张永兴，娄 勇，黄 达，刘小军，杨 超

（1.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；2.重庆大学 教育部山地城市建设与新技术重点实验室，重庆400045）

0 引言

随着国家基建重心向西部转移，山区高速公路的建设越来越多。在山区修建高速公路，隧道往往是投资最大的工程，同时也是高速公路全线的控制性工程。而在山区隧道进洞施工过程中，洞口段边仰坡的稳定性问题在隧道施工阶段往往处于突出的地位［1］。当前，地表开挖和填土引起的边坡变形，应力场和位移场的重力重分布以及边坡失稳机理的三维数值分析的事例已有不少［2-6］，对于地形偏压隧道进口段隧道施工对仰坡变形影响已有一些研究［7-11］。在实际工程中，人们对洞口仰坡重视程度较高，但往往关心隧道未开挖之前的状态，大多进行刷坡之后再进行隧道开挖，而对于洞口段隧道开挖过程中对仰坡变形的研究不够重视。许多隧道在洞口段开挖过程中出现的仰坡坡面开裂失稳、洞口垮塌等事故，关键问题就是忽视了洞口开挖对仰坡变形的影响。因此对于山区浅埋偏压条件下隧道洞口段开挖对仰坡变形规律的影响的研究是有必要的。

文章结合厦蓉高速公路某隧道右洞洞口段的施工过程具体研究浅埋偏压隧道洞口仰坡因隧道开挖引起的变形规律，可为类似隧道洞口段开挖方案的设计提供理论依据，也为类似工程建设提供有益的借鉴。

1 工程概况

隧址区位于贵州省丹寨县平寨沟，分为左、右线，分别位于公路测设里程 ZK173+776～ZK173+944，YK173+752～YK174+005，为短隧道。隧道洞室左线长168m，右线长253m，左线最大埋深44.2m，右线最大埋深60.5m。

隧道穿越区为构造隆升低山工程地质区，山脊与隧道近于直交，隧道进口地形较陡，仰坡坡角约为45°。隧址区处于第四系全新统坡残积（Qdl+el4）碎石土、中泥盆统泥质灰岩（D2），岩层产状进口段90°∠55°，出口段100°∠42°。进口段典型断面YK173+762断面工程地质横断面图如图1所示，此段围岩下伏强风化粉砂岩，节理发育，岩体破碎，呈松散结构，围岩稳定性极差，隧道开挖易产生坍塌，地下水类型为基岩裂隙水，富水性强。雨季施工地表水沿裂隙入渗在洞壁形成面状或线状水流。隧道衬砌按新奥法原理设计和施工，支护体系结构均为复合式衬砌，即以锚杆、喷射混凝土、钢拱架等为初期支护型式，二次衬砌采用钢筋混凝土。右洞左边界处于山谷一侧，覆盖层比较薄，处于偏压状态，隧道进洞口地形如图2所示。

2 计算模型的建立

由于隧道地形偏压严重，隧道埋深较浅，在X方向，模型的左边界取至自然山谷线，为自由边界；模型右边界取至5倍单洞开挖跨度，施加X方向水平约束。在Y方向，上边界取至实际埋深地面，为自由边界；底部取至据开挖洞底4倍隧洞开挖高度，施加Y方向位移约束。在Z方向从进洞洞口段向洞内选取40m长度，后边界面（Z=-40的平面）取Z方向位移约束；而对于前边界面（Z=0的平面），距洞底5m以下取Z方向位移约束。所取模型洞口埋深为2m，进洞40m处埋深为40m。模型见图3所示。

图1 YK 173+762断面剖面图Fig.1 section of YK 173+762

图2 隧道洞口段Fig.2 The portal of the tunnel

图3 模型网格图Fig.3 Mesh figure of the m ode

计算采用数值模拟软件FLAC3D，模型中二衬、岩体采用8节点三维实体等参单元模拟；初期支护采用壳单元模拟；计算模型中偏于最危险的情况考虑，忽略了锚杆的作用。隧道围岩和混凝土是弹塑性材料，屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则。初始荷载均为岩土体的自重荷载。模型所选材料参数见表1所示。

表1 物理力学参数Table 1 Physical-m echanical parameters

数值模拟将模型所选段按一次开挖贯通进行模拟，即开挖进尺为所选隧道长度40m。

平寨隧道开挖采用上下台阶开挖的方法，模拟整个施工开挖步骤分为5个步骤：第0步为围岩自重作用下的初始状态模拟；第 a步，开挖上台阶；第b步，支护上台阶；第c步，开挖下台阶；第 d步，支护下台阶；第e步，浇筑二次衬砌及仰拱。

3 数值模拟结果及分析

3.1 隧道开挖应力特征分析

通过每隔4m取垂直隧道轴线（Z）方向的横断面分析发现，在施工步骤相同的条件下，各横断面的应力分布位置基本一致，只是形状和大小略有差异，因此仅取距洞口20m的断面进行分析，列出能基本反应施工过程中应力变化和迁移情况的施工步云图。从图4～图7可见：

图4 第a步应力变化特征图Fig.4 Distribution of m axim al and m inim al p rincipal stress under the condition a.

图5 第c步应力变化特征图Fig.5 Distribution of maximal and minimal principal stress under the condition c.

图6 第e步应力变化特征图Fig.6 Distribution of maximal and minimal principal stress under the condition e.

图7 第 c、e步应力（剪应力 Sxy）变化特征图Fig.7 Distribution of shear stress under the condition c and e.

（1）随着各施工阶段分步开挖的进行，从主应力云图可以看出，在近山谷一侧拱脚附近有主应力集中，上台阶开挖后下台阶土体表层、下台阶开挖后拱底表层出现拉应力；拱顶及仰拱中部围岩主应力较其他部位明显减小，拱顶部分围岩应力σ3则出现拉应力，隧道拱脚处围岩主应力较其他部位明显偏大，拱脚形成较高应力承载区；从最小主应力云图来看，坡体内部形成一贯通的拉应力带，容易发展至滑移破坏。

（2）开挖下台阶后，隧道拱肩、拱脚脚趾部位剪应力集中较为显著，这一部位通常是洞身内壁中最容易发生变形和破坏的部位。

（3）二次衬砌及仰拱施作后，隧道洞室内圈应力分布较为均匀，主应力形成一个闭合圈，靠近闭合圈附近的围岩应力分布较均匀，洞身内壁拱脚脚趾部位剪应力集中得以显著改善。

3.2 洞口开挖过程中仰坡变形分析

仰坡主轴向平行于Z轴方向（隧道轴线方向），坡体前缘Z坐标值为0。竖向位移（Y方向位移）向上为正，向下为负。水平位移（Z方向位移）正直指向隧洞外，负值指向洞内。

模型中平行于隧道轴线方向截取3个仰坡纵向断面（左右侧距离隧道中心线心7m各一个，过隧道中心线位置一个），在断面与仰坡坡面的3条交线上选取若干监测点观察仰坡坡面竖向位移（Y方向位移）和水平位移（Z方向位移）；垂直于隧洞轴线方向截取2个仰坡横向断面（坡体前缘距洞口2m一个，坡体后缘距洞口37m一个），在断面与仰坡坡面的2条交线上选取若干监测点观察竖向位移（Y方向位移）和坡面横向水平位移（X方向位移）。断面选取如图8所示。

3.2.1 仰坡轴向位移分析

下面的位移消除了自重作用下的初始位移，为模拟实际开挖过程中的变形情况由图9～图11可以看出：

图8 监测点布置图Fig.8 Position of monitoring points

（1）近山谷一侧仰坡坡面竖向位移最大值在坡体后缘，最大值为1.56cm（向下），最大水平位移在坡坡体前缘，最大值为0.32cm；隧道洞顶上方仰坡坡面竖向位移最大值为2.49cm（向下），产生在坡体前缘，最大水平位移值为0.19cm，产生在坡体前缘；近山脊一侧竖向最大位移值为1.6cm（向下），产生在靠近坡体后缘，最大水平位移值为0.45cm，产生在坡体前缘。

（2）近山谷一侧与近山脊一侧仰坡的竖向位移值体现为坡体后缘大，前缘小，而洞顶仰坡坡面竖向位移值体现为坡体前缘大，后缘小；坡面Z方向水平位移值表现为坡体前缘大，且均为向洞心外方向，后缘变化小，有向洞内一侧移动的趋势。洞身附近仰坡前缘下沉较后缘严重，而隧洞两侧仰坡后缘产生下沉大，前缘向洞外挤出，在仰坡坡面后缘容易出现拉裂裂缝。

图9 隧道近山谷一侧（距隧道中心线7m）仰坡坡面轴向竖向位移、水平位移曲线图Fig.9 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis near mountain vale（7m from the tunnel center）

图10 隧道拱顶（过隧道中心线）仰坡坡面轴向竖向位移、水平位移曲线图Fig.10 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis on tunnel vault

图11 隧道近山脊一侧（距隧道中心线7m）仰坡坡面轴向竖向位移、水平位移曲线图Fig.11 Curves of vertical and horizontal displacement along main slope axis near mountain ridge（7m from the tunnel center）

3.2.2 仰坡坡面横向测点位移分析

图中竖向位移为Y方向位移，正值朝向上，负值朝向下；水平位移为X方向水平位移，正值朝向山脊侧，负值朝向山谷侧。洞心横坐标为0。由图12～图13可以看出：

图12 仰坡坡面下部竖向位移、水平位移曲线图Fig.12 Curves of vertical and horizontal displacement along transverse slope axis near the mountain bottom

图13 仰坡坡面上部竖向位移、水平位移曲线图Fig.13 Curves of vertical and horizontal displacement along transverse slope axis near the mountain top

（1）仰坡坡面竖向位移值洞身范围附近比较大，近山谷一侧为逐渐减小的趋势，山脊一侧离洞身范围越远，仰坡坡面竖向位移较小。

（2）仰坡横向水平位移值在洞身范围附近靠近山脊一侧为负值，靠近山谷一侧为正值。洞身两侧坡体向洞心挤压，洞身范围附近以上坡体在隧道开挖后沉降较大，可能出现塌落。

4 结论

（1）隧道洞口段开挖对仰坡影响表现为：仰坡后缘下沉，前缘向洞心外有移动趋势，洞口段洞身以上仰坡坡面发生竖向下沉，洞身两侧向洞内挤出，隧道开挖可能会引起隧道洞身附近岩体坍塌，所以工程中洞口垮塌事故屡见不鲜。

（2）明确了洞口段开挖过程中仰坡变形规律，在隧道开挖之前，先进行仰坡加固处理，同时在洞口段进洞开挖过程中，要及时关注仰坡的变形，结合现场监测数据从隧道开挖的控制对仰坡变形进行针对性的治理。例如隧道开挖过程中应严格控制爆破药量及进尺尺度，并及时进行有效的支护，防止洞顶岩体产生松弛破坏或冒顶而为上部岩体提供变形空间。

（3）对于浅埋隧道洞口围岩段，拱顶围岩自承能力往往较差，仅依靠初期支护达到隧道洞室围岩完全稳定是相当困难的。因此，即时施作二次衬砌及仰拱，尽快封闭成环对隧道围岩的稳定性是十分关键的。

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