葉志強(qiáng) 郭璇，2 呂勤，2

1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044

我國西南地區(qū)的隧道施工過程中常遇到復(fù)雜水文地質(zhì)條件，淺埋偏壓洞口段病害問題突出［1］。在復(fù)雜的外部荷載擾動(dòng)下，鐵路隧道洞口處支護(hù)結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)變形過大，伴隨產(chǎn)生洞口支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、大彎矩和應(yīng)力集中密集。處于淺埋狀態(tài)的隧道洞口還易受降雨和自然風(fēng)化的影響而造成圍巖強(qiáng)度顯著降低。針對(duì)洞口圍巖所受影響復(fù)雜、邊坡隧道坍塌、洞口掩埋等地質(zhì)災(zāi)害問題，過強(qiáng)或不當(dāng)?shù)闹ёo(hù)可能造成更大擾動(dòng)或安全隱患。

針對(duì)軟弱圍巖淺埋偏壓隧道的大變形控制問題已有豐富工程案例和施工經(jīng)驗(yàn)。冉龍華等［2］依托云屯堡隧道分析大變形機(jī)制，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)提出了綜合處置措施。潘文韜等［3］探究了偏壓隧道適宜工法并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非對(duì)稱優(yōu)化。郭璇等［4］研究了管棚預(yù)支護(hù)體系在軟弱圍巖時(shí)的土壓分布情況。倪向龍等［5］分析了邊坡隧道破壞機(jī)理與形成過程中的4個(gè)階段。盧光兆等［6］通過模擬廣西嶺頂隧道的圍巖穩(wěn)定性和施工工法，使用中隔墻法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法較好保證了隧道穩(wěn)定性。Tang等［7］分析了大跨度淺埋偏壓隧道開挖后圍巖及支護(hù)應(yīng)力變化情況，確定合理開挖方案。Chen等［8］分析了木寨嶺隧道的破壞機(jī)理，從破壞形式、地下水、影響因素的敏感性、變形程度、變形速率和變形持續(xù)時(shí)間六個(gè)方面總結(jié)了大變形特征。Wang等［9］通過現(xiàn)場監(jiān)測偏壓隧道大變形過程，分析雨水滲流、巖石強(qiáng)度低、偏壓等因素影響，采用臨時(shí)鋼拱、垂直支撐、斜撐、臨時(shí)仰拱組合等加固措施阻止大變形發(fā)展。

隧道洞口段圍巖的控穩(wěn)技術(shù)及理論研究目前還處于經(jīng)驗(yàn)積累階段，仍需大量工程實(shí)例和理論依據(jù)，特別是淺埋偏壓隧道洞口段穩(wěn)定性的研究。本文依托西南地區(qū)一淺埋偏壓鐵路隧道典型洞口段工程，通過理論分析、數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測，分析變余砂巖隧道洞口淺埋偏壓段初期支護(hù)大變形產(chǎn)生的機(jī)理。

1 工程概況

依托工程位于貴州省境內(nèi)，進(jìn)口段較陡，自然坡度在10°~20°；出口段自然坡度在10°~15°。隧道區(qū)附近海拔456~615 m，相對(duì)高差159 m；軸線通過的地面高程為472.00~562.00 m，相對(duì)高差90.00 m。隧道區(qū)洞口段為強(qiáng)風(fēng)化變余砂巖夾雜黏土，巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體松散碎裂，自穩(wěn)能力差。

該隧道起訖里程為ZK38+425—ZK38+870，全長445 m，最大埋深75 m。隧道開挖選擇從ZK38+870側(cè)開始。隧道各圍巖段物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 隧道各圍巖段巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 初期支護(hù)大變形特征

因持續(xù)一個(gè)月遭遇強(qiáng)降雨，隧道入口發(fā)生洞口仰坡開裂，拱頂沉降速率加快。隧道掌子面施工至某斷面時(shí)，掌子面后10 m鋼拱架嚴(yán)重變形，在120 min內(nèi)向隧道洞內(nèi)突出0.6 m。鋼拱架附近產(chǎn)生明顯裂縫，襯砌混凝土開裂剝落，出現(xiàn)明顯平面外偏壓大變形特征。洞口段隧道右拱肩出現(xiàn)局部大變形、開裂、掉塊、鋼拱架變形等問題。同時(shí)，邊坡圍巖出現(xiàn)大面積裂縫、剝落，邊坡大裂縫主要沿坡向發(fā)育。

針對(duì)上述情況，立即采用20b工字鋼架對(duì)大變形部位進(jìn)行緊急支撐限位，工字鋼排距1 m，每排均采用∟10×10 cm角鋼進(jìn)行橫縱牢固連接，底座用槽鋼支墊加固。

采用全站儀監(jiān)測全路段初期支護(hù)大變形的發(fā)展。典型斷面初期支護(hù)侵限測點(diǎn)變形特征如圖1所示。根據(jù)TB 10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》，隧道大變形的變形量劃分見表2。

圖1 ZK38+860截面隧道初期支護(hù)侵限（單位：mm）

表2 隧道大變形的變形量劃分

從圖1可以看出：①初期支護(hù)從深埋側(cè)向淺埋側(cè)最終累積變形量顯著，右側(cè)拱肩最大變形量達(dá)674.1 mm。根據(jù)TB 10204—2002，單線隧道變形量大于15 cm即認(rèn)為發(fā)生大變形。②深埋側(cè)的鋼拱架沿隧道軸向出現(xiàn)大變形，主支護(hù)結(jié)構(gòu)裂縫較密集，主要沿隧道半徑方向發(fā)展。究其原因，開挖擾動(dòng)后，由于降雨入滲使圍巖軟化，加之支護(hù)結(jié)構(gòu)過強(qiáng)，加大了不對(duì)稱偏載的離心矩，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能提供足夠支護(hù)力，造成初期支護(hù)產(chǎn)生大變形。

根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，Ⅴ級(jí)圍巖隧道拱頂?shù)淖畲笕菰S沉降為100 mm。典型監(jiān)測斷面ZK38+862和ZK38+853的拱頂沉降見圖2。可知：初期支護(hù)發(fā)生大變形，ZK38+862和ZK38+853斷面拱頂沉降分別達(dá)到了416、179 mm，遠(yuǎn)大于容許變形值；布設(shè)臨時(shí)鋼架能有效控制拱頂位移的發(fā)展。

圖2 典型監(jiān)測斷面拱頂沉降時(shí)程曲線

3 初期支護(hù)大變形機(jī)理

3.1 圍巖特征對(duì)初期支護(hù)大變形的影響

西南地區(qū)變余砂巖典型邊坡隧道洞口段地形特殊，地質(zhì)及水文條件差，圍巖等級(jí)低（Ⅴ級(jí)）；強(qiáng)風(fēng)化的變余砂巖夾雜黏土洞口段巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體松散碎裂，自穩(wěn)能力較差。因此，容易出現(xiàn)洞口段局部大變形、開裂、掉塊貫通等問題。

3.2 連續(xù)強(qiáng)降雨對(duì)初期支護(hù)大變形的影響

隧道洞口段施工遭遇連續(xù)強(qiáng)降雨，大量雨水滲灌隧道洞口段及圍巖。圍巖吸水飽和后重度增加，邊坡滑楔體下滑力增大，洞口初期支護(hù)偏壓荷載、彎矩及扭矩增大。同時(shí)，圍巖吸水軟化，抗剪強(qiáng)度降低，阻滑能力大幅減弱。強(qiáng)降雨使圍巖有效強(qiáng)度降低，成為洞口段大變形的主要原因之一。

采用FLAC 3D 5.0有限差分法進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步分析強(qiáng)降雨作用對(duì)初期支護(hù)大變形的影響。根據(jù)圣維南原理，建模時(shí)忽略開挖區(qū)域?qū)h(yuǎn)場的影響，取隧道左右各5倍洞徑，縱向取48 m，計(jì)算模型尺寸為100 m×100 m×48 m。整個(gè)數(shù)值模型共117 400個(gè)單元，36 916個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算采用摩爾庫倫準(zhǔn)則。

考慮兩種工況。工況1：不考慮降雨影響，計(jì)算參數(shù)取原始地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)；工況2：考慮強(qiáng)降雨影響，在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)獲取自然飽和條件下圍巖飽和參數(shù)。工況1和工況2圍巖和初期支護(hù)參數(shù)［10］見表3。

表3 圍巖及初期支護(hù)計(jì)算參數(shù)

工況1下圍巖及初期支護(hù)位移見圖3。可知，圍巖和初期支護(hù)都出現(xiàn)了平面外變形。受偏壓作用的影響，深埋側(cè)圍巖向左下側(cè)通過主動(dòng)土壓力擠壓支護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致從拱頂至右拱腳的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向隧道內(nèi)側(cè)的平面外大變形，右拱肩處變形最大，為5.42 mm；隧道底拱處向左上方產(chǎn)生隆起，最大為4.66 mm?？紤]相互作用，偏壓作用下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形均值在TB 10003—2016容許范圍內(nèi)。因此，不考慮降雨影響，該隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)方案是可行的。

圖3 工況1位移云圖（單位：m）

工況2下圍巖及初期支護(hù)位移見圖4?？芍荷盥駛?cè)圍巖向左下側(cè)擠壓支護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致從拱頂至右拱腳處的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了向隧道內(nèi)側(cè)的變形，其中右拱肩處變形最大，為719 mm；由于力的相互作用，隧道的底拱處向左上方產(chǎn)生隆起，最大為700 mm。受強(qiáng)降雨影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖均承受較大的偏壓荷載，產(chǎn)生了大變形，超過TB 10003—2016容許范圍，最終導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)的平面外大變形以至于破壞。

圖4 工況2位移矢量云圖（單位：m）

對(duì)比兩種工況的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在不考慮降雨影響的情況下，隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方案能有效抵抗來自隧道的偏壓荷載；遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，土體吸水軟化，重度增加，土體抗剪強(qiáng)度降低，偏壓荷載迅速增加，致使初期支護(hù)變形劇增，最終導(dǎo)致隧道支護(hù)系統(tǒng)破壞。

3.3 變余砂巖特殊地質(zhì)條件下洞口塊裂體荷載模式

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到的圍巖和支護(hù)變形，建立變余砂巖特殊地質(zhì)條件下洞口塊裂體荷載模式。淺埋偏壓荷載軟弱結(jié)構(gòu)面的隧道變形分析模型如圖5所示。紅色虛線表示隧道開挖后支護(hù)變形情況。將隧道圍巖按隧道中線、薄弱結(jié)構(gòu)面、破碎面劃分為4個(gè)區(qū)域。A區(qū)為主動(dòng)滑動(dòng)變形區(qū)，下滑動(dòng)傾向?qū)Τ跗谥ёo(hù)施加主動(dòng)擠壓力。B區(qū)為被動(dòng)滑動(dòng)變形區(qū)，其變形由A區(qū)推力引起，A區(qū)變形大于B區(qū)。C區(qū)為偏壓荷載區(qū)，位于隧道深埋一側(cè)。D區(qū)為抗偏壓荷載區(qū)，位于淺埋側(cè)。C區(qū)、D區(qū)均屬于約束限位區(qū)，均為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)提供橫向支撐邊界。C區(qū)荷載大于D區(qū)?？紤]飽和軟弱結(jié)構(gòu)面的存在，上部巖層（A區(qū)、B區(qū)）的變形要大于下部巖層（C區(qū)、D區(qū)）的變形。綜上所述，4個(gè)區(qū)域的變形關(guān)系為A＞B＞C＞D，這與圖1、圖4的變形規(guī)律一致。圖中，P1為主動(dòng)滑動(dòng)區(qū)A對(duì)隧道右拱腰的剪應(yīng)力，P2為被動(dòng)滑動(dòng)區(qū)B抵抗隧道左拱腰隆起的作用力，P3為偏壓荷載區(qū)C對(duì)隧道右拱腰的作用力，P4為抗偏壓荷載區(qū)D抵抗P1的相互作用力。

圖5 淺埋偏壓荷載軟弱結(jié)構(gòu)面的隧道變形分析模型

4個(gè)區(qū)域的相對(duì)變形對(duì)有軟弱結(jié)構(gòu)面的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步產(chǎn)生剪切作用，導(dǎo)致支護(hù)大變形或裂隙網(wǎng)主要分布在區(qū)域交界面附近。對(duì)比圖1和圖5可知，右拱腰大變形是拉應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用的結(jié)果。拉應(yīng)力是由A區(qū)巖體滑動(dòng)的擠壓力引起的，剪應(yīng)力是由巖層間的相對(duì)位移引起的，P1是造成隧道右拱肩大變形的主要原因。隧道底拱在P4的作用下產(chǎn)生了隆起變形。左拱腰變形是由向外膨脹變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力引起的，P2無法提供足夠抵抗P1和P4合力的支撐，導(dǎo)致B區(qū)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向外隆起變形。

根據(jù)該鐵路隧道實(shí)際參數(shù)，定量分析偏壓荷載（圖6）對(duì)該隧道側(cè)壁的影響程度［11］。取隧道寬度L=13.5 m，隧道中心線高度H=0.4 m，覆蓋土重度γ=20 kN/m3，圍巖內(nèi)摩擦角φ=40°，頂板土柱兩側(cè)摩擦角θ=0.6φ=24°，地面坡坡度角α=40°，內(nèi)側(cè)任意點(diǎn)至地面的距離h=10.06 m，外側(cè)任意點(diǎn)至地面的距離h′=1.88 m。經(jīng)計(jì)算，內(nèi)側(cè)壓力系數(shù)λ=0.472，外側(cè)壓力系數(shù)λ′=0.226。據(jù)此計(jì)算隧道內(nèi)外側(cè)圍巖壓力均布值e內(nèi)和e外：e內(nèi)=(e1，內(nèi)+e2，內(nèi))/2=110.76 kN/m2，e外=(e1，外+e2，外)/2=15.79 kN/m2。其中，e1，外、e1，內(nèi)為隧道側(cè)壁頂端的圍巖壓力，e2，外、e2，內(nèi)為隧道側(cè)壁底端的圍巖壓力。

圖6 偏壓荷載

根據(jù)理論計(jì)算得出內(nèi)外側(cè)的壓力均布?jí)毫?，在未施加超前預(yù)加固的情況下，該隧道內(nèi)側(cè)均布?jí)毫s為外側(cè)的7倍，形成了極其嚴(yán)重的偏壓荷載，導(dǎo)致發(fā)生相應(yīng)的偏壓大變形。

4 變形控制方案及效果

結(jié)合初期支護(hù)大變形的特征和機(jī)理分析，采取了一系列變形控制措施。

1）增設(shè)排水溝。增設(shè)排水溝可引導(dǎo)強(qiáng)降雨沿地表徑流，減少對(duì)圍巖的滲入，利于隧道圍巖周圍土體的固結(jié)，維持隧道圍巖穩(wěn)定性，限制進(jìn)一步變形。

2）噴混凝土護(hù)坡，增設(shè)1.2 m防水板。在洞口仰坡段坡體加固，噴射C20混凝土8 cm；隧道內(nèi)襯增設(shè)1.2 mm防水板，防止水滲入。

3）減載反壓（圖7）。a區(qū)邊坡圍巖沖刷損失通過b區(qū)平衡彌補(bǔ)，b區(qū)巖體護(hù)坡抑制支護(hù)大變形。為防止a區(qū)土體滑動(dòng)，實(shí)施減載反壓回填措施。將隧道洞口右上方a區(qū)深埋側(cè)500 m3土體回填至b區(qū)淺埋側(cè)，增加淺埋側(cè)的反壓力，有效減輕偏壓荷載影響。

圖7 減載反壓及長短錨桿組合支護(hù)示意

4）長短錨桿組合支護(hù)（參見圖7）。拱頂至右拱腳90°范圍采用4 m長注漿錨桿環(huán)向布置，錨桿間距為1.0 m×1.0 m，拱頂至左拱腳90°范圍采用2 m長注漿錨桿環(huán)向布置，錨桿間距1.0 m×1.0 m。

5）隧道穩(wěn)定可控狀態(tài)時(shí)，拆除臨時(shí)支撐，及時(shí)施作二次襯砌。

采取控制措施后現(xiàn)場監(jiān)測豎向位移見圖8?？芍淼烙夜把灰谱畲?，由于深埋側(cè)豎向應(yīng)力較大使得右拱腰的豎向位移較左拱腰大近3倍，左拱腳和右拱腳的豎向位移都較小。整治前后關(guān)鍵部位的變形見表4。

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測豎向位移曲線

表4 關(guān)鍵部位變形對(duì)比 mm

5 結(jié)論

1）隧道初期支護(hù)大變形特征為累積變形量大，前期變形速率快，變形持續(xù)時(shí)間長；破壞形式為洞口段隧道右拱肩處初期支護(hù)出現(xiàn)局部大變形、開裂、關(guān)鍵掉塊，邊坡圍巖出現(xiàn)大面積裂縫、剝落等。

2）連續(xù)降雨、洞口段偏壓嚴(yán)重、圍巖等級(jí)低是初期支護(hù)大變形的主要誘因。

3）右拱腰變形是深埋側(cè)巖體滑動(dòng)擠壓力引起的拉應(yīng)力和巖層間相對(duì)位移產(chǎn)生的剪應(yīng)力共同作用的結(jié)果；左拱腰變形是由向外膨脹變形引起的拉應(yīng)力產(chǎn)生的，由于淺埋側(cè)巖體無法抵抗產(chǎn)生的偏壓荷載，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向外隆起變形。

4）采用20b工字鋼臨時(shí)支護(hù)+增設(shè)排水溝和防水板+噴混凝土護(hù)坡+反壓減載+長短錨桿組合支護(hù)的綜合整治方案，有效控制了隧道洞口段初期支護(hù)大變形，效果良好。