淺埋偏壓山嶺隧道進口段監測分析與數值模擬

李乾坤 吳 勇

(1.徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇 徐州 221000； 2.云南省建筑科學研究院，云南 昆明 650223)

0 引言

為貫徹“一帶一路”國家戰略，建設中南亞國際經濟合作走廊，我國西南地區高速公路、城際快速路建設遇到了新的機遇。但西南地區山地多，這就不可避免的修建大量隧道。同時由于地形地質、環境保護等限制，不得不選在埋深較淺、地形起伏大的地點進洞，導致淺埋偏壓隧道的出現。由于隧道進口段埋深淺，且有偏壓的情況，使得此種隧道的變形規律不同于常見的淺埋隧道，深入研究淺埋偏壓隧道的變形規律十分必要。

目前，在這方面國內學者已做了大量的研究和探討。高文學等人[1]采用有限元軟件建立淺埋偏壓隧道分析模型，將隧道開挖應力、位移、塑性區模擬結果與實測監控量測結果對比分析，系統性的研究了淺埋偏壓隧道變形規律。李宗長等人[2]通過對湖北宜昌夾活巖公路隧道淺埋偏壓段出洞施工項目總結分析，指出準確掌握地形、加強監控量測、合理出洞方案是淺埋偏壓隧道出洞施工的關鍵。周嘉賓等人[3]通過數值模擬結果和實測結果對比分析，結果表明：洞口偏壓段初期支護呈現明顯不對稱彎曲變形，最大拉應力出現在偏壓隧道深埋側拱腰，最大壓應力出現在淺埋側拱腰和深埋側拱腳。祝文化等人[4]采用數值模擬軟件建立淺埋偏壓單拱隧道開挖計算模型，結合數值模擬結果和現場實測結果，深入研究了淺埋偏壓隧道圍巖支護的變形規律。

綜上所述，國內學者對淺埋偏壓隧道方面研究已經做出了諸多貢獻，但對淺埋偏壓隧道監控量測數據方面的分析較少，本文以某淺埋偏壓隧道為依托，對現場監控量測回歸分析，同時建立數值分析模型對開挖過程進行模擬分析，對比現場實測和數值模擬結果，深入研究了淺埋偏壓隧道圍巖和支護變形規律，為以后類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

某公路隧道位于云貴高原中部，屬于構造侵蝕、溶蝕中山地貌，地形波狀起伏，山谷相間，谷底較平坦；隧道區屬構造侵蝕、剝蝕中高山峽谷地貌區，地形陡峭，地質作用以侵蝕、風化為主。

隧道進口段埋深較淺，入口處覆蓋層厚度在1 m～5 m左右，巖性主要為含礫粉質粘土、碎土塊、結構松散。隧道進口段穿越一孤峰，隧道軸線與山體斜坡走向相交，隧道右側埋深較大，呈明顯偏壓狀。

1.2 設計參數

隧道為分幅分離式雙向四車道，建筑線界凈寬10.25 m，凈高5.0 m。左線隧道全長1 702 m，右線隧道全長1 703 m，屬長隧道。

隧道結構采用復合襯砌，Ⅴ級圍巖淺埋超前支護參數為：隧道洞口采用φ108 mm管棚，間距40 cm×40 cm，長度30 m，搭接長度5 m；隧道洞內采用φ50 mm的小導管，間距40 cm×40 cm，長度30 m，搭接長度5 m；圍巖淺埋加強初期支護為：C25噴射混凝土厚25 cm；縱向間距60 cm的Ⅰ18鋼拱架；φ8 mm雙層鋼筋網，間距20 cm×20 cm。

1.3 施工方法

隧道進口段圍巖條件差、埋深淺、斷面大，采用環形開挖留核心土法進行開挖。環形開挖留核心土法通過預留核心土，分部開挖減小開挖跨度，有效控制隧道變形保證圍巖的穩定。

2 監測方案與數據分析

2.1 監測方案

依照規范要求，對該隧道進行監控量測。本文著重對隧道周邊收斂和拱頂下沉結果進行分析，同時參照其他監測項目結果。

拱頂下沉采用精密水準儀器測量，周邊收斂采用鋼尺收斂儀測量。量測頻率按照相關規范要求進行如表1所示。

表1 監控量測頻率

2.2 監測量測數據分析

一般采用回歸分析的方法對監控量測數據進行處理，回歸函數一般采用對數函數、指數函數和雙曲線方程進行[5]，并將擬合度較高的方程作為圍巖隨時間變化規律的回歸方程。

選取該隧道進口段典型監測斷面YK60+574監測數據進行回歸分析，結果如表2所示。

由表2兩個斷面共6個測點(線)的回歸擬合結果可知，從決定系數R2可知，采用指數函數回歸分析獲得的決定系數R2均較大，說明YK60+574監測斷面拱頂下沉和收斂曲線符合指數函數回歸方程。從回歸方程極值來看，指數函數回歸方程極值與實際監測終值相差均較少，差值最小為6.246 mm，最大值為9.875 mm；因此指數函數回歸方程較能符合監測斷面拱頂下沉和收斂曲線。

表2 YK60+574斷面數據回歸分析結果

由于隧道存在淺埋偏壓現象，公路隧道相關規范要求對于Ⅴ級圍巖隧道預留變形量為80 mm～100 mm，由表2可知隧道最終變形量均超過預留變形量的1/3，變形較大。同時觀察表2監控量測數據可知，隧道收斂測線中右測線均收斂值比中左測線收斂值大，YK60+574監測斷面中右測線收斂值均比中左測線收斂值大7.93 mm；隧道拱頂沉降右測點沉降值均比左測點沉降值大，YK60+574監測斷面右測點沉降值較左測點大13.40 mm。說明隧道由于偏壓的存在，呈現“左右不均勻變形”的規律。

3 數值模擬

以YK60+574斷面實際情況，采用數值模擬軟件建立分析模型，模型水平方向邊界取距隧道中心50 m，隧道底部向下取40 m，上部邊界按照實際情況選取。本構方程選用摩爾—庫侖，隧道圍巖支護參數選取如表3所示。

表3 圍巖支護參數選取表

3.1 淺埋偏壓隧道圍巖位移場分析

數值模擬結果表明：在隧道開挖完成后，圍巖的豎向位移最大值出現在拱頂右測(埋深較大一側)如圖1所示，右測水平位移明顯比左側水平位移要大如圖2所示。

3.2 淺埋偏壓隧道圍巖應力場分析

數值模擬結果表明：隧道開挖過程中最小主應力均為壓應力，且最小主應力的最大值均發生在隧道開挖面的拱頂和拱底，并在拱頂右側和拱底左側出現應力集中現象。隧道開挖過程中存在剪切應力，并在拱頂右側和拱底左側出現應力集中現象，如圖3～5所示。

4 結語

本文以某淺埋偏壓隧道實際工程為依托，通過對監控量測數據回歸分析，結合數值模擬結果，系統的研究了淺埋偏壓隧道的變形規律，研究結果表明：

1)分別采用對數函數、指數函數和雙曲線函數對YK60+574典型監測斷面6個測點(線)的數據進行回歸分析，結果表明指數函數回歸曲線較能反映拱頂下沉和收斂的變化趨勢。

2)監控量測數據同時還表明：隧道右側變形較左側變形大，YK60+574監測斷面右側點沉降值較左側點大13.40 mm。說明隧道由于偏壓的存在，呈現“左右不均勻變形”的規律。

3)數值模擬結果表明：拱頂右側(埋深較大一側)沉降明顯較大，右側變強部位收斂較大，與監測數據一致，且拱頂右側明顯出現應力集中現象。