偏壓連拱隧道滲流-應力耦合分析及處治技術研究

中鐵十五局集團第二工程有限公司，上海 201713

1 引言

淺埋偏壓連拱隧道工序繁雜，雙洞開挖、支護交錯進行，引起隧道位移變形激增，不利于隧道的穩定；在持續強降雨季節，更易發生大量地表水滲入而導致的隧道塌方，冒頂等地質災害。李地元［1］等通過數值仿真計算分析深埋連拱隧道孔隙水壓力場分布特征研究隧道的滲流機理。于清楊［2］等進行數值模擬求出地形偏壓隧道對稱位置的應力比值，給出了將拱肩處應力比作為定量判別隧道是否偏壓的特征值。朱正國等［3］基于數值計算對左右洞開挖次序對連拱隧道的受力特征的影響進行了對比分析。金美海［4］等進行數值模擬得出了淺埋偏壓隧道不同偏壓坡度導致的隧道變形分布特征。但是由于不同地區圍巖、低質情況差別較大、取得的經驗和成果尚不具普遍指導意義。

本文以湖南省在建安鄉至慈利高速公路（安慈高速）雷家臺淺埋偏壓連拱隧道為工程背景，基于MIDAS/GTS 數值分析，并對比施工實際監測數據，分析連拱隧道的滲流應力特征，為加固提供理論支撐。

2 偏壓連拱隧道數值模擬

2.1 雷家臺隧道工程概況

雷家臺隧道設計長度為235m，最大埋深約54m，隧道最高點與最低點的差值約為54m，隧道縱坡為0.8%，山脊線與水平向夾角約為20°～35°，山坡處于基本穩定狀態。隧道縱斷面如圖1 所示，隧道出入口設于山前斜坡位置。地表覆蓋層為第四系更新統坡積碎石，下伏基巖為強風化與中風化砂質頁巖。隧道圍巖按V 級圍巖進行設計支護，遵循“短進尺，早封閉”的原則，防止圍巖爆露太長而引起的坍方，圍巖及支護力學參數如表1 所示。

表1 隧道圍巖及支護的基本參數指標

2.2 數值模型建立

根據實際監測斷面布置與數據采集，選取雷家臺隧道K112+665 斷面建立模型。隧道圍巖采用Mohr-Coulomb 模型，其他支護構件采用彈性模型。連拱隧道根據實際情況，每一步開挖，模擬初期錨桿支護、噴混支護，以及二次襯砌的施做，以達到最大效果模擬實際施工。

3 隧道數值結果與監測結果對比

3.1 連拱隧道實時監測結果

3.1.拱隧道左洞沉降監測

隧道拱頂沉降向下取正值，左洞斷面沉降曲線見圖1。

圖1 ZK112+665 斷面拱頂沉降隨時間變化

如圖所示，23～40d 由于上臺階開挖過程中較為嚴重的破壞了圍巖穩定性，錨噴會逐步穩定拱頂位移沉降；41～55d 開挖過程中引起沉降但隨著二次襯砌的及時閉合成環，抑制了拱頂位移，沉降時態曲線已成收斂趨勢；56～75d 由于右洞上臺階的開挖引起左洞“斷崖式”沉降位移。在右洞開挖過程中，對左洞的位移場產生擾動，致使左洞沉降收斂穩定的狀態破壞，也說明了連拱隧道位移場變化較為復雜；76 天以后右洞核心土分三臺階由上至下依次開挖，隨著右洞二次襯砌的完成，后續變形會基本趨于穩定，連拱隧道沉降控制以此穩定狀態為參照指標較為合理。

3.1.2 連拱隧道右洞沉降檢測

右洞開挖拱頂沉降分為兩個階段：

第一階段（1～20d）為右洞開挖到核心土前，在剛開挖初期拱頂沉降出現急劇增加，這是由于右洞受到左洞開挖干擾，圍巖較為破碎，平均收斂為20mm，約占總拱頂沉降的76%；

第二階段（21～40d）為右洞開挖完成，沉降變化值大約為6mm，占總拱頂沉降的23%，右洞全部開挖完成后及時閉合成拱有利于隧道開挖穩定，整體支護結構抑制了拱頂沉降，收斂趨于穩定。右洞斷面沉降曲線見圖2。

圖2 YK112+665 斷面拱頂沉降隨時間變化

3.1.3 連拱隧道斷面收斂檢測

對于左洞開挖時，在導洞開挖完成后，圍巖收斂變化不明顯，測線D-E 收斂值大概為2mm，在22d 開始開挖左洞上臺階，約在40d 重新趨于收斂，范圍在5～6mm 之間，在55d 開始進行左洞完全開挖收斂變化不明顯，測線D-E 收斂變化值約1mm左右，說明下臺階開挖對隧道橫向收斂影響有局限，二次襯砌的澆筑閉合成環迅速限制隧道變形；右洞上臺階開挖完成前左洞測線D-E 收斂值急劇增加，之后趨于收斂，右洞開挖擾動左洞圍巖穩定性，左洞測線D-E 最終收斂值約在12mm；左洞測線F-G 周邊位移值最終收斂值約為6mm；

右洞測線D-E 在75 天之前，是于右洞處于偏壓隧道深埋側，地質環境較差，圍巖上部自重大，斷面收斂最終穩定在13mm左右；右洞測線F-G最終收斂于8mm。K112+665斷面周邊收斂曲線如圖3 所示。

圖3 K112+665 斷面周邊收斂隨時間變化

3.2 數值計算結果

在流固耦合作用下圍巖受力更加復雜，在開挖過程中隧道周邊孔隙水壓力變化，產生孔隙水壓力差作用，造成滲流場改變，拱頂位移較大處在拱頂和拱腳處。

圖4 考慮流固耦合作用下圍巖Y 方向位移

圖5 考慮流固耦合作用下圍巖X 方向位移

根據數值模擬計算出的拱頂沉降值可得：隧道拱頂沉降最大處都在B 監測點處。拱頂沉降最終結果為29.1mm，出現位置為右洞拱頂邊角，水平收斂值右洞測線D-E 為15.2mm。這是由于地形影響產生的偏壓效應。（注：左洞B 點位于左洞拱頂與中墻交界處，右洞B 點位于右邊墻拱頂處）。

對洞周收斂作用主要為右洞右拱腳位置處受偏壓作用產生正方向位移，左洞左邊墻以及左墻角由于埋深較深一側圍巖偏壓作用，主要產生負方向位移，在隧道開挖后對圍巖結構破壞程度較大。

4 結論

（1）由于是淺埋的偏壓連拱隧道，右洞埋深大，左部埋深相對較淺，圍巖受擾動后作用在隧道左右支護結構上的受力不一致，所產生的拱頂沉降在左右洞之間不完全對稱，左洞的拱頂沉降小于右洞。中隔墻與左洞上臺階連接處、中隔墻與右洞拱腰連接處兩處的豎向位移較大。施工要對上述位置采取強化措施，加強錨噴作用或改變連接方式，優化支護。

（2）右洞上臺階的開挖時，引起左洞“斷崖式”沉降位移，所以建議施工開挖左洞盡早完成閉合支護，以加強圍巖穩定性，防止右洞開挖對左洞干擾而造成坍塌事故。

（3）連拱隧道所處IV、V 級圍巖，巖性較差，處于多雨的富水地區，抗滲性差，隧道上部承壓水流經圍巖裂隙滲入隧道內，同時地下水壓力增加圍巖裂隙貫通性，致使圍巖位移增加。