董朝陽

(中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著交通的迅速發(fā)展，隧道在地下工程中扮演著愈加重要的角色。隧道表層大多表現(xiàn)為斜坡狀，不可避免的會出現(xiàn)偏壓作用，導致隧道的不對稱變形，且覆蓋在洞口段的表層較薄，極易使隧道開挖過程中的圍巖及支護結構產(chǎn)生受力不均衡的情況，從而導致圍巖失穩(wěn)，影響到隧道建設安全，嚴重時可能會產(chǎn)生塌方、冒頂，加之水的作用，極有可能發(fā)生泥石流災害，使圍巖強度大大降低，危及隧道建設安全，危害建設人員生命安全。因此，許多學者研究了淺埋偏壓隧道的圍巖狀態(tài)及受力特征[1-6]，為研究類似工程奠定了良好的基礎。然而，現(xiàn)階段人們對于淺埋偏壓隧道支護結構的了解還不夠深入，且由于隧道受到施工以及外界環(huán)境影響較大，極易使施工方案的實施與理論方案不符；另外，各地區(qū)地質環(huán)境各不相同且復雜，使得施工控制結果讓人難以滿意。鑒于此，本文以月麥岔隧道進口超淺埋偏壓段為研究對象，通過對偏壓段進行斷面分析及襯砌結構驗算，提出針對偏壓段合理的施工建議，為保證超淺埋偏壓隧道的穩(wěn)定提出有效的施工措施。

1 工程概況

月麥岔隧道起訖里程為DK192+693.755—DK193+526，全長832.245 m，為雙線隧道，隧道最大埋深約74 m。隧道進口DK192+709—+955段246 m淺埋偏壓，偏壓情況如圖1所示。隧道所處地層為第四系上更新統(tǒng)風積砂質黃土、沖洪積細圓礫土、白堊系下統(tǒng)砂巖夾礫巖，該段隧道洞身主要位于砂巖夾礫巖層中。

圖1 地表偏壓狀況(單位：cm)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 淺埋偏壓洞口段隧道設計方案

偏壓洞口段圍巖至上而下依次為砂質黃土、砂巖加礫巖W4、W3地層，拱頂覆蓋層約5.5～14.1 m，地表橫坡約1∶1.4，左右側高差約60 m，偏壓嚴重。

(1)洞內超前支護采用?89 mm管棚+小導管，襯砌采用Ⅴc偏壓襯砌，初支厚30 cm，全環(huán)設置I22a@0.5 m鋼架，二襯拱墻55 cm，仰拱65 cm，每延米配5根?22 mm鋼筋；采用CRD工法施工。

(2)洞外采用?89 mm鋼花管地表注漿，注漿范圍為隧道中線左側10 m，右側15 m，左側加固深度至W3地層2 m，右側加固深度至W3地層0.5 m，隧道開挖范圍內注漿深度為開挖輪廓外50 cm，鋼花管間距按1.5 m×1.5 m(縱×橫)梅花型布置，采用?89 mm鋼花管，每排共17根。先鉆注漿孔，然后分層注漿。

(3)采用10%水泥穩(wěn)定碎石土反壓回填，夯實密實度不小于0.9，待回填土完全固結后方可進行洞內施工。回填坡腳采用C20混凝土擋墻及樁板墻防護：擋墻高不大于8 m，擋墻基礎埋深不小于1.3 m，基底采用三七灰土換填1 m厚；DK192+917—DK192+955段采用樁板墻防護，樁間距為6 m，樁截面2.00 m×2.25 m，樁長14 m。

2.2 數(shù)值模擬結果分析

2.2.1 模型的建立

模型計算范圍的確定主要根據(jù)隧道開挖后應力重分布情況，并考慮滿足一定的邊界效應。Ⅴc襯砌斷面跨度約為14 m，考慮到隧道的影響范圍一般為3～5倍洞徑，從隧道左右兩側最外緣再往兩邊各取45 m為左右邊界，模型的橫向尺寸約為104 m；隧道仰拱最外緣往下再取45 m作為下邊界，上邊界為地表面并考慮填方層的厚度，模型的豎向尺寸約為109 m。

根據(jù)月麥岔隧道地勘報告，選取各級圍巖計算參數(shù)如表1所示。襯砌鋼筋混凝土彈性模量根據(jù)《隧道設計規(guī)范》6.2.4節(jié)并結合以往工程經(jīng)驗取值33 GPa。

表1 地層物理力學參數(shù)

建模時，地層圍巖、填土及樁基層均采用4節(jié)點的四邊形二維單元模擬，襯砌采用2節(jié)點梁單元模擬。整個模型共有單元7 094個、節(jié)點7 174個，其中隧道襯砌單元38個、節(jié)點38個。

在本模型中，計算分析邊界條件取為：底面約束豎直方向y方向的自由度，側向約束x方向的自由度，地表為自由面。

本次計算主要分析隧道工后二襯支護結構的最終受力狀態(tài)。因此，取反壓回填及地表注漿措施處理完成后的地層作為初始計算狀態(tài)，并對施工步做適當簡化如圖2所示。

圖2 開挖計算狀態(tài)

2.2.2 山體總體變形趨勢

山體的總體變形如圖3所示。隧道開挖后，整個地層由于偏壓作用發(fā)生了向右變形的趨勢，并且反壓回填的錨固樁發(fā)生了一定的傾斜；同時隧道上方由于開挖卸載影響，地表發(fā)生了一定的豎向沉降。

圖3 山體的總體變形

2.2.3 山體水平及豎向位移

水平：隧道開挖后，地表的水平位移從坡頂往坡腳逐漸遞增，其中最大地表水平位移發(fā)生在隧道右上方反壓回填區(qū)域附近，約為7.37 mm，方向向右。

豎向：隧道開挖后，地層的豎向變形主要發(fā)生在隧道周邊區(qū)域，并從隧道正上方向左右兩邊逐漸減小，其中最大地表豎向沉降發(fā)生隧道正上方附近，約為19.80 mm，如圖4所示。

圖4 山體水平及豎向位移

2.2.4 圍巖塑性區(qū)分析

山體的塑性區(qū)分布如圖5所示，其中，深色區(qū)域處即為發(fā)生了塑性屈服的區(qū)域?？梢钥闯觯河捎谄珘鹤饔?，地層的塑性區(qū)主要分布在錨固樁附近，而隧道附近的塑性區(qū)則相對較少；隧道周邊的塑性區(qū)主要集中在左上方，承受偏壓的一側區(qū)域；隧道正上方加固區(qū)域的塑性區(qū)相對較少。

圖5 圍巖塑性區(qū)

施工中應加強對錨固樁附近及隧道受偏壓側的監(jiān)測。

2.2.5 隧道襯砌結構安全檢算

隧道二襯彎矩與軸力分布如圖6所示：

圖6 隧道二襯內力

偏壓對隧道的內力分布有較明顯的影響。由于隧道左上方山體較高，為承受地層偏壓力的主要方向，因此左上方彎矩明顯增大，而其他區(qū)域相對較小。另外，隧道拱腳由于應力集中作用，彎矩同樣較大。

取襯砌彎矩最大的4個特征點，按《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003-2016)進行安全系數(shù)檢算，結果見表2。

表2 襯砌結構安全系數(shù)

由表2的支護截面強度檢算結果可知，隧道襯砌結構各處的破壞類型均為大偏心受壓破壞，且襯砌截面強度滿足規(guī)范安全系數(shù)大于2.0的要求，裂縫寬度小于規(guī)范0.2 mm的要求。

3 變形控制分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

月麥岔隧道在開挖后，周圍圍巖被擾動，圍巖失去了原有的穩(wěn)定性，加之淺埋段地層較薄，進而影響到地表表層，致使地表產(chǎn)生水平及豎直位移。因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)選取月麥岔隧道洞口段DK192+915、DK192+925、DK192+935三個斷面為沉降觀測研究對象，共設置五個監(jiān)測點，其中沿隧道中心線設置1個，距離隧道中線每隔2.3 m處設置左右各2個，累計監(jiān)測62 d。

三個斷面的地表沉降變化規(guī)律基本一致，DK192+915觀測結果如圖7所示。由圖7所示，隧道進口段開挖致使洞身上覆巖層產(chǎn)生位移，最大沉降量為16.60 mm，說明該斷面的埋深較淺，圍巖較易遭受擾動。在隧道進口段淺埋處施工中，應及時做好超前支護，以防隧道拱頂塌陷。

圖7 DK192+915斷面地表沉降變化

隧道DK192+925斷面產(chǎn)生位移值大于斷面DK192+915，最大沉降值為20.00 mm。說明該斷面的埋深比斷面DK192+915淺，圍巖更易遭受擾動，在隧道開挖過程中更要注意洞身上覆巖層的變化。

DK192+935斷面地表沉降量監(jiān)測結果最大值為19.20 mm，從側面表現(xiàn)出此斷面埋深較淺。在隧道開挖后，隧道上覆圍巖被擾動，整個地層也由于偏壓作用出現(xiàn)了變形趨勢，隧道本身也發(fā)生了變形。

各斷面地表水平位移變化如圖8所示，可以看出最大水平位移值出現(xiàn)在斷面里程DK192+905上，且最大地表水平位移值為10.56 mm。圖中顯示水平位移變化與隧道埋深有關系，并有一定規(guī)律性，埋深越淺，地表位移變化越大；反之，埋深越深，地表水平位移變化越小。

圖8 各斷面地表水平位移變化

3.2 監(jiān)測與模擬對比分析

將數(shù)值模擬結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比(見表3)，可以更加清楚地了解圍巖的動態(tài)變化規(guī)律，可以更好地控制隧道的施工變形。

從表3可知，監(jiān)測的隧道圍巖變形量與數(shù)值模擬的隧道圍巖變形量有所差異，但是兩者產(chǎn)生的變形量差異較小。這是由于數(shù)值模擬是理想化的模型，欠缺圍巖中水的作用的影響、巖體的各向異性的影響，實際施工中隧道開挖的施工方案及時間與模型之間具有一定差別。

表3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬變形量對比 mm

圍巖變形模擬結果與實測結果相差較小，且隧道整體變形小，可以滿足隧道安全施工的要求。

4 結論

(1)隧道開挖后，整個地層由于偏壓作用發(fā)生了向右的變形，并且反壓回填的錨固樁發(fā)生了一定的傾斜。超淺埋偏壓隧道施工中應加強超前支護、核心土、大拱腳、鎖腳錨管等變形控制措施，二次襯砌緊跟，確保淺埋偏壓隧道施工安全。

(2)地層的塑性區(qū)主要分布在錨固樁附近，隧道周邊的塑性區(qū)主要集中在左上方、承受偏壓的一側區(qū)域。隧道正上方加固區(qū)域的塑性區(qū)相對較少，且各塑性區(qū)并未連通成片，山體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)地勢的偏壓作用對隧道變形有較明顯的影響，隧道位移變形呈非對稱分布，并且以沉降變形為主；地層豎向變形主要發(fā)生在隧道周邊區(qū)域，并從隧道正上方向左右兩邊逐漸減小。

(4)經(jīng)過襯砌彎矩最大的4個特征點的檢算，可發(fā)現(xiàn)隧道襯砌結構該處的破壞類型均為大偏心受壓破壞，且襯砌截面強度滿足規(guī)范要求。