軟弱圍巖隧道洞口失穩數值分析

楊 斌 周 雄 蒲 端

招商局重慶公路工程檢測中心有限公司 重慶 404100

隨著我國經濟的高速發展，越來越多的鐵路、公路隧道投入建設中。由于隧道洞口常常出現淺埋、偏壓等不良地質，圍巖多松散、破碎、軟弱，自穩能力較差，受降雨、施工擾動等外部環境影響較大，易出現較大的變形，甚至出現塌方冒頂、滑坡等失穩現象。隧道洞口的修建一直是隧道建設過程中重要的一環節，它是否穩定，直接關系到隧道的建設工期，以及是否順利的進洞或出洞。

國內外許多學者對隧道洞口塌方、滑坡等失穩情況做了相關分析、研究。鄭玉欣（1999）從鐵路、公路隧道1050個塌方資料中統計分析了隧道出現塌方的主要原因及塌方的機理，將塌方進行歸納分類，并提出隧道塌方的處治方法。吳學智（2015）對施工過程中出現過2次變形的淺埋偏壓隧道進口段采用變形觀察及監控量測信息化手段，及時采用一系列有針對性的補救措施，成功加固變形隧道，制止隧道塌方及山體滑坡。汪宏（2009）、劉小軍（2012）數值分析了隧道支護變形和坍塌發生的原因，并結合工程實際提出了有效的治理措施。上述文獻均來源于實際的工程案例，為淺埋偏壓隧道方面的研究積累了豐富的資源，但分析研究主要以實際工程資料統計分析、經驗總結為主，深入分析、研究依然還顯得不足。本文以廣東某高速公路淺埋偏壓隧道為依托工程，采用MIDAS/GTS軟件建立數值模型，對隧道洞口圍巖變形、失穩進行數值分析研究，并依據研究結果和實際工程情況提出相應的處治措施。

1 數值模型的建立

1.1 工程概況

本隧道右線出口段長約104m，存在偏壓、淺埋，隧道圍巖地質條件較差，為V級圍巖，計算斷面埋深4.5m。0~14.3m為粉質粘土、全風化變質砂巖。粉質粘土，灰褐色~褐黃色，稍濕，可塑，土質不均，粘性一般，夾少量碎石；全風化變質砂巖，褐紅色，巖石風化完全，巖質極軟，手捏易散，遇水軟化崩解。14.3m~28.3m為強風化變質砂巖（J3dl），灰褐色，變余結構，塊狀構造，巖質較軟，敲擊易碎，節理裂隙極發育，裂隙面銹染，局部中風化，巖質較硬，敲擊聲脆。28.3m~53.3m為中風化變質砂巖（J3dl）為灰褐色，變余結構，塊狀構造，巖芯破碎多呈碎塊狀，巖石風化不均，夾少量強風化碎塊，巖質較硬，表面較粗糙，裂隙極發育，裂隙面銹染明顯。

為了進一步深入了解洞口圍巖變形的原因、失穩機制，本文結合實際工程情況，建立數值模型進行深入分析、研究。

1.2 數值模型

參照相關設計文件，采用MIDAS GTS有限元軟件對高陂隧道建立二維平面應變模型進行數值分析。隧道洞頂橫坡模擬實際地形情況，左、右側距離隧道取50m，隧道底部距離下邊界取40m。模型的左、右側、下邊界均施加法向約束，地表為自由邊界，不加約束條件。

1.3 施工工況

為了較好地對隧道存在的情況進行有針對性分析，數值分析按如下幾種工況進行考慮。（1）工況1，環形開挖留核心土法，無偏壓處治；（2）工況2，環形開挖留核心土法，有偏壓擋墻處治；（3）工況3，環形開挖留核心土法，有偏壓擋墻和護拱處治。

2 洞口失穩分析

數值分析偏壓擋墻能否對本隧道洞口圍巖起到穩定作用，其效果如何，以便為處治施工作出良好的指導作用。

工況1為無偏壓處治，工況2為偏壓擋墻處治。從圖1可知，隨著隧道開挖、支護等工序的開展，隧道拱頂下沉、地表水平位移、地表沉降工況1、工況2對應的趨勢一致。其中，拱頂沉降、地表沉降先是隨著施工進行而迅速增大，在上臺階噴射混凝硬化后，在后續的施工中逐步緩慢地反彈，并隨著下臺階仰拱封閉后逐漸收斂；而地表向坡面臨空側水平位移先隨施工推進而迅速增大，在上臺階噴射混凝土硬化后，增量逐漸減小，并隨著下臺階仰拱封閉后逐漸收斂。

圖1 偏壓擋墻對圍巖的影響曲線

但是，施作偏壓擋墻后，隧道開挖前，拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降均對應的大于無偏壓擋墻的情況。在隧道開始開挖掘進后，拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降總是比無偏壓擋墻的情況要小些，分別小7.8%、23.7%、6.3%。可見，在埋深淺的一側施作偏壓擋墻，平衡隧道非對稱土壓力形成的水平推力具有較好的作用，對本隧道洞口偏壓處治是非常合理的。

3 偏壓處治

通過對隧道偏壓施工過程進行數值計算，探明了洞口偏壓隧道失穩運行機制，分析了偏壓擋墻、護拱對偏壓隧道處治措施效果，為偏壓處治提供了施作思路和相應的依據。根據以上數值計算結果，結合現場實際情況，提出切實可行的處治措施，減小圍巖偏壓作用，確保隧道圍巖的穩定，以保障洞口淺埋偏壓段隧道施工安全推進。

左拱腰處坡面圍巖塑性變形較大，坡面大范圍向臨空側水平位移，現場觀察坡面出現開裂，初期支護大變形、開裂、侵線，但未出現整體滑坡。為此，本隧道現場處治形成基本思路為：先停止掌子面開挖施工，進行偏壓處治加固施工，等圍巖穩定后再進行施工，同時做好隧道洞內外監控量測。

（1）封閉裂縫

對地表開裂處噴射混凝土進行封閉，避免雨水進入隧道內，軟化圍巖，降低了圍巖承載能力。對初期支護裂縫進行噴射混凝土封閉處理，提高結構承載能力。同時加強地表沉降和洞內初期支護觀測。

（2）擋墻基礎加固

對YK20+875～+885段左側邊坡附著物進行清表處理，施作Φ42×4mm小導管徑向注漿加固擋墻基礎處，小導管單根長度為6m，橫向×縱向間距為1m×1m。

（3）施作偏壓擋墻

在YK20+885～+891段，隧道左側增設長6m、高8.5m、寬7m的擋墻（底寬5.5m、頂寬8.5m）。防止洞口左側邊坡向明洞方向滑塌，同時取消原設計該側漿砌片石回填。擋土墻采用擴大基礎，深1.5m，支護開挖，基礎底部換填0.5m厚的碎石。采用Ф22鋼筋連接擋墻和明洞，采用C25混凝土澆筑墻身。

（4）施作護拱

在YK20+875～+885段淺埋側施作護拱，采用C20砼澆筑護拱，厚度為2m，護拱基礎用混凝土擋墻作為基礎，結合現場地形，以小于自然坡率的角度施作護拱。

經過歷時兩個月的偏壓處治，消除了偏壓現象，圍巖變形得到了有效控制，并趨于穩定，避免了可能因隧道塌方冒頂而耽誤工期，保障了有條不紊的安全推進隧道施工，安全通過了淺埋偏壓地段，實現了順利進洞，保證了后續施工工序的正常、安全進行。

4 結論

通過對廣東某高速公路隧道洞口偏壓失穩運行機制、處治措施進行了數值計算分析，并進行偏壓處治，可以得出以下結論：

（1）隧道開挖后，淺埋一側拱腰、坡腳圍巖塑性變形嚴重，以及深埋一側拱腳、拱墻出現塑性變形；拱部圍巖向隧道內位移，拱頂沉降深埋一側比淺埋一側大56%，拱底圍巖向上隆起；整個坡面均向臨空側水平位移，淺埋一側拱腰處坡面水平位移最大。這些數值分析結果較好的詮釋了現場坡腳、坡面、初期支護開裂現象。

（2）在埋深淺的一側施作偏壓擋墻，可以減小圍巖對淺埋一側的偏壓作用，降低隧道開挖施工中拱頂沉降、地表水平位移、地表沉降，有助于圍巖穩定，對隧道偏壓處治具有良好的效果。