王国权

(宁波市城建设计研究院有限公司，浙江 宁波 315012)

0 引言

在高速公路、铁路等工程建设过程中，由于地质地形、气象、水文等条件较复杂，需修建浅埋偏压隧道。由于浅埋偏压隧道进口段埋深浅，且存在偏压，其变形规律不同于常见浅埋隧道，因此，需对变形规律进行深入研究[1]。目前，多位学者对隧道边坡支护进行研究，并取得一定成果，如唐纯勇[2]采用ANSYS软件对浅埋偏压隧道进行数值模拟分析，系统研究了坡度、埋深、围岩弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角对隧道的影响；戴文革[3]基于太原至静游段向阳村浅埋偏压软岩隧道，分析了不同支护结构开挖过程中围岩变形特性、塑性区分布等，总结了隧道和支护结构力学特性、变形规律等；谢小鱼[4]采用FLAC3D软件分析了浅埋偏压大跨度隧道力学特性与破坏模式，并基于模糊层次分析法建立了隧道可拓风险评估物元模型；徐伟[5]采用ABAQUS软件UMAT子程序开展了福建省浅埋偏压高山岩隧道变形三维黏弹塑性数值模拟分析，研究了不同偏压角度、埋深下隧道围岩变形与支护结构内力变化情况；李宗长等[6]对湖北宜昌夹活岩公路隧道浅埋偏压段出洞施工过程进行总结分析，认为准确掌握地形、加强监控量测、采用合理出洞方案是出洞施工的关键；周嘉宾等[7]通过数值模拟分析结果和实测结果的对比分析，发现洞口偏压段初期支护出现明显不对称弯曲变形，最大拉应力出现在偏压隧道深埋侧拱腰，最大压应力出现在浅埋侧拱腰和深埋侧拱脚；姚笛等[8]针对高寒地区特长隧道偏压破碎带坍塌变形情况，通过分析坍塌原因，制定坍塌处理措施，采取径向注浆、施作护拱、增强支护、加强监控量测的变形处理措施，取得良好效果；赵树杰等[9]基于隧道施工监控量测对隧道CRD法施工进行反分析和数值模拟分析，建议浅埋偏压隧道CRD法中隔壁应偏向围岩压力较小一侧，同时应先开挖浅埋侧；肖启山[10]利用FLAC3D 软件建立数值模型，研究不同坡度下隧道围岩变形规律和衬砌结构受力特征。目前，对浅埋偏压隧道动力响应与加固技术的研究较少。为此，采用有限元软件ABAQUS分析浅埋偏压隧道在0°，15°，30°，45°，60°偏压角度下动力响应及Ⅳ3，Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅵ级围岩稳定性，并研究抗滑桩桩长对隧道加固效果的影响。

1 数值模拟分析

1.1 模型建立

根据地质勘察资料建立有限元模型，如图1所示。隧道宽12m，高10m，控制拱肩至坡面的垂直距离为8m，隧道外轮廓至左右边界的垂直距离为48m，隧道外轮廓至底部的垂直距离为60m，可降低有限元模型边界条件对计算结果产生的影响。支护结构按线弹性材料计算，衬砌采用梁单元模拟，围岩采用平面应变单元模拟。围岩初始应力场仅考虑自重应力，将衬砌周围3m围岩参数提高20%，以模拟锚杆对围岩的加固作用。采用上下台阶预留核心土法开挖隧道，模拟施工过程时，分别将上台阶、核心土、下台阶开挖的围岩应力释放率定为30%，30%，40%。

图1 有限元模型

1.2 材料物理力学参数

根据地质勘察资料、土样试验报告，结合JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》选取材料物理力学参数，其中围岩参数如表1所示，衬砌厚25cm，重度为25kN/m3，弹性模量为29.5GPa，泊松比为0.2，轴心抗压强度为25MPa。

表1 围岩物理力学参数

1.3 计算工况

由于浅埋偏压段多位于隧道洞口处，该处围岩更软弱、易破碎，因此对Ⅳ3，Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅵ级围岩进行研究，设置偏压角度为0°，15°，30°，45°，60°。

1.4 计算参数

1.4.1偏压系数

偏压系数随着偏压角度的变化而变化，单洞偏压系数λ单洞计算如下：

(1)

式中：σ左为左侧特征点围岩应力；σ右为右侧特征点围岩应力；σ0为平坡特征点围岩应力；N左为左侧特征点轴力；N右为右侧特征点轴力；N0为平坡特征点轴力。

1.4.2衬砌安全系数

(2)

式中：ψ为构件纵向弯曲系数，可取1.0；α为偏心影响系数；Ra为混凝土极限抗压强度；b为截面宽度；h为截面厚度；R1为混凝土极限抗拉强度。

由抗压强度控制承载力时，衬砌安全系数应>2.4；由抗拉强度控制承载力时，衬砌安全系数应>3.6。

1.4.3围岩安全系数

围岩安全系数采用强度折减法进行计算，将岩土体黏聚力c、内摩擦角φ同时除以折减系数F，得到折减后的岩土体黏聚力c′、内摩擦角φ′：

(3)

(4)

将c′，φ′作为新的材料参数进行试算，当边坡处于临界状态时，边坡将发生破坏，对应的折减系数F即为边坡稳定性系数。

2 动力响应分析

2.1 衬砌动力响应

2.1.1轴力与偏压系数

围岩等级为Ⅴ1时，不同偏压角度下，单洞隧道施工引起的衬砌轴力如图2所示，最大轴力及偏压系数如表2所示。由图2及表2可知，当偏压角度为0°时，拱腰轴力最大，为614.33kN(受压)；随着偏压角度的增大，浅埋侧最大轴力逐渐由拱腰向拱肩移动，深埋侧最大轴力逐渐由拱腰向拱脚移动，整体来看，浅埋侧拱肩及深埋侧拱脚轴力逐渐增大，浅埋侧拱脚及深埋侧拱肩轴力逐渐减小，最大轴力呈沿隧道周边顺时针方向调整的规律，轴力分布的不对称性逐渐加剧；偏压角度为0°～45°时，各位置偏压系数近似呈线性增加，其中，拱肩偏压系数较大且增长较快；偏压角度为45°～60°时，拱肩偏压系数略有下降，而拱脚偏压系数上升，超过拱肩偏压系数，拱腰及仰拱偏压系数上升幅度略增大，可知偏压角度>45°时，偏压特性明显，实际工程设计与施工过程中应格外注意。

表2 衬砌最大轴力与偏压系数

图2 不同偏压角度下衬砌轴力云图(单位：kN)

2.1.2变形特性

衬砌位移如表3所示，由表3可知，衬砌位移基本随着偏压角度的增大而增大，当偏压角度<30°时，衬砌最大位移为3.25mm，衬砌较安全；当偏压角度>45°时，衬砌位移增大，特别是60°偏压角度下Ⅴ1级围岩衬砌位移达61.30mm，超过了允许变形。随着偏压角度的增大，衬砌最大位移出现位置逐渐由仰拱底变化至左拱肩，且有继续向左上方移动的趋势，整个衬砌向浅埋侧挤压。

表3 衬砌位移 mm

2.1.3安全系数

衬砌安全系数如表4所示。由表4可知，深埋侧衬砌安全系数均低于浅埋侧；当偏压角度为45°时，Ⅴ1级围岩浅埋侧衬砌安全系数仅为2.15，而当偏压角度为30°时，Ⅵ级围岩深埋侧衬砌安全系数为3.28，表明偏压角度对隧道偏压特性和衬砌安全性的影响大于围岩参数；当偏压角度>45°时，衬砌安全系数均不满足设计要求，需采取一定加固措施。

表4 衬砌安全系数

2.2 围岩动力响应

2.2.1塑性区

不同偏压角度下，单洞隧道施工引起的Ⅴ1级围岩塑性区分布如图3所示，图中浅色区域为塑性区，深色区域为荷载变化区。由图3可知，当偏压角度为15°，30°时，洞室深埋侧拱脚局部出现塑性区，该处衬砌受力较大，但塑性区面积较小，浅埋侧未出现塑性区；当偏压角度为45°时，深埋侧拱脚塑性区向坡顶迅速发展，浅埋侧出现较大塑性区，并发展至坡面，此时围岩整体已处于不稳定状态；当偏压角度为60°时，洞室已被塑性区包围，深埋侧塑性区向坡顶和右侧继续发展直至贯通，浅埋侧塑性区垂直向上和斜向下发展，此时围岩和衬砌处于失稳或临近失稳状态。

图3 不同偏压角度下塑性区分布

当拱肩至坡面的垂直距离为8m、偏压角度为30°时，不同围岩等级下，单洞隧道施工引起的围岩塑性区分布如图4所示，图中浅色区域为塑性区，深色区域为荷载变化区。由图4可知，当围岩等级为Ⅳ3，Ⅴ1时，隧道开挖后洞室周边围岩几乎不产生塑性区；当围岩等级为Ⅴ2时，洞室周边围岩产生零星分布的塑性区，深埋侧拱脚塑性区面积较大，各塑性区未贯通；当围岩等级为Ⅵ时，洞室上部和左侧塑性区均发展至坡面，右侧和下部塑性区贯通，洞室右侧远处形成面积较大的塑性区。

图4 不同围岩等级下塑性区分布

综上所述，当偏压角度为45°、围岩等级为Ⅴ1时，塑性区面积较大且贯通；当偏压角度为30°、围岩等级为Ⅵ时，塑性区面积相对较小，仍有一定安全度，可知对于浅埋偏压隧道围岩稳定性，偏压角度的影响较围岩等级大。

2.2.2安全系数

通过强度折减法求得的围岩安全系数如表5所示。由表5可知，隧道开挖后围岩安全系数基本小于开挖前，但差距较小；当偏压角度为15°时，各级围岩安全系数均较高；当偏压角度为30°时，Ⅳ3，Ⅴ1级围岩安全系数较高；当偏压角度为60°时，各级围岩安全系数均较低，需通过设置抗滑桩、钢管桩等进行加固。

表5 围岩安全系数

3 隧道加固效果分析

通过浅埋段设置抗滑桩加固浅埋偏压隧道，抗滑桩截面尺寸为2m×3m，重度为24kN/m3，弹性模量为30GPa，泊松比为0.2，对中距离为4m，中轴线距隧道外轮廓2m，抗滑桩边缘距隧道外轮廓1m。偏压角度设为45°，围岩等级设为Ⅴ1，将桩长设为19，21，23，25，27m，计算抗滑桩长度对浅埋偏压隧道加固效果的影响，计算模型如图5所示。

图5 计算模型

3.1 衬砌轴力与压应力

不同桩长下衬砌轴力与压应力分别如图6，7所示，衬砌参数计算结果如表6所示。由图6，7及表6可知，加入抗滑桩后，衬砌轴力并未减小，变化较小，且偏压现象依然存在；衬砌最大压应力有所降低，由11.63MPa降至9.7MPa左右，且随着桩长的增加逐渐减小；衬砌安全系数随着桩长的增加逐渐增大，但增幅较小。

图6 不同桩长下衬砌轴力云图(单位：kN)

表6 不同桩长下衬砌参数计算结果

3.2 衬砌变形特性

不同桩长下衬砌位移如图8所示。由图8可知，未设置抗滑桩时，衬砌拱顶沉降约为4.97mm，最大位移出现在右拱肩，约为5.78mm；随着桩长的增加，衬砌位移有所降低，但变化较小，桩长为27m时，拱顶沉降约为4.37mm，最大位移仍出现在右拱肩，约为4.87mm。

图8 不同桩长下衬砌位移云图(单位：m)

3.3 围岩安全系数

图7 不同桩长下衬砌压应力云图(单位：kN·m-2)

未设置抗滑桩时，计算得到围岩安全系数为1.18；桩长为19，21，23，25，27m时，计算得到围岩安全系数分别为1.29，1.31，1.34，1.34，1.33；桩长为23m时，围岩安全系数较高，且继续增加桩长对安全系数提升效果的影响较小。因此，当偏压角度为45°、围岩等级为Ⅴ1时，可将23m作为抗滑桩最优长度。

3.4 抗滑桩与隧道距离优化

当抗滑桩长度一定时，抗滑桩边缘至隧道外轮廓的距离对衬砌受力和围岩稳定性具有一定影响。将偏压角度设为45°，围岩等级设为Ⅴ1，抗滑桩长度设为23m，抗滑桩边缘至隧道外轮廓的距离分别设为1，2，3，4，5m，分析不同位置抗滑桩支护效果，得到抗滑桩最优位置。

抗滑桩与隧道距离不同时，隧道参数计算结果如表7所示。由表7可知，衬砌最大压应力随着抗滑桩与隧道距离的增加先减小后增大，当抗滑桩与隧道距离为3m时，最大压应力最小，衬砌安全系数最高，为2.66；随着抗滑桩与隧道距离的增加，围岩安全系数变化较小，当抗滑桩与隧道距离为2m时，围岩安全系数最高，为1.35。综上所述，当抗滑桩边缘至隧道外轮廓的距离为2～3m时，支护效果最优。

表7 隧道参数计算结果

4 结语

利用有限元软件ABAQUS对某浅埋偏压隧道进行数值模拟分析，对不同偏压角度、围岩等级下隧道动力响应进行研究，并分析抗滑桩桩长对隧道加固效果的影响，得出以下结论。

1)随着偏压角度的增大，衬砌轴力分布的不对称性逐渐加剧，浅埋侧拱肩及深埋侧拱脚轴力增大，浅埋侧拱脚及深埋侧拱肩轴力减小。

2)不同偏压角度、围岩等级下，深埋侧衬砌安全系数均低于浅埋侧。随着偏压角度的增大及围岩等级的降低，深、浅埋侧衬砌安全系数差距逐渐明显。

3)当围岩等级一定时，随着偏压角度的增大，深埋侧塑性区快速向坡顶发展，浅埋侧逐渐出现塑性区，围岩整体稳定性降低。当偏压角度一定时，随着围岩等级由Ⅳ3变为Ⅵ，塑性区逐渐发展贯通，围岩稳定性降低。

4)设置抗滑桩不改变隧道偏压现象，但有助于减小衬砌最大压应力及位移。随着桩长的增加，衬砌最大压应力逐渐减小，而位移变化较小。

5)通过设置抗滑桩可提高围岩安全系数，在一定偏压角度和围岩等级下，抗滑桩存在最优长度。

6)随着抗滑桩边缘至隧道外轮廓距离的增加，衬砌最大压应力先减小后增大。当偏压角度为45°、围岩等级为Ⅴ1、抗滑桩长度为23m、抗滑桩边缘至隧道外轮廓的距离为2～3m时，抗滑桩支护效果最优。