地形偏壓隧道地表處理措施分析

代樹林， 左天宇， 侯晶石， 萬怡禎

(吉林大學建設工程學院，長春 130026)

隨著中國公路、鐵路交通網絡的不斷完善，隧道工程的應用日益廣泛。偏壓隧道是傍山或沿河的大多數隧道工程中的普遍問題。采用合理的地表處理措施，可避免由于偏壓帶來的開挖方法復雜、施工成本增加等一系列問題。許多學者對此進行了一系列研究。朱同華等[1]以梅坎鐵路松南隧道偏壓段為依托，分析地形偏壓隧道的產生原因及機理，介紹了處理地形偏壓的具體工程措施和施工方法。來弘鵬等[2]以廣福隧道淺埋偏壓涌水段為工程實例，采用水泥單液漿和水泥水玻璃雙液漿的地面高壓預注漿處治措施，通過現場試驗，以凝結時間、抗拉強度及抗折強度為指標，得到地表注漿最佳漿液配合比。邱喜恩等[3]以旱塘坡隧道為依托，結合現場變形觀測數據，對隧道進行不同工況的數值模擬，研究了不同防護措施下隧道變形規律。彭雪楓[4]以宜敘高速公路馬鞍山隧道工程為背景，為治理洞口偏壓，采用溝谷回填、頂部削坡等卸荷反壓施工工法，并通過數值模擬驗證治理措施的合理性。楊曉華等[5]針對黃土隧道的圍巖特點，以土家灣隧道為工程實例，研究了注漿壓力、擴散半徑等多種影響因素，經地表注漿法處理后，隧道周圍巖體的含水量明顯降低，有效地改善了隧道圍巖的力學性質。依托回頭溝隧道，針對地形偏壓隧道常用的地表處理措施，對削坡法、回填法、地表注漿法等處理措施進行模擬分析，從控制圍巖變形、減小圍巖應力出發，分析不同地表處理措施對隧道偏壓產生的作用效果。

1 工程概況

回頭溝隧道位于吉林省白山市鶴大高速公路上，圖1所示為隧道現場照片。隧道地處長白山西南麓支脈山區，山體總體走向北東，山體整體坡度為25°～30°，屬中低山地貌，隧道途經地段海拔高度814～930 m，相對高差116 m。隧道左線長720 m，起訖里程為 LK315+655～LK316+375，右線長660 m起訖里程為RK315+680～RK316+340[6]。洞口段圍巖等級為Ⅴ級，洞身段為Ⅳ-Ⅴ，隧道洞身段巖石以角礫巖、強風化至中風化片麻巖為主，在Ⅳ-Ⅴ級圍巖中節理裂隙發育，受十道羊岔-團結東西向沖斷層、板房溝-1031高地南壓性斷層影響。地震基本烈度小于Ⅳ級，地震反應譜特征周期為0.35 s，屬構造穩定區。隧道區段內無大的地表水體，地下水類型簡單屬地下貧水區，不同節氣對含水層中水的含量有很大影響。含水層深度通常在5.0～33.0 m，隨季節變化大。地下水礦物質含量低，以淡水為主，通過蒸發和地下排水排出。

圖1 回頭溝隧道現場照片Fig.1 Scene photo of Huitougou tunnel

2 地表處理措施數值模擬

以回頭溝隧道右幅進口偏壓段為模擬背景，模型選取的斷面里程號為RK315+680，運用FLAC3D軟件對以上3種地表處理措施進行數值模擬[7]，將隧道圍巖考慮成彈性均勻、各向同性的連續Mohr-coulomb模型[8]，上覆巖體對隧道產生的壓力視為原巖應力，底面及兩側施加約束，忽視其余力學效應。為保證計算的可靠性，本模型的范圍取為隧道有效高(寬)度的5倍[9]，在隧道橫斷面內取橫向寬度為140 m，深度為隧道中心向下25 m，向上取到地表。圖2所示為3種地表處理措施的初始狀態計算模型，模型共3 554個單元，7 298個節點。

圖2 初始狀態計算模型Fig.2 Calculation model in initial state

在回頭溝隧道進行現場試驗，根據《公路隧道施工技術規范》(JTG F60—2009)，相應力學參數如表1所示。

表1 FLAC3D數值模擬力學參數

隧道受地形偏壓作用，為反映隧道的收斂變形和應力變化，選取拱頂為1號監測點，左右拱肩分別為2、7號監測點，左右邊墻分別為3、6號監測點，左右拱腳分別為4、5號監測點，具體布置如圖3所示。

圖3 監測點布置示意圖Fig.3 The general layout of monitoring point

3 3種地表處理措施作用效果分析

選取的隧道截面里程號為RK315+680，埋藏深度為16 m，坡比為1∶1.65，圍巖級別為Ⅴ級。通過削坡法和回填法改變坡比和埋深，通過地表注漿法提高圍巖級別，進而減小偏壓的不利影響[10]。具體措施如下：①運用削坡法將地面坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5；②運用回填法將地面坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5；③運用地表注漿法將圍巖級別由Ⅴ級圍巖提升至Ⅳ級圍巖[11]。

3.1 削坡法

根據隧道埋深及坡角選擇坡比1∶1.65、坡比1∶2和坡比1∶2.5三種工況的圍巖進行數值模擬，從隧道圍巖豎向位移和豎向應力兩方面進行分析，削坡至不同坡比的隧道圍巖豎直位移云圖如圖4所示。

圖4 不同坡比隧道圍巖豎向位移變化云圖Fig.4 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical displacement under different slope ratio

隧道內監測點的豎向位移值如表2所示。

分析可知，由于偏壓作用，雖然削坡角度不同，但最大變形位置均出現在右拱肩處，坡比1∶1.65時豎直位移為58.6 mm,坡比1∶2與坡比1∶2.5時豎直位移分別為30.5、13.3 mm。以兩側拱肩位移差為指標判斷偏壓隧道處理措施的效果，坡比為1;1.65時左、右拱肩位移差為18.6 mm，坡比為1∶2與坡比1∶2.5時，左右拱肩位移差分別為8.8 mm和4.6 mm，與初始狀態相比分別降低了52.7%和75.3%，圍巖豎向變形云圖均呈對稱性發展。

表2 不同坡比隧道圍巖豎直方向位移

注：負號表示位移方向向內。

選擇坡比1∶1.65、坡比1∶2和坡比1∶2.5三種工況隧道周圍的巖體進行數值模擬，不同削坡角度下隧道圍巖豎向應力變化如圖5所示。

圖5 不同坡比隧道圍巖豎向應力變化云圖Fig.5 The cloud chart of tunnel surrounding rock verticalstress under different slope ratio

隧道內監測點的豎向應力值如表3所示。

分析可知，左側圍巖受到持續偏壓作用，應力較大，拱腳處應力集中現象明顯，坡比1∶1.65時左側拱腳豎向應力為163.4 kPa, 坡比1∶2與坡比1∶2.5時豎直應力分別為156.1、154.1 kPa。以兩側拱腳應力比為指標判斷偏壓隧道處理措施的效果。坡比1∶1.65時，左、右拱腳應力比為1.17，坡比1∶2與坡比1∶2.5時拱腳應力比均為1.12，削坡角度增大對豎向應力影響不大。

表3 不同坡比隧道圍巖豎向應力

注：負號表示應力方向向內。

3.2 地表注漿

回頭溝隧道埋深為16 m，坡比為1∶1.65，洞口段為Ⅴ級圍巖。采用地表注漿法將圍巖級別由Ⅴ級圍巖提升至Ⅳ級圍巖，通過工程類比法，選取水泥、水玻璃雙液漿地面高壓預注漿法，確定水灰比為1∶1，水玻璃與水泥的質量比為3∶20，注漿壓力為1～2 MPa，擴散半徑為1.5 m，注漿區長度為26 m，注漿區寬度為20.8 m，注漿區高度為24 m。片麻巖層孔隙率為15%，填充率為70%，碎石土層孔隙率為25%，填充率為80%。地表注漿前和注漿后計算模型如圖6、圖7所示。

注漿計算模型的數值模擬力學參數如表4所示。

從注漿前后圍巖的豎向位移和豎向應力兩方面進行分析。注漿前后隧道圍巖豎直位移變化情況如圖8所示。

圖6 地表注漿前計算模型Fig.6 Calculation model before surface grouting

圖7 地表注漿后計算模型Fig.7 Calculation model after surface grouting

表4 FLAC3D數值模擬力學參數

圖8 注漿前后隧道圍巖豎直位移云圖Fig.8 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical displacement before and after surface grouting

隧道各關鍵點豎向位移值如表5所示。

表5 注漿前后隧道圍巖豎直位移

分析發現，注漿后拱頂及左、右拱肩的豎直位移均比初始狀態分別降低了96.8%、94.0%和97.3%，隧道周邊的圍巖豎向位移云圖呈對稱性，有效控制了圍巖豎向位移，地形偏壓對隧道的影響基本消失。

選擇注漿前、后隧道周圍的巖體進行數值模擬，注漿前、后隧道圍巖豎向應力變化如圖9所示。

圖9 注漿前后隧道圍巖豎向應力云圖Fig.9 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical stressbefore and after surface grouting

隧道各關鍵點豎向應力值如表6所示。

分析發現，注漿區域水泥-水玻璃漿液使圍巖的密度增大，引發了應力場的重新分布,使左、右拱腳處豎向應力由163.4、140.2 kPa增至746.3、568.8 kPa，造成隧道圍巖豎向應力過大，需提高相應位置支護強度，保證隧道穩定性。

表6 注漿前后隧道圍巖豎向應力

3.3 回填法

根據隧道埋深及坡角選擇坡比1∶2、1∶2.5兩種工況的圍巖進行數值模擬，回填至不同坡比的計算模型如圖10所示,數值模擬所需的力學參數如表7所示。

圖10 不同坡比隧道計算模型Fig.10 Tunnel calculation model under different slope rat

表7 FLAC3D數值模擬力學參數

從隧道圍巖豎向位移和豎向應力兩方面進行分析，回填至不同坡比的隧道圍巖豎直位移云圖如圖11所示。

隧道內監測點的豎向位移值如表8所示。

圖11 不同坡比隧道圍巖豎直方向位移云圖Fig.11 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical displacement under different slope ratio

表8 不同坡比隧道圍巖豎直位移

經分析，以兩側拱肩位移差為指標判斷偏壓隧道處理措施的效果，坡比1∶1.65時左、右拱肩位移差為18.6 mm，坡比1∶2與坡比1∶2.5時左右拱肩位移差分別為9.5 mm和9.3 mm，與初始狀態相比分別降低了48.9%和50.0%，對圍巖豎向位移影響幾乎相同。

對不同回填角度下隧道周圍的巖體進行數值模擬，回填至不同坡比的隧道圍巖豎向應力變化如圖12所示。

圖12 不同坡比隧道圍巖豎向應力云圖Fig.12 The cloud chart of tunnel surrounding rock vertical stress under different slope ratio

隧道內監測點的豎向應力值如表9所示。

分析可得，回填后圍巖上覆土層自重增加，深埋側拱腳處應力增加，坡比1∶1.65時深埋測拱腳豎向應力為163.4 kPa,坡比1∶2與坡比1∶2.5時豎直應力分別為169.1、172.1 kPa。偏壓隧道處理措施的效果反應在兩側拱腳應力比上，坡比1∶1.65時 左、右拱腳應力比為1.17，坡比1∶2與坡比1∶2.5時拱腳應力比分別為1.08和1.09，拱腳處應力集中現象得到明顯改善。

表9 不同坡比隧道周邊圍巖豎向應力

4 數值模擬綜合分析

以回頭溝隧道工程為依托，針對地形偏壓隧道常用的地表處理措施，對削坡法、回填法、地表注漿法等處理措施進行模擬，分析不同地表處理措施對隧道偏壓所產生的作用效果。不同處理措施下豎向位移與豎向應力的對比圖分別如圖13、圖14所示。為方便區分削坡與回填法的差異，圖中將坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5分別稱為削坡5°和削坡10°；將坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5分別稱為回填5°和回填10°。

圖13 不同處理措施隧道圍巖豎向位移對比Fig.13 The comparison chart of tunnel surrounding rock vertical displacement under different treatment measures

圖14 不同處理措施隧道圍巖豎向應力對比Fig.14 The comparison chart of tunnel surrounding rock vertical stress under different treatment measures

以左、右拱肩豎直位移差為指標，比較不同處理措施對偏壓隧道豎向位移的影響。由圖13可知：初始狀態下，受地形偏壓影響，左、右拱肩豎直位移分別為40.0、58.6 mm,拱肩豎直位移差為18.6 mm；削坡法削坡5°后，左、右拱肩豎直位移分別為21.7、30.5 mm，拱肩豎直位移差為8.8 mm，與初始狀態相比降低了52.7%；削坡10°后左、右拱肩豎直位移分別為8.7、13.3 mm，拱肩豎直位移差為4.6 mm，與初始狀態相比降低了75.3%，削坡角度越大，降低豎向位移效果越明顯?；靥罘ɑ靥?°后，左、右拱肩豎直位移分別為33.9、43.4 mm，拱肩豎直位移差為9.5 mm，與初始狀態相比降低了48.9%；回填10°后左、右拱肩豎直位移分別為33.2、42.5 mm，拱肩豎直位移差為9.3 mm，與初始狀態相比降低了50.0%，回填角度增加對豎向位移的影響相同。注漿法注漿后，左、右拱肩豎直位移分別為2.4、1.9 mm，拱肩豎直位移差為0.5 mm，與初始狀態相比降低了97.3%。注漿法減小圍巖豎向位移效果最好，削坡法次之，回填法效果最差。

以各監測位置的豎向應力為指標，比較不同處理措施對偏壓隧道圍巖豎向應力的影響。由圖14可知，削坡法、回填法對各監測位置的豎向應力的影響相同，應力變化范圍在18 kPa以內；注漿法注漿后，由于注漿區域水泥-水玻璃漿液使圍巖密度增大，引發應力場的重新分布，左、右拱腳處豎向應力由163.4、140.2 kPa增至746.3、568.8 kPa，不利于隧道的穩定性，需提高相應位置支護強度，增加施工成本。

5 結論

針對地形偏壓隧道常用的地表處理措施，以回頭溝隧道為工程實例，通過數值模擬對比分析削坡法、回填法、地表注漿法，從圍巖變形、圍巖應力角度出發得出以下結論。

(1)削坡法。初始狀態左、右拱肩位移差為18.6 mm，將坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5時左右拱肩位移差分別為8.8、4.6 mm，與初始狀態相比分別降低了52.7%、75.3%，削坡角度越大，降低豎向位移效果越明顯；削坡前，左、右拱腳應力比為1.17，將坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5后左、右拱腳應力比均為1.12，削坡角度增大對豎向應力影響不大。

(2)注漿法。注漿后，左、右拱肩豎直位移分別為2.4、1.9 mm,拱肩豎直位移差為0.5 mm，與初始狀態相比降低了97.3%，控制變形效果最好；由于注漿區域水泥-水玻璃漿液使圍巖密度增大，引發應力場的重新分布，左、右拱腳豎向應力由163.4、140.2 kPa增至746.3、568.8 kPa，不利于隧道的穩定性，需提高相應位置支護強度，增加施工成本。

(3)回填法。初始狀態左、右拱肩位移差為18.6 mm，將坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5時左右拱肩位移差分別為9.5、9.3 mm，與回填前相比分別降低了48.9%、50.0%，對圍巖豎向位移影響相同。回填前左、右拱腳應力比為1.17，將坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5時拱腳應力比分別為1.08和1.09，回填角度增大對圍巖豎向應力影響不大。

(4)綜合圍巖變形、圍巖應力考慮，注漿法控制豎向變形效果最好，但注漿區域水泥-水玻璃漿液使圍巖密度增大，引發應力場的重新分布，拱腳處豎向應力明顯增加，不利于隧道的穩定性；削坡法、回填法對各監測位置的豎向應力的影響相同，但回填法會增加隧道上覆土層厚度。削坡法比回填法控制豎向變形效果好，削坡角度越大，降低豎向位移效果越明顯，故采用削坡法將坡比由1∶1.65削至1∶25是處理回頭溝隧道偏壓段最有效的措施。