浅埋偏压连拱隧道破坏机理及处治措施研究

王建华

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067)

浅埋偏压连拱隧道破坏机理及处治措施研究

王建华

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

摘要：目前隧道设计主要采用工程类比法，即依据围岩级别选取相应的支护参数，但对于某些特殊地段，需进行特殊的论证和设计。以杨岗1号隧道进口浅埋偏压段为工程背景，通过强度折减法计算隧道在未采取任何措施情况下和采取反压回填后其安全系数大小及塑性区的分布，对反压回填措施的合理性及有效性进行评估，并根据塑性区的分布指出施工注意事项。

关键词：浅埋偏压隧道；反压回填；强度折减法；安全系数

1问题提出

目前公路隧道设计往往采用工程类比法，即主要依据围岩级别选用相应的支护参数[1]。显然这种做法缺乏理论依据，有诸多不合理性。针对目前工程中存在的问题，郑颖人等[2-5]提出可以采用强度折减法计算隧道的安全系数，即进行有限元计算分析时，选用不同折减系数并按照下列式(1)和式(2)不断地改变材料的2个抗剪强度指标即粘聚力和内摩擦角，并将其带入有限元模型中进行试算。通过多次试算就能够找到“濒临破坏的极限状态”，该状态时的折减系数即为安全系数[6-9]。

(1)

(2)

式中：c、c′分别为强度折减前、后的粘聚力；φ、φ′分别为强度折减前、后的内摩擦角；F为折减系数。

实际工程中，诸多专家学者曾运用上述抗剪强度折减方法解决了大量隧道施工力学的问题。此外，岩土材料有时会发生抗拉破坏，而陈力华、靳晓光等[10-14]针对隧道岩土结构张拉强度对其稳定性的影响进行了相关研究，最终提出了“张拉及剪切破坏的强度折减法”，即在有限元强度折减法中除了对抗剪强度指标进行折减外，还应对抗拉强度T进行折减。

(3)

式中：T、T′分别为材料折减前、后的抗拉强度。

研究表明，改进后的强度折减法更适用于可能发生张拉破坏的岩土结构稳定性分析[10]。本文主要应用有限元强度折减法来评估杨岗1号隧道进口浅埋偏压段施工对整个坡体稳定性的影响，并对反压回填处治措施方式的合理性进行评价。

2隧道安全性分析

2.1工程背景

粤湘高速公路博罗至深圳段杨岗1号隧道穿过丘陵地貌区，为双洞6车道连拱隧道。该隧道隧址区地层主要为侏罗系下统金鸡组泥质粉砂岩、粉砂岩、砂岩及其风化层。其进口端为连拱隧道，且存在大跨、浅埋、偏压等不利因素。杨岗1号隧道进口地形及隧道布置如图1所示。

杨岗1号隧道采用新奥法设计。洞口段锚杆采用长400 cmΦ25 mm的中空注浆锚杆，环向间距100 cm，纵向间距50 cm。初期支护采用厚28 cm的C20喷射混凝土，内置22 b工字钢，工字钢间距50 cm。2次衬砌为模筑混凝土，厚65 cm。

图1　杨岗1号隧道进口地形及隧道布置

2.2有限元计算模型

本文将杨岗1号隧道进洞口浅埋偏压段作为算例模型，研究隧道支护参数的合理性。计算模型如图2所示。

图2　有限元计算模型

2.3计算参数选定

计算选用围岩及支护结构的物理力学参数如表1所示。支护材料参数满足GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》[11]的规定，围岩的支护参数满足JTG D70—2004《公路隧道设计规范》[1]的要求。

表1　围岩和支护结构物理力学参数

注：1.γ为材料重度；E为弹性模量；μ为材料泊松比。下同。2.锚杆的屈服强度为335 MPa，拱架的屈服强度为235 MPa。

2.4计算结果及分析

杨岗1号隧道未施工时及施工完成时山体内潜在塑性区的分布如图3所示。

未修建隧道时，边坡安全系数为2.66，且形成了如图3(a)所示的潜在滑动面。如果不采取任何工程措施，偏压连拱隧道施工成型后隧道的潜在模式如图(b)所示，隧道安全系数为1.44。破坏部位分布情况如下。

图3　杨岗1号隧道塑性区分布

1) 坡体前缘(①处)产生塑性区，是受到坡体土的挤压而产生。

2) 左右2洞洞顶产生了贯通于地表的塑性区(②、③处)。因此，现场监测时，应加强对隧道地表的观察，防止塌方。

3) 2洞相连的中隔墙顶部产生塑性区(④处)，这是因为受到坡体下滑推力的影响，中隔墙发生了偏位。因此，有必要针对隧道可能发生的破坏模式进行现场监测。

4) 隧道深埋侧后缘产生了塑性区(⑤处)，但未贯通。因此，现场施工时应注意深埋侧隧道内侧侧墙的失稳和变形。

隧道安全系数到底取值多少才是安全的，目前尚无定论。文献[10]针对黄土隧道的稳定性对安全系数标准进行了初步探讨，并指出：2次衬砌的安全系数可按当前国内现行规范规定执行，即安全系数大于2.0～2.4，以确保隧洞长期安全；如果初期衬砌安全系数不足，则必须增加初期支护数量。基于这一结论，杨岗1号隧道如果按照固有的方法设计则隧道偏危险，故必须采取加固措施。

3反压回填处治措施效果评价

3.1工程措施

杨岗1号隧道施工时，由于偏压可能发生失稳，故首先对浅埋侧地层进行加固，并于隧道左侧设置了挡土墙，其距隧道16 m，然后进行反压回填，增加浅埋段覆土层厚度以减弱偏压程度。挡土墙及回填土布置如图4所示。

图4　杨岗1号隧道反压回填施工

3.2有限元计算模型建立

根据反压回填设计建立了有限元模型，如图5所示。

图5　反压回填有限元计算模型

3.3计算参数选定

回填土及挡土墙的物理力学参数如表2所示。

表2　回填土及挡土墙物理力学参数

3.4计算结果及分析

根据强度折减法的基本原理，按照式(1)、(2)对材料强度进行折减，直到折减系数F=2.02时，若继续增加折减系数，计算不再收敛，则可以认定整个体系的安全系数为2.02，而未采取反压回填处治措施时隧道的安全系数为1.44。由此可知，反压回填措施使隧道安全系数提高了40%以上，证明采用反压回填措施是有效的。

施加挡土墙不仅可改变隧道结构本身的受力，使隧道的偏压受力得到缓解，尤其对于连拱隧道，挡土墙使两侧推力大致相等，更有利于隧道稳定；而支护在边坡坡脚的挡土墙，能为滑坡提供更大的抗滑力，有利于边坡的整体稳定。

反压回填极限状态时的塑性区云图如图6所示。从图6可以看出：

图6　反压回填极限状态时的塑性区云图

1) 受挡土墙反向推力的影响，整个边坡并未形成贯通的滑动面，故边坡稳定且无整体下滑的趋势。

2) 中隔墙顶部最危险，最容易发生破坏，因此实际施工过程中应加强中隔墙的观测，特别应保证中隔墙顶部锚杆的注浆效果。

3) 深埋侧隧道内侧仍存在部分塑性区，说明坡体仍有下滑趋势，现场施工时应注意观察内侧隧道侧墙的变形情况。

4结论及建议

1) 有限元强度折减法计算方法比较简单，能够定量计算隧道安全系数的大小及隧道潜在破坏面的位置，并可根据潜在破坏面的位置采取有针对性的处置措施，在隧道工程中有广泛的应用前景。

2) 计算结果表明，杨岗1号隧道进口段采取了反压回填措施后，隧道的安全系数明显得到提高，塑性区范围大大减少，从而证明采用反压回填的措施是可行的。

3) 反压回填后，隧道中隔墙顶部仍出现了塑性区，说明此位置最容易发生破坏。因此，现场施工时，应采取以下措施：(1) 中导洞顶部采用注浆加固措施，加强注浆施工的质量；(2) 重视钢拱架与中隔墙连接的质量；(3) 监测中隔墙的偏移变形情况，因为中隔墙的偏转情况可以反映隧道的稳定性。

4) 浅埋偏压段隧道的稳定性不仅仅与隧道支护参数的稳定性有关，其在很大程度上受制于坡体的稳定性，因此，提高工程安全性的办法应从提高坡体稳定性的角度来考虑。

参 考 文 献

[1]重庆交通科研设计院.JTG D70—2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[2]赵尚毅，郑颖人，时卫民，等．用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J]．岩土工程学报，2002，24(3)：343-346．

[3]赵尚毅，郑颖人，邓卫东．用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J]．岩石力学与工程学报，2003，22(2)：254-260．

[4]郑颖人，赵尚毅．有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(19)：381-388．

[5]UGAI K．A method of calculation of total safety factor of slopes by elastoplastic FEM [J]．Soils and Foundations，1989，29(2)：190-195．

[6]郑颖人，胡文清，王敬林．强度折减有限元法及其在隧道与地下洞室工程中的应用[J]．现代隧道技术，2004(增)：239-243．

[7]郑颖人，赵尚毅．岩土工程极限分析有限元法及其应用[J]．土木工程学报，2005，38(1)：91-104．

[8]郑颖人，赵尚毅，邓楚键，等．有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用[J]．中国工程科学，2006，8(12)：39-61．

[9]张黎明，郑颖人，王在泉，等．有限元强度折减法在公路隧道中的应用探讨[J]．岩土力学，2007，28(1)：97-101．

[10]陈力华，靳晓光.有限元强度折减法中边坡3种失效判据的适用性研究[J]．土木工程学报，2012，45(9)：136-146．

[11]中国建筑科学研究院．GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S]．北京：人民交通出版社，2010．

[12]张红，郑颖人，杨臻，等．黄土隧洞支护结构设计方法探讨[J]．岩土力学，2009，30(增2)：473-478．

Research on Failure Mechanism of Shallow-embedded Biased Multiarch Tunnels and Treatment Measures

WANG Jianhua

Abstract:At present the engineering analogy method is mainly adopted in design of tunnels, i.e. corresponding support parameters are selected according to the grades of wall rock, however, for some special sections, special argumentation and design are required. With the shallow-embedded biased section at the inlet of Yanggang No.1 Tunnel as project background, this paper calculates the safety coefficient and distribution of plastic zones of the tunnel in the cases that any measure is not adopted and after back pressure backfill is adopted through the strength deduction method, evaluates rationality and effectiveness of back pressure backfilling measures, and points out precautions in construction according to distribution of plastic zones.

Keywords:shallow-embedded biased tunnel; back pressure backfill; strength deduction method; safety coefficient

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.022

基金项目：重庆市应用开发项目(CSTC2013YYKFA30003)；重庆市科技攻关项目(CSTC2011AC6212)

收稿日期：2015-12-21

作者简介：王建华(1976-)，男，四川省安岳县人，硕士，高工。

文章编号：1009-6477(2016)03-0098-04中图分类号：U459.2

文献标识码：A