超浅埋偏压隧道洞口段施工变形控制

董朝阳

(中国铁路兰州局集团有限公司，甘肃 兰州 730000)

随着交通的迅速发展，隧道在地下工程中扮演着愈加重要的角色。隧道表层大多表现为斜坡状，不可避免的会出现偏压作用，导致隧道的不对称变形，且覆盖在洞口段的表层较薄，极易使隧道开挖过程中的围岩及支护结构产生受力不均衡的情况，从而导致围岩失稳，影响到隧道建设安全，严重时可能会产生塌方、冒顶，加之水的作用，极有可能发生泥石流灾害，使围岩强度大大降低，危及隧道建设安全，危害建设人员生命安全。因此，许多学者研究了浅埋偏压隧道的围岩状态及受力特征[1-6]，为研究类似工程奠定了良好的基础。然而，现阶段人们对于浅埋偏压隧道支护结构的了解还不够深入，且由于隧道受到施工以及外界环境影响较大，极易使施工方案的实施与理论方案不符；另外，各地区地质环境各不相同且复杂，使得施工控制结果让人难以满意。鉴于此，本文以月麦岔隧道进口超浅埋偏压段为研究对象，通过对偏压段进行断面分析及衬砌结构验算，提出针对偏压段合理的施工建议，为保证超浅埋偏压隧道的稳定提出有效的施工措施。

1 工程概况

月麦岔隧道起讫里程为DK192+693.755—DK193+526，全长832.245 m，为双线隧道，隧道最大埋深约74 m。隧道进口DK192+709—+955段246 m浅埋偏压，偏压情况如图1所示。隧道所处地层为第四系上更新统风积砂质黄土、冲洪积细圆砾土、白垩系下统砂岩夹砾岩，该段隧道洞身主要位于砂岩夹砾岩层中。

图1 地表偏压状况(单位：cm)

2 数值模拟分析

2.1 浅埋偏压洞口段隧道设计方案

偏压洞口段围岩至上而下依次为砂质黄土、砂岩加砾岩W4、W3地层，拱顶覆盖层约5.5～14.1 m，地表横坡约1∶1.4，左右侧高差约60 m，偏压严重。

(1)洞内超前支护采用∅89 mm管棚+小导管，衬砌采用Ⅴc偏压衬砌，初支厚30 cm，全环设置I22a@0.5 m钢架，二衬拱墙55 cm，仰拱65 cm，每延米配5根∅22 mm钢筋；采用CRD工法施工。

(2)洞外采用∅89 mm钢花管地表注浆，注浆范围为隧道中线左侧10 m，右侧15 m，左侧加固深度至W3地层2 m，右侧加固深度至W3地层0.5 m，隧道开挖范围内注浆深度为开挖轮廓外50 cm，钢花管间距按1.5 m×1.5 m(纵×横)梅花型布置，采用∅89 mm钢花管，每排共17根。先钻注浆孔，然后分层注浆。

(3)采用10%水泥稳定碎石土反压回填，夯实密实度不小于0.9，待回填土完全固结后方可进行洞内施工。回填坡脚采用C20混凝土挡墙及桩板墙防护：挡墙高不大于8 m，挡墙基础埋深不小于1.3 m，基底采用三七灰土换填1 m厚；DK192+917—DK192+955段采用桩板墙防护，桩间距为6 m，桩截面2.00 m×2.25 m，桩长14 m。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 模型的建立

模型计算范围的确定主要根据隧道开挖后应力重分布情况，并考虑满足一定的边界效应。Ⅴc衬砌断面跨度约为14 m，考虑到隧道的影响范围一般为3～5倍洞径，从隧道左右两侧最外缘再往两边各取45 m为左右边界，模型的横向尺寸约为104 m；隧道仰拱最外缘往下再取45 m作为下边界，上边界为地表面并考虑填方层的厚度，模型的竖向尺寸约为109 m。

根据月麦岔隧道地勘报告，选取各级围岩计算参数如表1所示。衬砌钢筋混凝土弹性模量根据《隧道设计规范》6.2.4节并结合以往工程经验取值33 GPa。

表1 地层物理力学参数

建模时，地层围岩、填土及桩基层均采用4节点的四边形二维单元模拟，衬砌采用2节点梁单元模拟。整个模型共有单元7 094个、节点7 174个，其中隧道衬砌单元38个、节点38个。

在本模型中，计算分析边界条件取为：底面约束竖直方向y方向的自由度，侧向约束x方向的自由度，地表为自由面。

本次计算主要分析隧道工后二衬支护结构的最终受力状态。因此，取反压回填及地表注浆措施处理完成后的地层作为初始计算状态，并对施工步做适当简化如图2所示。

图2 开挖计算状态

2.2.2 山体总体变形趋势

山体的总体变形如图3所示。隧道开挖后，整个地层由于偏压作用发生了向右变形的趋势，并且反压回填的锚固桩发生了一定的倾斜；同时隧道上方由于开挖卸载影响，地表发生了一定的竖向沉降。

图3 山体的总体变形

2.2.3 山体水平及竖向位移

水平：隧道开挖后，地表的水平位移从坡顶往坡脚逐渐递增，其中最大地表水平位移发生在隧道右上方反压回填区域附近，约为7.37 mm，方向向右。

竖向：隧道开挖后，地层的竖向变形主要发生在隧道周边区域，并从隧道正上方向左右两边逐渐减小，其中最大地表竖向沉降发生隧道正上方附近，约为19.80 mm，如图4所示。

图4 山体水平及竖向位移

2.2.4 围岩塑性区分析

山体的塑性区分布如图5所示，其中，深色区域处即为发生了塑性屈服的区域。可以看出：由于偏压作用，地层的塑性区主要分布在锚固桩附近，而隧道附近的塑性区则相对较少；隧道周边的塑性区主要集中在左上方，承受偏压的一侧区域；隧道正上方加固区域的塑性区相对较少。

图5 围岩塑性区

施工中应加强对锚固桩附近及隧道受偏压侧的监测。

2.2.5 隧道衬砌结构安全检算

隧道二衬弯矩与轴力分布如图6所示：

图6 隧道二衬内力

偏压对隧道的内力分布有较明显的影响。由于隧道左上方山体较高，为承受地层偏压力的主要方向，因此左上方弯矩明显增大，而其他区域相对较小。另外，隧道拱脚由于应力集中作用，弯矩同样较大。

取衬砌弯矩最大的4个特征点，按《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)进行安全系数检算，结果见表2。

表2 衬砌结构安全系数

由表2的支护截面强度检算结果可知，隧道衬砌结构各处的破坏类型均为大偏心受压破坏，且衬砌截面强度满足规范安全系数大于2.0的要求，裂缝宽度小于规范0.2 mm的要求。

3 变形控制分析

3.1 监测数据分析

月麦岔隧道在开挖后，周围围岩被扰动，围岩失去了原有的稳定性，加之浅埋段地层较薄，进而影响到地表表层，致使地表产生水平及竖直位移。因此，监测数据选取月麦岔隧道洞口段DK192+915、DK192+925、DK192+935三个断面为沉降观测研究对象，共设置五个监测点，其中沿隧道中心线设置1个，距离隧道中线每隔2.3 m处设置左右各2个，累计监测62 d。

三个断面的地表沉降变化规律基本一致，DK192+915观测结果如图7所示。由图7所示，隧道进口段开挖致使洞身上覆岩层产生位移，最大沉降量为16.60 mm，说明该断面的埋深较浅，围岩较易遭受扰动。在隧道进口段浅埋处施工中，应及时做好超前支护，以防隧道拱顶塌陷。

图7 DK192+915断面地表沉降变化

隧道DK192+925断面产生位移值大于断面DK192+915，最大沉降值为20.00 mm。说明该断面的埋深比断面DK192+915浅，围岩更易遭受扰动，在隧道开挖过程中更要注意洞身上覆岩层的变化。

DK192+935断面地表沉降量监测结果最大值为19.20 mm，从侧面表现出此断面埋深较浅。在隧道开挖后，隧道上覆围岩被扰动，整个地层也由于偏压作用出现了变形趋势，隧道本身也发生了变形。

各断面地表水平位移变化如图8所示，可以看出最大水平位移值出现在断面里程DK192+905上，且最大地表水平位移值为10.56 mm。图中显示水平位移变化与隧道埋深有关系，并有一定规律性，埋深越浅，地表位移变化越大；反之，埋深越深，地表水平位移变化越小。

图8 各断面地表水平位移变化

3.2 监测与模拟对比分析

将数值模拟结果与监测数据对比(见表3)，可以更加清楚地了解围岩的动态变化规律，可以更好地控制隧道的施工变形。

从表3可知，监测的隧道围岩变形量与数值模拟的隧道围岩变形量有所差异，但是两者产生的变形量差异较小。这是由于数值模拟是理想化的模型，欠缺围岩中水的作用的影响、岩体的各向异性的影响，实际施工中隧道开挖的施工方案及时间与模型之间具有一定差别。

表3 现场监测与数值模拟变形量对比 mm

围岩变形模拟结果与实测结果相差较小，且隧道整体变形小，可以满足隧道安全施工的要求。

4 结论

(1)隧道开挖后，整个地层由于偏压作用发生了向右的变形，并且反压回填的锚固桩发生了一定的倾斜。超浅埋偏压隧道施工中应加强超前支护、核心土、大拱脚、锁脚锚管等变形控制措施，二次衬砌紧跟，确保浅埋偏压隧道施工安全。

(2)地层的塑性区主要分布在锚固桩附近，隧道周边的塑性区主要集中在左上方、承受偏压的一侧区域。隧道正上方加固区域的塑性区相对较少，且各塑性区并未连通成片，山体基本处于稳定状态。

(3)地势的偏压作用对隧道变形有较明显的影响，隧道位移变形呈非对称分布，并且以沉降变形为主；地层竖向变形主要发生在隧道周边区域，并从隧道正上方向左右两边逐渐减小。

(4)经过衬砌弯矩最大的4个特征点的检算，可发现隧道衬砌结构该处的破坏类型均为大偏心受压破坏，且衬砌截面强度满足规范要求。