大斷面超淺埋偏壓高速鐵路隧道施工安全控制關鍵技術研究

作者簡介：

祁子鵬（1993—），工程師，主要從事施工管理工作。

摘要：文章結合滬渝蓉高速鐵路豐寶山隧道施工工程，采用有限元分析軟件Midas GTS對有、無反壓回填措施下的隧道施工進行模擬分析，為豐寶山隧道及類似工程的安全施工提供理論支撐。

關鍵詞：大斷面；反壓回填；超淺埋偏壓隧道；數值模擬

中圖分類號：U459.1文獻標識碼：A 36 121 4

0 引言

在山嶺隧道工程的建設過程中，常常會在隧道洞口以及洞身段遇到淺埋偏壓這一復雜地層，而在該地層下直接開挖隧道會由于上覆土體薄弱，以及側向土壓力的作用，極易導致隧道圍巖嚴重變形，甚至發生坍塌等重大事故［1-3］，對隧道的安全施工造成影響。

但是，如果在隧道開挖前采取適當的前期處理措施來減少偏壓影響和土體薄弱問題，則可以有效地解決淺埋偏壓問題。劉玉清等［4］認為對于大斷面淺埋偏壓隧道的施工，應首先處理好山體淺埋偏壓的問題，保證山體穩定后再進行洞內施工。

許多學者都對隧道進洞前淺埋偏壓地形的處理問題進行了探究。如劉建中［5］采取重力式擋墻、錨噴支護、地表注漿等措施先穩定邊坡和平衡地形偏壓，然后通過長管棚注漿解決了軟弱淺埋地層問題。劉云雨等［6］基于FLAC 3D軟件數值模擬了淺埋偏壓段的兩種處理措施，得出回填反壓措施有助于增強隧道結構上方淺埋側土體的約束；削坡卸載有助于減輕深埋側土體位移對隧道結構的偏壓影響，有利于隧道結構穩定。代樹林等［7］依托回頭溝隧道工程，分析了削坡法、回填法、地表注漿法等對隧道偏壓產生的影響，得出削坡法是處理該隧道偏壓段最有效的措施。楊超等［8］認為當傾覆土厚度＜7 m時，主要解決的是淺埋側反壓能力不夠的問題，可采用填土反壓及擋墻等加固措施；當傾覆土厚度＞7 m后，需要解決的問題是深埋側壓力過大的問題，可采用削方減載反壓等措施。周運祥［9］提出淺埋偏壓隧道可以采用增加明洞長度的方法，來解決暗洞覆蓋層厚度較薄的問題，并采用反壓回填、注漿等輔助措施，平衡偏壓荷載，增大圍巖的自穩能力。彭雪峰［10］依托宜敘馬鞍山隧道工程，采取了頂部削坡，溝谷回填的卸荷反壓施工方法成功解決了治理洞口偏壓問題，并通過ANSYS軟件驗證其在偏壓隧道施工的優越性。

綜上所述，學者們針對隧道穿越淺埋偏壓地層問題的處理思想是在隧道進入淺埋偏壓段前，采用卸荷或者反壓回填等措施來平衡淺埋偏壓的影響。因此，本文將結合滬渝蓉高速鐵路豐寶山隧道工程施工，采用Midas GTS軟件對有、無反壓回填措施下的隧道施工進行模擬分析，從而為豐寶山隧道及類似工程的安全施工提供理論支撐。

1 工程概況

1.1 地質概況

新建滬渝蓉高速鐵路豐寶山隧道隧址區主要為剝蝕丘陵區，地形起伏較小，自然坡度一般為10°～30°，地面高程為161.47～247.6 m，相對高差最大約80 m。隧道進口里程為DK291+544，出口里程為DK293+605，全長為2 061 m，最大埋深為70.85 m。隧道洞身淺埋段較多，其中DK292+169～DK292+235段超淺埋，最小埋深約3.6 m。山頂多橢圓形，山脊較狹窄，山坡多為凸形坡，坡度較緩，坡度角一般為10°～20°；山坡和山脊多為林地及灌木，植被茂密。

1.2 反壓回填方案

為平衡因右側高程變化產生的側向壓力，隧道開挖之前，采用反壓回填的技術措施，具體回填方案為：隧道上方地表擋墻墻身采用C30混凝土砌筑，擋墻基礎埋凝應在地面以下≥1.0 m且墻腳應嵌入基巖。同時在該超淺埋段地表上方回填10%的水泥土，并采用30 cm厚的漿砌片石鋪筑而成，如圖1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

模型應用摩爾-庫侖本構模型，擋土墻、漿砌片石以及二襯采用彈性模型，建立單元73 650個，計算模型為有、無反壓回填措施下隧道開挖，如圖2、圖3所示。隧道模擬開挖采用三臺階臨時仰拱法施工，同時采用一榀間距開挖，在隧道內挖完一榀距離便初支一榀距離，同時約束模型前、后、左、右和下端邊界。

2.2 巖體力學參數

模型主要參數取值如表1所示。

3 數值模擬計算結果分析

為分析反壓回填措施在淺埋偏壓隧道中的平衡作用效果，本文建立如圖4、圖5所示的監測斷面及監測點，并從圍巖的豎向位移、水平位移以及二襯所受應力方面進行綜合分析。

3.1 圍巖豎向位移分析

通過Midas GTS軟件分析出有、無反壓回填措施下隧道開挖完成后圍巖的豎向位移情況。其豎向位移分布云圖如圖6所示。

由圖6可知，有、無反壓回填措施下隧道上方深埋側沉降比淺埋側更大，且在反壓回填措施下隧道拱底隆起值相對無反壓回填措施拱底隆起更小，更平衡。

提取測點計算結果，得出有、無反壓回填措施下施工完成時不同里程處拱頂以及左拱腳的豎向位移值，見圖7、圖8。

分析圖7、圖8可知：

（1）在反壓回填措施下，各斷面拱頂的沉降值有所增加，9.6 m、19.2 m、29.6 m、39.2 m、49.6 m、59.2 m處分別增加了12.4%、12.9%、12.7%、11.7%、11.1%、13.4%。

（2）在反壓回填措施下，各斷面左拱腳的隆起值有所降低，9.6 m、19.2 m、29.6 m、39.2 m、49.6 m、59.2 m處分別降低了45.4%、42.7%、39.3%、36.1%、32.5%、25.9%，說明淺埋偏壓隧道施加反壓回填措施后，拱低隆起值能很好地得到改善。

3.2 圍巖水平位移及收斂分析

有、無反壓回填措施下隧道開挖完成后圍巖水平位移分布云圖如圖9所示。

由圖9可知，有、無反壓回填措施下隧道上方淺埋側水平位移比深埋側更大；在反壓回填措施下隧道淺埋側得水平位移得到控制，相對無反壓回填措施更小。

提取如圖4、圖5所示的測點計算結果，得出有、無反壓回填措施下施工完成時不同里程處圍巖拱頂水平位移及拱肩收斂值，見圖10、圖11。

由圖10、圖11可知：

（1）在反壓回填措施下，各斷面拱頂的水平位移有所減少，9.6 m、19.2 m、29.6 m、39.2 m、49.6 m、59.2 m處相對無反壓回填分別減少了22.4%、23.1%、22.9%、20.5%、18.9%、19.0%，說明施加反壓回填后，淺埋側上部對隧道約束作用增加，有利于減輕淺埋側的變形。

（2）在反壓回填措施下，各斷面拱肩水平收斂有所降低，說明反壓回填措施對隧道水平收斂的控制效果明顯。

3.3 二襯應力分析

提取部分監測斷面（9.6 m、19.2 m、29.6 m）和監測點所對應隧道二襯的最大主應力值，并繪制如下頁圖12、圖13所示的曲線圖。

由圖12、圖13可知：

（1）相對無反壓回填措施，反壓回填措施下拱頂至深埋側附近最大主應力值有所減小，拱頂至淺埋側附近最大主應力值有所增加，拱底附近變化不大。

（2）相對無反壓回填措施，反壓回填措施下，隧道左右拱肩所受最大主應力更加平衡，表明反壓回填措施能改善隧道偏壓所受應力。

4 結語

通過分析豐寶山隧道超淺埋偏壓段有、無反壓回填措施可以得到以下結論：

（1）有、無反壓回填措施下隧道上方深埋側沉降比淺埋側更大，相對原始地表下開挖，反壓回填措施下隧道拱頂沉降會有所增加，但隧道拱底隆起值會有所降低，降幅約為25.9%～45.4%，說明反壓回填措施能減小隧道拱底隆起值。

（2）有、無反壓回填措施下隧道上方淺埋側水平位移比深埋側更大，相對原始地表下開挖，反壓回填措施下淺埋側約束得到增加，其水平位移以及拱肩收斂得到控制，表明反壓回填措施在淺埋偏壓隧道水平位移控制的優越性。

（3）相對無反壓回填措施，反壓回填措施下拱頂至深埋側附近最大主應力值有所減小，拱頂至淺埋側附近最大主應力值有所增加，拱底附近變化不大，且隧道左右兩側所受最大主應力更加平衡，表明反壓回填措施能改善偏壓地形所產生的隧道所受應力分布不均問題。

參考文獻

［1］阮 豪.淺埋偏壓隧道在開挖過程中的圍巖變形特性研究［D］.廣州：華南理工大學，2021.

［2］鮑 洋.山嶺公路隧道偏壓致災機理及防治對策研究［D］.重慶：重慶交通大學，2021.

［3］鄧 幫.偏壓隧道地質災害的整治和研究［D］.武漢：華中科技大學，2011.

［4］劉玉清，蔣俊峰，邵大鵬，等.新寨隧道進口淺埋偏壓隧道施工技術［J］.現代隧道技術，2011，48（2）：87-93.

［5］劉建中.淺埋、偏壓、軟巖隧道進洞施工技術研究［J］.鐵道標準設計，2015，59（6）：126-130.

［6］劉云雨，奚魏征，潘 屹，等.軟巖淺埋偏壓隧道洞口二襯裂縫形成機理及處理措施力學分析［J］.公路，2022，67（5）：285-291.

［7］代樹林，左天宇，侯晶石，等.地形偏壓隧道地表處理措施分析［J］.科學技術與工程，2020，20（8）：3 308-3 314.

［8］楊 超，張永興，黃 達，等.地形偏壓隧道開挖變形特征及預加固措施［J］.公路交通科技，2012，29（7）：97-103.

［9］周運祥.強風化砂巖地區淺埋偏壓隧道病害分析及整治［J］.鐵道標準設計，2015，59（4）：79-83.

［10］彭雪峰.偏壓隧道洞口段卸荷反壓施工效能分析［J］.公路交通科技（應用技術版），2016，12（11）：175-177.