摘要：在隧道轴线与地表山坡走向或岩层走向夹角较小时，工程开挖后将会产生较为明显的偏压现象，隧道开挖后可能会产生较大的不均匀变形。为分析解决隧道浅埋段偏压的问题，文章分析了浅埋偏压现象的产生机理，进行各种施工方法的数值模拟，研究了隧道轴线与山坡及岩层相交形式对隧道围压的影响。由模拟计算结果确定了隧道洞口采用超短台阶预留核心土的施工方法，提出相关的施工工艺，并可为土层性质相近的隧道工程浅埋段施工提供技术参考。
关键词：浅埋偏压；回填；数值模拟；
1工程概况
某隧道位于丘陵地貌，地形起伏大。该隧道为分离式隧道，左线隧道起讫里程ＬＫ２＋３４１～ＬＫ３＋１０５长７６４ｍ；右线隧道起讫里程Ｋ２＋２９３～Ｋ３＋０８７长７９４ｍ。地质结构复杂，围岩岩性变化较大，其中二级围岩占隧道总长的58.2％，受山体偏压影响，施工难度较大。特别是进口段处于浅埋层和尾矿带，围岩破碎，一半泥土，一半碎石，埋层平均厚度仅2.6ｍ。
2浅埋偏压现象的产生机理及影响因素
2.1隧道轴线与山坡相交形式的影响
一般情况下，山岭隧道选线的弹性不大，进洞的位置往往只能在总体工程地质条件较差的区段选择一较好的地段。我国在隧道洞口位置选择方面规定：隧道洞口的中线，宜与地形等高线正交或接近正交。否则要尽量以大角度斜交进洞。由于隧道轴线与地形的位置关系不同，会导致隧道开挖后，围岩产生的次生应力有较大的不同，进而影响隧道施工风险和稳定性。洞口工程施工时，因为隧道的挖掘或地貌的改变均将破坏原有的应力平衡，隧道洞口附近边坡可能会发生地层滑动或坡面崩坏等现象，而隧道内则可能会发生开挖工作面崩坏、偏压、顶板冒落、侧墙失稳、地基承载力不足导致过度沉陷等现象。
2.2地质条件的影响
长期的地质作用使得地壳产生了倾斜、褶皱、断层、破碎带等各种复杂的构造，这些构造在岩体上表现出多种结构形态。所以这些都会对隧道的稳定性造成直接的影响。对于浅埋的洞口段工程而言，一般洞口均会避开断层，而褶曲在地表由于应力释放，岩体较为破碎，加上风化作用，往往在地表形成较厚的破碎带，从而影响洞口段工程的稳定性。
3浅埋偏压地段隧道施工方法优选
3.1计算简图
为确定合理施工方法，以ＬＫ２＋３８０断面为例，采用同济曙光分别对不同的开挖方法进行数值模拟，计算原理与基本假定同前一章所述。地层岩体简化为表层粘土、灰岩和不同厚度的回填土层。计算域上边界取至地表，左、右、下边界距隧道外缘周边分别为５０ｍ、３７ｍ、１７ｍ。在边界条件都确定为位移约束条件的情况下，上边界是自由变形边界，左右边界分别视为水平平移为０的边界，下边界竖向位移也为０。
3.2计算工况
计算分别模拟全断面开挖法、短台阶法、超短台阶预留核心土法和分部开挖法（ＣＲＤ法）。模型对实际工程数据的模拟决定了数值模型的精准度。在隧道开挖的施工中逐渐推进掌子面，衬砌随后实施，这样能够起到约束隧道周围岩体的作用，防止其变形。本文展示的平面应变有限元模型，经过咨询相关专家的建议，引入了释放荷载。释放荷载会在不同的施工阶段中以不同的释放系数来进行释放，经过准确分配后，最后确保系数总和为“１”。每个施工阶段的释放系数分配如下：1）全断面开挖法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆隧道开挖后锚喷支护在应力已释放３０％后开始施作，衬砌结构在应力已释放７０％后浇注；2）短台阶法。每开挖步完成后锚喷支护在应力已释放３０％后开始施作，衬砌结构在应力已释放７０％后浇注；3）超短台阶预留核心土法。每开挖步完成后锚喷支护在应力已释放２０％后开始施作，衬砌结构在应力已释放70％后浇注；4）分部开挖ＣＲＤ法。每开挖步完成后锚喷支护在应力已释放20％后开始施作，衬砌结构在应力已释放80％后浇注。采用超短台阶预留核心土法，隧道衬砌受力最为均匀，且剪力、弯矩的最大值最小。由于隧道处于一条与线路平行的断层带上，断层带宽3～10ｍ不等。在开挖过程中，断层带将开挖面分割成2～3条柱状石，石柱之间夹粘土及碎石，粘土呈软硬塑状，含水率达20％～25％。加之隧道浅埋。隧道在ＬＫ２＋３４０～＋４３０段最大埋深为１．０Ｄ（Ｄ＝隧道开挖宽度，约15ｍ），加之隧道在ＬＫ２＋３４０～＋４３０段存在偏压。隧道在开挖时，应做到尽量减小对周边围岩的扰动及对以前支护成形地段的扰动。分步开挖ＣＲＤ工法，则易对刚支护完成的前一开挖断面造成扰动，对周边围岩的扰动次数也相应增多。全断面开挖和台阶法由于一次开挖面积较大，围岩应力释放较快，作用在锚杆和衬砌的压力较大，且受偏压影响，隧道周边受力不均匀，易造成局部破坏，并引发连锁反应，从而造成整个支护体系的破坏；如果支护不及时（锚喷支护时，应力可能已超出释放30%的假设），围岩会产生较大的变形，且不容易控制变形趋势，从而造成岩体失稳和塌方。隧道洞口附近工程覆土厚度较薄，围岩较为破碎，地拱效应基本无法发挥，易出现掌子面崩坏及地表下陷等问题。因此经反复研究论证，结合数值模拟分析，初步确定采用超短台阶预留核心土，上导全程设临时仰拱，下导开挖不拆除临时仰拱的作业方法。隧道拱部一次爆破成形，初期支护措施能尽早完成，并减少了对围岩的扰动次数，尽量多地保护了围岩自稳、初支与围岩的密贴，使初支与围岩能尽早的共同作用，提高了隧道的稳定性。但是从模拟结果来看，隧道变形量相对较大，且地表在开挖过程中会出现较大的沉降，施工过程中应加强监控，并根据实际情况及时调整支护方式，必要时应加强支护刚度。
4浅埋偏压地段隧道工程施工工艺
对于破碎围岩段以人工开挖为主，机械配合，必要时进行小型微震爆破。上台阶开挖２ｍ后，进行下台阶的开挖，开挖进尺以0.70ｍ，每循环安设一榀钢拱架为准。上下台阶平行进行，上断面环状土采用人工开挖，下断面采用挖掘机进行中槽开挖，每一断面开挖完成后首先初喷一层4ｃｍ厚的混凝土，随后进行钢拱架、挂设钢筋网片、安设系统锚杆的作业，最后再喷射混凝土至设计厚度。喷射混凝土前，进行开挖面轮廓线检查，并做好检查记录，绘制轮廓线图，合格后施喷混凝土。否则，迅速修整合格。在开挖过程中，防止超挖，以设计轮廓线为标准制作样板，随挖随量，确保不出现超欠挖。如因其它原因造成超挖，迅速提出处理方案，尽快通知监理工程师，进行处理。
5结论
当隧道轴线与坡面或岩层走向斜交或平行，上覆岩层较为破碎时，由于隧道的开挖，在重力作用下散体材料有向隧道内部运移的趋势，同时由于地表存在一定的坡度，隧道拱顶上方岩层的重力不同，从而产生偏压现象。针对隧道口偏压现象，为确定合理施工方法，采用同济曙光分别对不同的开挖方法进行数值模拟，分别计算模拟全断面开挖法、短台阶法、超短台阶预留核心土法和分部开挖法（ＣＲＤ法）四种开挖方法。由计算结果可以看出，采用超短台阶预留核心土法，隧道衬砌受力最为均匀，且剪力、弯矩的最大值最小。从而确定了覆土厚度较薄的洞口附近工程采用超短台阶预留核心土，上导全程设临时仰拱，下导开挖不拆除临时仰拱的作业方法。提出了上下台阶平行进行，上断面环状土采用人工开挖，下断面采用挖掘机进行中槽开挖，每一断面先初喷混凝土，随后进行钢拱架、挂设钢筋网片、安设系统锚杆等作业，最后再喷射混凝土至设计厚度的浅埋偏压地段隧道工程施工工艺。本文对浅埋偏压地段隧道工程部分问题进行了汇总整理，但仍缺乏全面性，有必要建立大型的数据库系统，并建立量化的风险评估和规避体系。
参考文献：
［1］孙玉国，何荣康，白继承．隧道洞口段预加固措施及施工方法［J］．世界隧道，2000，（3）：13-18．
［2］任在栋．严重偏压浅埋傍山隧道雨季洞口施工技术［Ｊ］．安徽建筑，2004，（2）：95-98．
论文作者:李志星
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：隧道论文; 偏压论文; 围岩论文; 应力论文; 断面论文; 超短论文; 台阶论文; 《基层建设》2019年第7期论文;