软弱围岩偏压隧道洞口段的力学效应及优化措施研究

软弱围岩偏压隧道洞口段的力学效应及优化措施研究

石钰钰 1 张成忠 2 张凯 3

重庆交通大学 重庆 400000

摘要：软弱围岩浅埋偏压隧道洞口段极易发生围岩失稳，本文以渝长高速公路两江隧道为例，总结隧道洞口段软弱围岩失稳的影响因素，利用数值模拟分析偏压隧道洞口段的力学特征，提出针对性的解决措施。 研究结果表明：在浅埋偏压地形下的隧道洞口左右两侧受力差距较大，隧道水平向最大位移发生在隧道拱脚部位与隧道左侧拱腰部位，拱顶与隧道底部发生较大的竖向位移，隧道左侧仰拱及拱脚处的锚杆轴力达到最大值，极大影响隧道的稳定性。通过在隧道洞口浅埋段设置加强衬砌、加强雨水与地下水的引排、增设临时支撑等措施，增加隧道洞口段的整体稳定性

引言

隧道在施工过程中遇到的软弱围岩、溶洞、突水、突泥等不良地质现象也越来越多，特别是在隧道洞口段开挖过程中遇到偏压情况时，围岩通常会产生较大变形甚至失稳破坏，导致施工难度增加，严重影响工程进度，有时甚至会威胁到现场施工人员的安全。 为研究不同埋深条件下偏压隧道的破坏问题，Chambon^[1]设计离心模型实验，得出了具有实用性的结论。钟新樵^[2]对实际偏压隧道工程进行了模型试验，得出了影响偏压隧道稳定性的重要因素有隧道断面形状和施工工序的结论。Solim.E^[3]建立了浅埋偏压隧道的三维模型，对各种不同的支护方案进行了模拟计算，从而对不同支护条件下浅埋偏压隧道的变形情况进行了总结分析。王立川^[4]在不同埋深、坡角等情况下的初衬、二衬受力下的偏压隧道进行了研究，并得出在响应条件下的计算围岩压力公式。李林等^[5]采用动力学模型对偏压隧道震动加速度进行研究发现，临空面将使得震动加速度增大。汪宏等^[6]使用ANSYS对实际隧道工程监理三维模型进行数值模拟，得出了使得隧道洞口段发生塌方事故的具体原因。K.W.Lo^[7]以实际工程为基础，根据现场实际监控量测数据，对浅埋偏压隧道的施工影响进行了研究。李延斌等^[8]由实测数据对围岩的力学参数进行了反演，并由此建立出了符合现场地质和工程情况的数值模型。本文依托渝长高速公路两江隧道，从力学效应角度分析浅埋偏压隧道失稳的原因，并有针对性的提出优化方案。

1工程概况

1.1工程简介

渝长高速公路两江隧道长2800.911m（左右线平均），为长隧道。进口位于重庆市江北区复盛镇华山村，出口位于五宝镇大树村。两江隧道位于该路段的YCTJ2和YCTJ3合同段内（YCTJ2合同段桩号范围K3+800~K5+735（ZK3+801.281~ZK5+73）；YCTJ3合同段桩号范围K5+735~K8+600（ZK5+735~ZK8+607.277）。隧址区乡间道路较多，交通条件较好。两江隧道属构造剥蚀丘陵低山地貌及溶蚀峰丛洼地地貌，区内植被发育，纵向坡度较大，陡坎林立，坡体上部为薄层残坡积粉质粘土覆盖。-

1.2地质概况

隧道进口位于冲沟北东侧斜坡上，进口段属构造剥蚀丘陵低山地貌，处于剥蚀山前沟侧斜坡地带，地形北东高南西低，坡向239°，坡度10～32°，地表局部覆盖残坡积粉质粘土，厚约0-1.00m，下伏侏罗系珍珠冲组页岩、自流井组泥岩，岩质软。隧道进口位于明月峡背斜西翼，岩层呈单斜状产出，岩层产状301°∠76°，层间结合一般～差，强风化带厚3.0～5.0m，岩体破碎，中风化岩体较完整。

1.3隧道洞口施工情况

洞口属于Ⅴ级围岩段，多由残坡积粉质粘土、强风化页岩及强风化泥岩组成，埋深较浅时易垮塌至地表，页岩、泥岩风化强烈，进洞口段页岩、泥岩开挖暴露后极易失水裂解。两江隧道20m范围内左侧上覆土层厚度与右侧厚度差异厚度较大，属于浅埋偏压隧道。在施工过程中洞口段左拱腰处混凝土出现开裂，型钢发生较大变形.

2.隧道失稳影响因素分析

2.1地形偏压

隧道洞口左右侧边坡坡度相差较大，围岩、衬砌受两侧受力不均匀，隧道承受非对称荷载，从而使围岩和衬砌结构承受非对称压力。

2.2地质偏压

在隧道岩体中，存在着大量的结构面，围岩自稳能力差，岩体沿着结构面滑动会造成衬砌结构一侧受压而产生偏压。洞口属于软弱围岩段，多由残坡积粉质粘土、强风化页岩及强风化泥岩组成，埋深较浅时易垮塌至地表，页岩、泥岩风化强烈，进洞口段页岩、泥岩开挖暴露后极易失水裂解。

2.3降水与地下水

隧道洞口段施工期间处于梅雨季节，出现多次连续强降雨，雨水的大量入渗，增加了地下水的含量，使得隧道洞口围岩发生了软化，降低了围岩的稳定性。渗流导致围岩产生缝隙，从而极大的降低来了围岩的抗剪强度。

3.洞口偏压段受力特性分析

3.1数值模型的建立

本文利用Midas gts有限元软件对隧道洞口段浅埋偏压段进行模拟分析，隧道模型尺寸根据实际隧道尺寸进行确定，其基本形态为左高右低，呈明显浅埋偏压地形，在模型边界条件方面，隧道底部施加垂直方向的约束条件，隧道左右两侧及顶部的施加水平跟垂直方向的约束条件，该模型为隧道开挖及衬砌支护过程中的施工阶段模拟， 隧道围岩采用摩尔-库伦本构模型，喷混跟锚杆采用弹性本构模型。各材料的物理力学参数如表1所示。

表1 隧道模型材料物理力学参数

3.2数值计算结果分析

通过数值模拟分析，得出该浅埋偏压隧道开挖后竖直方向与水平方向的位移分布情况，并计算锚杆的轴力，具体情况如下图所示

图2 Z方向轴的总位移图

图3 X方向轴的总位移图

图4 初期支护锚杆轴力图

由图2可以看出，隧道竖直方向最大位移发生在隧道拱顶与隧道底部，其拱顶最大下沉为-3.22cm，隧道底部最大上升为4.47cm，其原因在于浅埋偏压地形下，隧道支护结构承受不均匀荷载，在拱顶出现了应力集中现象。从图3可以看出该隧道水平向最大位移发生在隧道拱脚部位与隧道左侧拱腰部位，其最大值达到8.30cm,由于浅埋偏压地形的作用，左侧偏压大于右侧偏压，在左侧边墙处产生了较大的位移。从图4可以看出，隧道初期支护结构轴力最大轴力发生在隧道两侧拱脚与仰拱处，左侧轴力明显大于右侧轴力，在浅埋偏压地形作用下，初期支护结构整体受力极不平衡，不利于隧道整体稳定性。

4.施工优化方案 4.1设置加强衬砌

结合洞口地形、地质条件，隧道洞口浅埋段设置加强衬砌。隧道洞口浅埋加强衬砌段采用喷、锚、网和工字钢作为施工临时支护，二次衬砌拱墙及仰拱采用模筑钢筋混凝土，Ⅴ级围岩施工辅助措施根据现场地质情况分别采用超前小导管预支护，超前小导管与大管棚搭接长度不小于2m。洞口加强段二次衬砌应紧跟开挖施作，初期支护尽早闭合成环，尽可能早地施作刚度较大的初期支护，以控制地表和地中的位移,防止围岩的松弛。

4.2地下水的处理

处理好地表水和洞内水。采取措施防止地表水连续渗入洞内,对地下水应超前引排必要时进行降水，洞内积水及时排放。隧道洞口应避免水流汇集，防止地表汇水冲蚀。隧道洞顶设置洞顶排水沟，在边仰坡开挖线外5m的适当位置设置洞外截水沟，保证洞顶排水沟和洞外截水沟排水畅通。洞口范围雨水经截、排水沟汇入路基涵洞或自然沟渠中。洞口路基水沟积水禁止流入洞内，必要时可设置反坡。

4.3增设临时支撑

在隧道洞口拱顶最大变形处增设临时支撑，减少隧道内部临空面，提高隧道洞口段的整体稳定性。

4.4地表与岩体注浆

地表与掌子面注浆，对力学性能较差的围岩进行加固，增大围岩的抗剪能力，从而保证围岩的整体稳定性。

5.结论

本文以渝长高速公路两江隧道为例，利用数值模拟研究初期支护结构的力学特征，并提出针对性的施工优化方案，给出如下结论及建议：

1）浅埋偏压隧道洞口段的结构受力不均匀，其中地形地貌和地下水是围岩失稳的最主要的原因。

2）通过数值分析，隧道洞口处的拱顶与底部会发生较大的竖向位移，水平方向在隧道拱脚部位及左侧拱腰位置处发生较大位移，锚杆轴力最大处为隧道左侧拱脚及仰拱处。

3）在针对围岩失稳机制分析的基础上，从加强衬砌、处理地下水、加设临时支撑、注浆等方式提高围岩的整体稳定性，有效的控制围岩变形。