淺埋偏壓土質隧道削坡減載措施有效性分析★

熊 中 貴

(貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008)

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·橋梁·隧道·

淺埋偏壓土質隧道削坡減載措施有效性分析★

熊 中 貴

(貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008)

針對登攀右線偏壓隧道進口段開挖圍巖變形過大的實際情況，并根據洞口段偏壓地形和工程地質資料，分別建立了未削坡減載和削坡減載開挖隧道進口段的兩個模型，比較分析兩個模型圍巖變形和襯砌受力狀況，證實了削坡減載方法對控制圍巖變形和加強襯砌安全的有效性。

偏壓隧道，削坡減載，圍巖變形，襯砌受力

隨著我國高速公路建設的發展，山嶺隧道在隧道建設中的比重也在逐漸增大。由于山區地質地形條件復雜多變，淺埋隧道進出口段遇到偏壓的情況并不鮮見。如何保證隧道在這種淺埋偏壓情況下安全進洞，是急需解決的一個問題。除了采取正確的開挖工法之外，偏壓隧道進出洞還需采取一定的輔助施工技術，如減載反壓技術、超前大管棚支護技術等[1-8]。削坡減載技術是減載反壓技術的一種，工程上在治理滑坡等問題上有比較多的研究，也有比較好的效果[2]。實際工程中淺埋偏壓隧道采用削坡減載技術并不少見，但是研究相對較少。本文以登攀右幅淺埋偏壓隧道為研究對象，分析削坡減載技術在淺埋偏壓隧道進口段施工中的有效性，為以后類似工程提供一定的參考。

1 工程背景

貴州晴興高速公路登攀隧道位于黔西南，隧道區位于朵沖背斜的北西翼，隧道軸線與朵沖背斜走向斜交。隧道所處地貌為侵蝕、剝蝕山地，區內山高坡陡，溝壑縱橫。隧道進出口均位于坡體上，其中進口段坡度較緩，自然坡度角25°～30°，出口段坡體陡峻，自然坡度角35°～50°。進口段巖體節理裂隙發育，巖體破碎。隧道區年均降雨量1 561.7 mm。隧道設計為分幅式隧道，左幅里程樁號ZK3+455～ZK5+100，長1 645 m；右幅里程樁號YK3+460～YK5+085，長1 625 m。隧道左幅底板高程1 250.90 m～1 293.32 m，最大埋深222.09 m；右幅底板高程1 251.05 m～1 292.70 m，最大埋深219.03 m。單洞室凈寬11.25 m，凈高7.18 m。右幅隧道進口段為碎石狀松散結構，圍巖埋深較淺，圍巖為砂質粘土及強風化泥質粉砂巖、泥巖，圍巖等級Ⅴ級。隧道洞門仰坡為順向坡，隧道偏壓較大，進口開挖時穩定性差，易坍塌，施工風險較大。如何順利開挖右幅偏壓隧道進口段是該隧道施工中的技術重點和難點問題。

2 隧道進洞情況

隧道進洞初期采用環形開挖預留核心土法，一次開挖進尺嚴格控制在1 m內，并及時進行立架支護，封閉成環，待初支達到一定強度后再施作下一循環。進洞后揭露登攀隧道進口右洞圍巖較差，隧道右上側存在較大偏壓，開挖過程中隧道結構產生了較大變形，存在較大施工風險，為此及時改用三臺階法開挖。同時，由于隧道偏壓開挖引起仰坡大變形開裂，對右幅隧道進口仰坡進行削坡減載處理，減小隧道偏壓。本文運用數值模擬對采用三臺階法后隧道進行削坡開挖和不進行削坡開挖進行數值計算，研究削坡減載對隧道開挖影響。

3 右幅隧道進口偏壓大變形數值分析

3.1 偏壓隧道進口數值模型

依據登攀隧道現場情況和地質資料，隧道進口情況見圖1。模型重點考慮未進行削坡減載和進行削坡減載情況下隧道開挖變形影響。為控制影響因素，隧道開挖工法均采用三臺階法。結合現場情況和隧道開挖影響范圍，模型水平方向取100 m，右側高度取50 m，左側高度取20 m。底部采用豎向約束，左右兩側采用水平約束。其余邊界為自由邊界，網格尺寸取0.5 m，根據土層物理力學性質，采用Mohr-Coulomb(MC)本構模型；隧道襯砌采用梁單元，土層為平面應變單元。兩個有限元模型見圖2，未削坡模型包含單元數11 754個，削坡模型單元數11 429個。

3.2 模型參數選取

模型中各土體和襯砌物理力學參數如表1所示。

表1 土體及襯砌結構物理力學參數

3.3 偏壓隧道施工數值計算結果及分析

1)隧道開挖引起地層變形結果及分析。圖3，圖4分別為未削坡和削坡情況下隧道三臺階法開挖引起地層位移云圖。由圖3可知，在未削坡情況下，隧道開挖引起地層最大水平位移出現在坡頂，達到-246.5 mm；隧道襯砌最大水平位移出現在隧道拱頂左側，為-136.7 mm。隧道開挖引起地層最大豎向位移出現在隧道拱頂，達到-271.2 mm。由圖4可知，進行削坡后，隧道開挖引起地層最大水平位移出現在隧道上側坡頂，僅為-51.6 mm，隧道結構最大水平位移出現在右側拱肩，僅為-44.3 mm，方向向左。隧道開挖引起地層最大豎向位移出現在隧道右側拱腰，僅為-63.4 mm。比較圖3，圖4可知，未削坡和削坡情況下，地層位移存在較大差異。采用削坡減載方式，比未進行削坡減載，隧道最大水平位移量減少了67.6%，最大豎向位移減少了76.6%，削坡減載效果顯著。未削坡減載情況下隧道變形過大，易引起隧道襯砌破壞，發生隧道坍塌、滑坡等重大事故，采用削坡減載方法具有良好的變形控制作用。

2)隧道襯砌結構軸力彎矩結果及分析。圖5，圖6分別為未削坡和削坡模型隧道襯砌內力云圖。由圖5可知，未削坡情況下隧道襯砌最大軸力出現在拱頂，達到1 201 kN，襯砌最大彎矩出現在拱頂，彎矩值為442 kN·m；由圖6可知，削坡情況下隧道襯砌最大軸力出現在左側拱肩，達到724 kN，襯砌最大彎矩出現在左側拱肩，為265 kN·m。為分析削坡對襯砌安全性的影響，依據規范[3]計算襯砌結構的安全系數，對襯砌安全進行檢驗，檢驗結果見表2。

表2 兩種情況襯砌最不利位置安全系數表

由表2可知，未削坡情況下安全系數為1.98，小于規范規定的安全系數3.6，襯砌結構發生拉伸破壞；削坡情況下安全系數為6.07，大于規范規定的安全系數3.6，襯砌結構不會發生拉伸破壞。因此，采用削坡減載方式對避免隧道開挖襯砌破壞具有較好的作用。

4 結語

采用數值計算方法，建立了偏壓登攀隧道進口段未削坡和削坡減載兩種二維計算模型，分析了兩種工況下地層變形和隧道襯砌內力情況，相互比較證實了偏壓隧道削坡減載開挖對控制圍巖變形和避免襯砌破壞的有效性，主要結論如下：1)隧道削坡開挖相對于未削坡開挖引起地層位移較小，其中隧道最大水平變形由136.7 mm降到44.3 mm，減少67.6%；隧道最大豎向位移由271.2 mm降到63.4 mm，減少76.6%。削坡減載開挖對于控制圍巖變形具有較好效果。2)未削坡開挖襯砌內力均大于削坡開挖襯砌內力，前者抗拉安全系數為1.98，不符合規范標準，襯砌結構受到破壞；后者抗拉安全系數為6.07，大于規范標準，襯砌結構未發生破壞。削坡減載對于隧道襯砌結構安全具有明顯的加強作用。

[1] 翟珍龍.大斷面淺埋偏壓隧道的輔助施工技術[J].公路與汽運,2008(5):134-136，166.

[2] 楊 林,佴 磊,劉永平.滑坡穩定性分析及削坡減載在工程中的應用[J].森林工程,2005(4):24-26.

[3] JTG D70—2004，公路隧道設計規范[S].

[4] 肖林勇.鐵路隧道淺埋偏壓段施工方法及控制技術研究[J].山西建筑,2015，41(11):167-169.

[5] 王 峰.淺埋偏壓隧道洞口段施工技術[J].山西建筑,2013，39(28):152-153.

[6] 劉天宇.淺埋偏壓隧道圍巖穩定性數值分析研究[J].山西建筑,2013，39(3):150-152.

[7] 宋 剛.淺埋偏壓隧道洞口變形機理及治理措施研究[J].山西建筑,2010，36(1):346-347.

[8] 衛 晉.隧道偏壓和淺埋及軟弱圍巖段的施工技術[J].山西建筑,2010，36(1):315-317.

The effectiveness analysis on cutting slope and reducing load measures of shallow buried and unsymmetrical pressure soil tunnel★

Xiong Zhonggui

(GuizhouHighwayEngineeringGroupLimitedCompany,Guiyang550008,China)

According to the actual situation of big deformation of excavation surrounding rock of Dengpan right line unsymmetrical pressure tunnel entrance section, and according to the unsymmetrical pressure terrain and engineering geological data of tunnel portal section, respectively established two models of excavation tunnel entrance section without cutting slope and reducing load and cutting slope and reducing load, comparatively analyzed the two model surrounding rock deformation and lining stress condition, proved that the cutting slope and reducing load method had effectiveness to control the surrounding rock deformation and strengthen the lining safe.

unsymmetrical pressure tunnel, cutting slope and reducing load, surrounding rock deformation, lining stress

1009-6825(2016)22-0155-02

2016-05-24★:貴州省交通科技項目(項目編號：2010-122-010)

熊中貴(1972- ),男，高級工程師

U457

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