-187.ZHAO Yang， WANG Weibi， YANG Changneng.3D Numerical simulation for construction of shallow double arched tunnel under bias pressure［J］.Central South Highway Engineering，2005，6：181-187.

［11］張敏，黃潤秋，巨能攀.淺埋偏壓隧道出口變形機理及穩(wěn)定性分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2008，16（4）：482-488.ZHANG Min，HUANG Runqiu，JU Nengpan.Deformation mechanism and stability analysis of a highslope at portal of compressed tunnelat shallow depth［J］.Journal of Engineering Geology，2008，16（4）：482-488.