不同地質條件淺埋偏壓小凈距隧道施工力學效應探索

柴喜林

中鐵隧道集團杭州公司

不同地質條件淺埋偏壓小凈距隧道施工力學效應探索

柴喜林

中鐵隧道集團杭州公司

隧道施工會破壞地質巖層結構的穩(wěn)定性，致使覆蓋層的圍巖穩(wěn)定性變差，引起隧道坍塌。所以為了避免隧道坍塌造成施工事故，施工中的力學效應就變得極為講究。尤其是在不同地質條件下，對于淺埋偏壓小凈距隧道的施工力學也頗為不同。本文圍繞了隧道偏影響因素和不同地質條件下隧道施工的力學特性進行了簡要分析，希望對隧道施工的安全防護工作有所幫助。

隧道偏壓；小凈距隧道；圍巖；淺埋；地質條件

小凈距隧道施工由于圍巖覆蓋層穩(wěn)定性差和地形偏壓等環(huán)境影響，其工序復雜且危險性高，稍有不慎就會造成隧道坍塌。實際上，這種危險性更來源于地形的不對稱亦或是地質巖層不同的原因。

一、隧道偏壓

（一）隧道地形偏壓

首先要了解隧道地形偏壓主要由兩種，一種是穩(wěn)定地形偏壓，這種情況下的偏壓諧波不存在運動趨勢和地層蠕變。但是如果它的圍巖級別很差，有很大坡度時，隧道的荷載偏壓就會增加，這種情況一般發(fā)生在隧道傍山處的淺埋地段。

還有一種叫做蠕變偏壓。它是在傍山斜坡位置發(fā)生了蠕變位移從而產生偏壓。蠕變偏壓的不確定因素是它的滑坡滑動面不確定，在遇到坡面土體開挖、河流沖刷和水位降低等情況，因為其地形陡峭的原因都可能形成嚴重的偏壓。如圖1.

圖1 坡面蠕動可能引起的隧道偏壓示意圖

（二）施工引起的偏壓

在了解了地形偏壓后，就可以大概明確如果在隧道施工中采取了不妥當?shù)氖┕し椒ň涂赡軐е率┕み^程中的隧道斷面甚至局部坍塌。這是因為當施工過程觸動和破壞了圍巖巖層的結構穩(wěn)定性后，圍巖的應力相對穩(wěn)定性改變，其應力被迫集中而引起了隧道偏壓。在小凈距的隧道施工中，隧道施工由于不能確保完全同步，其兩邊的襯砌受力也會不對稱，結合半硬半軟巖層的特點，偏壓現(xiàn)象有很大可能出現(xiàn)。

二、淺埋偏壓小凈距隧道

（一）內涵和特點

小凈距隧道不同于分離式隧道和連拱式隧道，它的結構介于兩者之間，相比于兩種隧道，它擁有占地少、連線難度小等特點，而且施工工期短，是隧道施工中比較常見的隧道類型。

（二）施工特點

淺埋偏壓小凈距隧道在施工中有許多特點，要引起注意。

首先此類型隧道的上覆蓋土層很淺，且經過了長期的圍巖風化，承載能力不容樂觀。所以在進行拱橋隧洞設計時很難做成壓力拱。隧道在施工開挖就會對其地表和洞頂圍巖造成一定的傷害。

其次，這種隧道一般都位于強偏壓地帶，而且伴隨著蠕動偏壓所造成的邊坡穩(wěn)定性不足。如果其坡體的穩(wěn)定性被破壞，就會出現(xiàn)山體滑坡也會將隧洞堵住造成事故。這種坡體滑動所造成的襯砌結構偏壓荷載，會直接致使隧道的支護結構被破壞。

（三）淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力的計算

目前的隧道圍巖壓力計算還處于數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場測試的階段。所以根據(jù)淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖壓力特征，專家提出了在偏壓條件下單洞隧道的圍巖壓力計算方法。

公式中，Q是垂直總壓力，h1是內側拱頂水平面距離地表的高度，h2是外側拱頂水平面距離地表的高度，B是隧洞的跨度，r是圍巖的重度，θ是兩側土注內的摩擦角，λ和λ’是內外側的偏壓側壓力系數(shù)。所以得出圍巖側壓力為：

λ=1/tanβ-tanαx tanβ-tanゆc/1+tanβc-(tanゆc-tanθ)+tanゆctanθ

公式中α為地形偏壓角度，ゆc是圍巖的計算摩擦角，β為外側產生最大推力時的破裂角。

根據(jù)計算結論得出，在埋深一定的情況下，隧道的側壓力系數(shù)會隨著兩洞間距的增加而增大。如果地形偏壓角度增加，側壓力的系數(shù)會變小。而在淺埋偏壓小凈距隧道外側的圍巖壓力相差比較大的時候，就說明在這時開挖小凈距隧道會產生較明顯的偏壓現(xiàn)象，這時施工就應該注意安全保護措施。

三、不同地質條件下的偏壓施工力學分析

本文對淺埋小凈距的隧道進行了不同地質條件下偏壓角度的力學特征分析。如果考慮3種地表坡度α分別為0°、20°、40°，淺埋側埋的固定深度為10m，隧道的左右水平凈距離為15m。

（一）隧洞中圍巖的屈服度

在地形偏壓為無偏壓（即0°）、20°、40°三種情況下，小凈距偏壓隧道施工可能會引起隧洞的圍巖屈服特征如圖2、3、4.

圖2 隧道無偏壓圍巖屈服度

圖3 隧道20°圍巖屈服度

圖4 隧道40°圍巖屈服度

在地形偏壓為無偏壓（0°）的情況下，隧道洞口左右距離的屈服度其最大值是η=0.63，它們出現(xiàn)在左右洞的拱腳和邊墻處。但是它的中心巖柱的屈服接近度很小，僅有0.3。不過總的看來在無偏壓條件下的隧道圍巖無論是兩側還是中間巖柱的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性都是最好的。

當?shù)匦纹珘浩露仍?0°的時候，隧洞中的深埋側邊隧道圍巖屈服度。它的屈服度η＞0.5，其分布范圍是明顯大于淺埋測的，所以偏壓現(xiàn)象也比較明顯。它的最大屈服度出現(xiàn)在邊墻、拱腳和墻腳處，最大屈服度達到了0.85，比平坡提高了30%。中間巖柱和上下去的最大連接屈服度也比平坡有大幅增長，η=0.58。所以在偏壓20°的時候，中間巖柱和圍巖等受力狀態(tài)較之前增大且穩(wěn)定性有下降趨勢，整體穩(wěn)定性一般。

當偏壓坡度達到40°的時候，小凈距隧道表現(xiàn)出了明顯的偏壓。其中它的深埋圍巖屈服接近度達到了最大η=1。而且η＞0.8的分布范圍激光，在隧道圍巖的各個部位包括頂層、底部都出現(xiàn)了η＞0.8的情況。它的最大屈服度在隧道的拱腳、邊墻和墻腳處都接近0.99。比平坡時大幅提高了80%以上。中間巖柱上下去的最大連接屈服度也顯現(xiàn)出明顯的偏壓，最高達到0.9。所以當偏壓達到40°時，圍巖和中間巖柱的受力狀態(tài)表現(xiàn)出極差的穩(wěn)定性，需要引起施工的強烈注意。

在淺埋小凈距隧道偏壓值大于20°后，偏壓隧道的深埋側邊墻處和淺埋側靠近巖柱邊的拱腰和邊腰出η值較大，所以此區(qū)域就會產生塑性區(qū)；而隨著地形偏壓的加劇，深埋側邊墻的圍巖屈服度就會快速增大，并且會向拱腳與墻腳處延伸，最終形成連通區(qū)域。這些區(qū)域的塑性區(qū)面積增加越多，淺埋側增長值增長越緩慢。另外，偏壓角的增加，小凈距隧道中間巖柱的最大聯(lián)通圍巖屈服度增幅也會越明顯，它貫通區(qū)域面積增幅也會愈大。所以淺埋側拱腰與深埋側墻腳處是淺埋偏壓隧道施工整個過程的最薄弱環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)不穩(wěn)等問題。要注意安保措施。

總結：

通過對不同地質條件和偏壓角度下淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖和中間巖柱的測試發(fā)現(xiàn)，其圍巖屈服接近度的不同會給隧洞巖層和山坡帶來不同程度的偏壓現(xiàn)象，這種偏壓現(xiàn)象越大，對施工的力學效應和難度也就越大，危險性也越大。淺埋洞中夾巖測拱腳、深埋洞兩側的拱腳和拱腰是淺埋偏壓小凈距隧道施工工程中最為薄弱、最需要保持警惕的關鍵環(huán)節(jié)，可能會出現(xiàn)危險的滑坡甚至坍塌，所以在施工時一定要格外注意，加強安全措施。

[1]祁寒,高波,王帥帥等.不同地質條件淺埋偏壓小凈距隧道施工力學效應研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2014,51(4).

[2]彭琦,羅威,李亮等.淺埋偏壓小凈距隧道施工力學數(shù)值分析[J].鐵道建筑,2009(12).

[3]黃欣.淺埋偏壓小凈距隧道洞口段施工技術研究[D].中南大學,2013.

[4]柴喜林.不同地質條件下小凈距隧道施工方案.中鐵隧道集團杭州公司.隧道建設.2009（9）

柴喜林（1982-），漢族，男，江西萬年人，2004年畢業(yè)于中南大學土木工程專業(yè)，本科，工程師，從事項目施工技術與項目管理工作。