陈平奥 李树林

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

隧道洞口地段的施工是隧道施工的一个难点，尤其是当洞口地段存在偏压现象时[1-4]。产生偏压的主要原因有地形原因和地质原因。地形原因是指洞顶覆盖较薄，地面横坡显倾斜，多见于洞口浅埋地段及傍山浅埋地段。地质上，若围岩为倾斜层状结构，层间黏结力差、伴随有害节理裂隙切割时，或洞身有倾角较陡的软弱结构面，围岩一部分较软、一部分较硬时，或存在软弱夹层裂带时易发生偏压。另外，施工期间因各种原因造成的一侧塌方，也易形成显著偏压。因此，对偏压隧道进洞施工技术开展研究，具有重要的现实意义[5]。

目前在洞口偏压地段，一般采用较长明洞，以大刷方、大开挖方式进洞，即大范围挖除偏压地段的岩土体，直至地形最低处高出隧道拱顶一定距离，即人为地尽量避免或减短偏压地段长度。最后再在洞门、明洞洞顶回填土石以稳定边仰坡。在这种施工过程中，大开挖方式进洞显然与环保理念相违背，且边仰坡刷坡过高会带来山体稳定性问题，实际施工中，这种施工方法导致不少隧道洞口施工现场出现了洞口山体垮塌等失稳现象[6]。

因此，实际施工中提倡零开挖进洞方法，即在覆盖层较薄(即为0～50 cm)的条件下，采用盖挖法，明洞暗做，提前进洞，最大限度缩小隧道洞口施工的破坏范围，达到保护隧道口森林植被的目的。

本文以贵州省盘兴高速公路大山隧道为工程背景，对具有浅埋破碎偏压特征的隧道进洞技术展开分析研究。

1 工程概况

大山隧道从斜坡下部穿越山体，进口位于大山镇司家寨村龙蟒滩坡下部，出口位于忠义乡毛草坪村田家冲左岸斜坡中下部，隧道穿越山体地属高原中山区。隧址区为构造剥蚀单面山地貌，北部为单面山呈东西走向，与地层走向基本一致；南部地形相对陡峻。设计桩号为左线起点Z5K35+970，左线终点桩号Z4K37+179，全长1 209 m；右线起点K35+967，右线终点桩号K37+170，全长1 203 m。隧道进口轴线方向182°，出口轴线方向184°。其洞口全貌图见图1。

图1 大山隧道出洞洞口全貌图

大山隧道为双线隧道，其右线出口段浅埋偏压情况较为突出。隧道出口位于斜坡中下部缓坡处，坡度在25°～35°之间，斜坡表层岩性主要为第四系残坡积堆积层，其厚度一般，厚度一般在1～4 m，岩性含角砾粉质黏土，棕黄、灰色，稍湿、可塑，含5%～15%的角砾，成分主要为砂岩，粒径一般在0.5～5 cm之间，呈棱角状。下伏基岩为二叠系下统龙潭组(P2l)，地层岩性为砂质泥岩、泥质砂岩，细粒结构、中-厚层状构造，节理裂隙发育。其右线出洞口纵断面见图2。

图2 大山隧道右线出洞口纵断面图

2 隧道进洞开挖及加固措施

大山隧道右线出口段边坡不仅具有浅埋破碎的工程地质特点，而且具有显著的偏压特征，这意味着具有偏压特征的浅埋破碎洞口段边坡更易产生地质病害，因此，在隧道进洞前应根据具体的隧道洞口段坡体的结构特点及岩体物理力学特性，选取适宜的进洞辅助工法和合理的开挖方法。

根据“零开挖”进洞技术原理，为确保隧道洞口段边坡的稳定和隧洞施工的安全，在前期勘察资料及地质调查分析的基础上，多次进行现场查勘，依据隧道洞口段坡体结构及辅助工法、开挖方法的特点，经多次优化后提出采用超前管棚注浆配合不等长套拱法支护进洞的辅助工法和三台阶预留核心土开挖方法，即先施打3 m长钢筋混凝土不对称套拱，施作C108 mm、长20 m的注浆管棚的预加固地层，然后采用预留核心土三台阶法进洞开挖。不等长套拱及管棚支护现场效果图见图3。

图3 现场不等长套拱+管棚支护效果图

3 施工监测与计算分析

3.1 拱顶沉降、周边收敛变化分析

分别对Z5K37+140断面、Z5K37+150断面、Z5K37+160断面及Z5K37+170断面拱顶下沉和周边收敛量监测结果进行分析，可以看出：

1) 出口段量测断面Z5K37+170在上台阶开挖后，拱顶沉降速率很大，拱顶沉降量达到20 mm，随着上台阶的开挖，沉降趋于收敛，占总沉降量的83%；随着下台阶开挖到量测断面，沉降量有小范围的增加，最后趋于收敛，总沉降量约24 mm。

2) 出口段量测断面Z5K37+140、Z5K37+150、Z5K37+160沉降变化趋势与量测断面Z5K37+170一致，3个断面最终沉降量分别为13，16，20 mm，这说明越靠近洞口，沉降量越大，洞口段应及时支护，加强监控量测。

3) 出口段量测断面Z5K37+140、Z5K37+150、Z5K37+160、Z5K37+170最终周边收敛值为16，16，13，16 mm。水平收敛基本上经历了“急剧变化→波动→基本稳定”的过程。水平收敛变形主要来自山体两侧，表明偏压隧道围岩水平挤压变形在开挖初期变化明显。分析收敛值跳动的原因可能是由于开挖后围岩内力重分布，洞口段岩体产状与隧道轴线存在一定的夹角及有裂隙存在，且在洞口受地形偏压作用，在围岩内力释放时各种原因相互作用导致。

3.2 模型建立

以大山隧道右洞出口为例，通过FLAC3D建立三维仿真地质模型，利用数值计算对其洞口段的失稳机制进行分析和研究，并依据研究结论提出了相应的处置技术。

根据大山隧道实际的地质条件和施工条件建立数值模型，现场为双洞开挖，但据实测资料，双洞之间施工相互影响较小，为简化计算，只计算右洞出口段单洞施工。为消除边界效应的影响，模型的横向宽度取为90 m(约8D)；沿线路纵向模拟的里程桩号为K37+163-K37+103，长度为60 m，；距隧底仰拱往下取40 m，，隧道向上取至地表。计算坐标系X为横向，Y为纵向，Z为竖向， 模型单元总数130 806，节点89 829。对隧道附近进行网格加密处理。建立三维计算模型，见图4、图5。

图4 模型网格图

3.3 计算参数选取

采用FLAC3D进行计算，围岩采用三维实体单元，初支采用壳单元模拟，套拱采用实体单元模拟。通过提高锚杆加固范围的围岩相关力学参数来更好地反映现场情况。管棚的作用可采用等效方法予以考虑，即将管棚的弹性模量折算给地层，隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑，选用摩尔-库仑弹塑性材料模型。

钢拱架的模拟按抗弯刚度等价原则，将其弹性模量折算到喷射混凝土中，作为一个等效初支共同体考虑，纵向长度取1 m进行计算，钢拱架的弹性模量按下式折算到喷射混凝土中。

式中：E为折算后的混凝土弹性模量；E0为原混凝土弹性模量，C25喷射混凝土弹性模量为23 GPa；Eg为钢拱架弹性模量，120a工字钢弹性模量为210 GPa；Sg为钢拱架截面面积，48.28 cm2；Sc为喷射混凝土截面积，3 000 cm2。

其他参数根据地勘资料及JTG 3370.1-2018 《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》确定。最终参数选取结果见表1。

表1 计算参数

3.4 计算工况

隧道按照预留核心土三台阶法开挖，上、中、下三台阶简化进尺均为1 m，核心土长度维持在3 m，中台滞后掌子面6 m，下台阶滞后中台阶9 m，仰拱滞后掌子面12 m。每步开挖后计算平衡，开挖下一步前施做支护。每步开挖面积及顺序按照实际施工模拟。

3.5 计算结果与分析

取滑坡体最大位移和洞口断面拱顶下沉值分别作为滑坡治理和浅埋治理指标进行分析。

3.5.1洞口段坡体应力分布特征

通过每隔2 m取垂直隧道轴线方向的横断面分析发现，在施工步骤相同的条件下，各横断面的应力集中区的分布位置基本一致，只是形状、大小略有差异，因此，由进洞口20 m处的代表性断面能推得应力集中区立体的基本分布轮廓，能基本反映施工过程中应力集中区和塑性区变化和迁移情况的部分施工步骤云图见图6、图7。

图6 开挖并支护后剪应力集中云图(进洞20 m)(单位：Pa)

图7 开挖并支护后主应力集中云图(进洞20 m)(单位：Pa)

1) 剪应力。由图6可见，整个施工过程中，最大剪应力在上台阶和中台阶开挖过程中增长较快，由0.45 MPa增长到0.79 MPa；下台阶和仰拱开挖时，最大剪应力增长较慢，最大值为0.81 MPa。

最大剪应力位置主要集中在隧道左侧拱肩和右侧拱脚处；显然，失稳并不是从边坡而是从洞周开始。因此，采取合理的控制措施，保证施工期隧道洞周的稳定，是保证进洞安全的根本措施。

2) 主应力。由图7可见，典型断面最大主应力呈现一定的偏压性，且最大值在右拱腰位置。

3.5.2洞口仰坡位移分析

隧道洞口仰坡位移图见图8～10。仰坡主轴向均平行于隧道轴线方向，水平坐标0处为坡体前缘。竖向位移朝上为正，朝下为负；水平位移朝向山脊侧为正，朝向山谷侧为负。

图8 隧道山谷侧(距隧道轴线18 m)仰坡坡面轴向位移图

图9 隧道轴线正上方仰坡坡面轴向位移图

图10 隧道山脊侧(距轴线18 m)仰坡坡面轴向位移图

由图8～10可见，山谷侧仰坡坡面的垂直位移在洞口坡脚段表现为向上隆起，最大隆起位移为4.5 mm，而随着轴向距离增加由向上隆起逐渐转变为竖向下沉，在距洞口45 m处，竖向下沉值为2 mm；而最大水平位移为5.6 mm，方向指向山谷侧，发生在距洞口5～15 m处，而随着轴向距离的增加，水平位移减少。

3个仰坡轴向的竖直位移和水平位移均表现为在坡体前缘大、后缘小，即距洞口5～15 m处竖向位移和水平位移最大。在隧道山脊侧仰坡位移明显大于隧道轴线处和山谷侧，最大竖向位移为16.4 mm，方向向下，最大水平位移为6.8 mm，方向向山谷侧。

3.5.3围岩位移分布特征

隧道上台阶进洞开挖45 m后，距洞口10，20，30 m处剖面的竖直位移和水平位移分布特征见图11。

图11 典型剖面位移分布特征图(单位：m)

由图11可见，由于大山隧道围岩软弱松散，隧道靠近山体内侧的拱顶竖直位移较大，随着埋深增加，竖向位移也增加，最大值为30.6 mm；在靠近山体外侧边墙水平位移较大，随着埋深的增加，隧道上部偏压程度降低，水平位移逐渐减小至稳定。

上台阶开挖40 m后不对称套拱竖直位移和水平位移分布特征见图12。

图12 套拱竖直位移云图和水平位移云图(单位：m)

由图12可见 ，套拱的竖直位移主要集中在隧道右拱肩处(深埋侧)，最大竖直位移为17.1 mm，方向竖直向下；最大水平位移主要集中在隧道左拱肩处(浅埋侧)，最大水平位移为16.2 mm，方向向左。

4 结论

1) 仰坡竖直位移和水平位移均表现为在坡体前缘大、后缘小，即距洞口5～15 m处竖向位移和水平位移最大。在隧道山脊侧仰坡位移明显大于隧道轴线处和山谷侧，最大竖向位移为16.4 mm、方向向下、最大水平位移为-6.8 mm、方向向山谷侧。

2) 对于偏压型隧道，同一个断面上拱顶竖直位移较大处集中靠近山体内侧，边墙水平位移较大主要在靠近山体外侧；随着洞身开挖，竖向位移随着埋深的增加而增加，隧道上部偏压程度降低，水平位移逐渐减小至稳定。

3) 采用承载能力高、稳定性和整体性好于围岩体的不等长套拱，提前进洞，最大程度地缩小隧道洞口纵向施工的破坏范围。且在超前管棚作用配合下，能够最大程度地保证隧道在暗挖过程中不出现拱顶塌方。

4) 大山隧道出口不对称套拱形式的施工技术方案，减少了因开挖大量边仰坡石方的工程量及施工时间，节约了工程造价，缩短了工期。通过监控量测表明，套拱发挥作用，确保了施工安全，通道外观亦达到了和谐统一。