白伟　姚红志　胡晓勇

摘要：针对地形偏压隧道设计、施工中的技术难题，明确偏压程度的影响因素和变化关系，采用解析方法及数值模拟计算等手段展开研究。分析得出了埋深、地面坡度、开挖跨度等因素对偏压作用的影响规律，通过埋深和地面坡度可定性判定隧道偏压程度，初步给出了偏压地层加固的原则和方法，建议偏压隧道施工方法以CD法为主，双侧壁法为补充。

关键词：公路隧道；地形偏压；埋深；偏压角度

中图分类号：U452.2文献标志码：B

Abstract： Aimed at the technical challenges posed by the design and construction of terrain biased tunnel， the study was carried out by means of analytical methods and numerical simulation to clarify the impact factors of bias degree and their relationships. Depth， ground slope， excavation span and other factors on the role of bias effect were analyzed. The bias degree of tunnel could be qualitatively determined by the depth and slope of the ground， and the principle and measures for biased strata reinforcement were given. CD method was proposed for biased tunnel construction， with doublewall method as a supplement.

Key words： highway tunnel； terrain bias； depth； bias angle

0引言

在隧道进出口段，由于线形指标及地形条件的制约，支护结构通常会受到不对称荷载作用，即地形偏压。目前，国内外对软弱围岩偏压隧道都进行了一定程度的研究，所采用的研究方法主要包括现场监测、数值计算和模型试验等[12]。但是中国的偏压隧道设计与施工理论尚落后于施工实践，特别是对多种偏压影响因素的关系和规律、偏压地层加固方式、偏压隧道结构加强方式等关键问题尚未形成统一认识，偏压隧道变形控制技术比较孤立，不具备体系性。本文深入探索地形偏压隧道施工过程围岩压力的变化特征，对比分析偏压角度对常见的Ⅳ级和Ⅴ级围岩隧道结构的影响程度；根据埋深、地面坡角和围岩级别定性判定偏压影响程度，并进一步就不同程度的偏压作用给出相应的地层加固和结构加强措施。

1偏压作用影响因素及程度判定

本文从深、浅两侧荷载不对称的程度出发分析偏压程度的主要影响因素[36]。

根据《公路隧道设计规范》（JTJ D70—2004）的有关规定，偏压隧道拱顶中心处垂直压力为

式中：h、h′分别为内、外侧由拱顶水平至地面的高度（m）；h′=h-Bftan α；Bf为开挖跨度（m）；γ为围岩重度（kN·m-3）；θ为顶板土柱两侧摩擦角（°）；λ、λ′分别为内、外侧的侧压力系数。

假定偏压分布图形与地面坡一致，则埋侧深偏压qS与浅埋侧偏压qQ之差Δq=qS-qQ=Bftan αγ，α为地面坡坡角。借鉴工程行业对于不均匀程度通常的描述习惯，定义深、浅埋两侧荷载不对称系数

Cun的范围为0～2，取值越大偏压情况越严重。当该值为0时，表示深浅埋两侧荷载相等，不存在偏压情况；当Cun<0.2时，可忽略偏压；当0.2≤Cun<0.5时，轻微偏压；当0.5≤ Cun<1时，较严重偏压；当1≤ Cun<2时，严重偏压；当值为2时，表示偏压的极限状态，此时浅埋侧荷载为0，荷载图形为三角形。

由相关算式代入可得

由上可知，荷载不对称系数与开挖跨度、埋深、地面坡角、围岩级别有关。因为隧道偏压通常出现在洞口V级围岩段落，故以V级围岩为典型代表，分别取单洞两车道、三车道隧道开挖跨度，分析埋深、地面坡角变化时荷载不对称程度的变化情况。

当开挖跨度、埋深、围岩级别不变时，荷载不对称系数随地面坡角的增大而增大，如图2所示。

当开挖跨度、地面坡度、围岩级别不变时，荷载不对称系数随埋深的增大而减小，并当埋深大于30 m时，基本趋于稳定，如图3所示。

分别取不同的埋深、地面坡度给合计算荷载不对称系数，得出包络曲线，如图4、5所示。

三车道隧道与两车道隧道相比，偏压程度为严重的区域明显扩大，可忽略的区域缩小。根据上面得出的埋深及地面坡度对荷载不对称程度的影响关系，并结合已往的工程经验适当修正后，可以得到隧道偏压程度的分级判定结果（图6、7）。

隧道偏压程度的判断应结合隧道埋深及地面坡度参照判定表确定，主要以洞口段V级围岩条件为前提，围岩条件较好时，可适当降低偏压程度级别参照本表评估。

2偏压隧道设计及施工措施

2.1偏压隧道施工方法

偏压隧道常用的施工方法包括双侧壁导坑法、CD法及环形开挖留核心土法。本文从偏压荷载不均匀程度、结构受力及施工效率3方面对3种施工方案进行综合对比分析。

图8荷载不对称系数与单次开挖跨度的关系

以Ⅴ级围岩，地表坡度为30°，深埋侧埋深为20 m为例。当埋深和地面坡角不变时，荷载不对称系数与单次开挖跨度的关系如图8、9所示。图中可以看出，开挖跨度由3 m变为5 m，荷载不对称系数随之减小；在开挖跨度由5 m变为13 m的过程中，荷载不对称系数随之增大，总体呈双曲线关系。开挖跨度为5 m时，荷载不对称情况最缓和，减小开挖跨度可以有效减小荷载不均匀程度，减缓偏压作用。从开挖方法考虑，采用分步分块开挖导坑法施工是有利于结构安全的。

在常用的3种开挖方式中，双侧壁导坑法单次开挖跨度约为隧道整体跨度的1/3，CD法约为1/2，环形导坑法则等于整体跨度。其中双侧壁法对缓解偏压的效果最好，CD法次之，但差距不明显，而环形导坑法则基本无缓解作用。考虑实际施工条件，双侧壁导坑法速度最慢，占用资源最多，成本也最高；CD法在施工速率、成本控制方面明显优于双侧壁法，并且可以将荷载不均匀情况控制在较为理想的状态。综合这些因素，对于地形偏压隧道优先推荐采用CD法施工，当地质条件较差或对沉降有特殊要求时可采用双侧壁导坑法，一般不建议采用环形导坑法。

2.2偏压地层加固方式

根据弹塑性理论，如果隧道开挖后围岩应力小于围岩的强度，围岩将仍处于弹性状态，形成弹性区；反之，当围岩局部区域的应力超过围岩的强度，围岩则进入塑性状态，形成塑性区。处于塑性区域的围岩是施工中掉块、塌方等不稳定因素的主要根源，因此，偏压隧道地层的加固处理要重点对塑性区进行加固改良，使其具备一定的稳定性而不至于滑塌破坏。

本节以数值模拟为主要研究手段，以洞口段浅埋偏压常见的V级围岩为典型代表，建立平面弹塑性分析模型（图10）及计算参数表（表1）。对不同的埋深（5、10、20、30、40、50 m）和不同地面坡角（0°、5°、10°、15°、20°、25°）组合工况下的施工过程围岩塑性区进行分析。

分析结果显示，地层的塑性破坏类型大致可分为3类：深、浅埋两侧塑性区均贯通至地表；浅埋侧塑性区贯通至地表；深、浅埋两侧塑性区均未发生贯通情况。如图11～13所示。

通过对不同埋深和地面坡度组合下的地层塑性区进行分析，得出地层加固的主要原则和方法。

（1） 偏压程度为“可忽略”时，可按常规方法设计、施工。

（2） 偏压程度为“轻微”时，隧道按常规方法实施，但宜结合实际情况，局部采取加固或加强措施，可应用注浆加固、局部锚杆等。

（3） 偏压程度为“较严重”时，建议对偏压地层进行加固，以径向系统锚杆为主，锚杆长度不应小于4 m，以保证锚杆穿越塑性区锚固至弹性区。

（4） 偏压程度为“严重”时，应进行偏压设计，地层加固以纵向超前支护体系为主，加固范围在拱部以上180° 内，围岩特别破碎时应辅助进行洞内注浆和地表注浆，注浆范围应沿隧道起拱线向上（45°+φ/2）范围内。明洞设计偏压式结构，在浅埋侧设置小挡墙稳定地表塑性破坏区域。

3结语

（1） 通过定义偏压荷载不对称系数，分析埋深及地面坡度的影响关系，最终得出偏压程度分级判定表。

（2） 从偏压荷载不均匀程度、结构受力及施工效率3方面对偏压隧道常用的双侧壁导坑法、CD法、环形导坑留核心土法进行了对比分析。提出偏压隧道施工方案宜CD法为主，双侧壁法为补充。

（3） 从围岩塑性范围和贯通情况以及结构受力特征分析，对偏压隧道地层加固方式进行了对比研究。偏压程度为“严重”时，地层加固以纵向超前支护体系为主；偏压程度为“较严重”时，以径向系统锚杆为主；其余情况可按常规方法实施，局部采用注浆或锚杆加固。

参考文献：

[1]万明福.超大跨公路隧道开挖力学行为研究[D].沈阳：东北大学，2009.

[2]姜勇，朱合华.岩石偏压隧道动态分析及相关研究[J].地下空间，2004，24（3）：312315.

[3]TB 1003—2005，铁路隧道设计规范[S].

[4]JTG D70—2004，公路隧道设计规范[S].

[5]黄强，董迎娜，陈伦，等.浅埋偏压隧道开挖方案的分析研究[J].洛阳理工学院学报：自然科学版，2009，19（4）：2326.

[6]于跃勋.地质顺层偏压隧道施工力学研究[D].成都：西南交通大学，2004.

[责任编辑：杜卫华]