四车道隧道施工对洞顶和侧向路堑边坡围岩稳定性的影响

秦廷玺; 孙鹤明; 武建林; 黄伟真; 李建; 徐国元

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504343

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (14) :6155-6164 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504343

交通运输

四车道隧道施工对洞顶和侧向路堑边坡围岩稳定性的影响

秦廷玺 ¹ ,
孙鹤明 ² ,
武建林 ² ,
黄伟真 ¹ ,
李建 ² ,
徐国元 ¹^,^*

作者信息 +

Impact of Four-lane Tunnel Construction on Stability of Surrounding Rock at Tunnel Crown and Lateral Road-cut Slopes

Author information +

文章历史 +

摘要

现有工程实践表明,四车道隧道因断面开挖宽度大、围岩荷载分布不均,施工期间易出现拱顶沉降超标、边帮位移失控等问题,而若隧道侧向存在先行开挖的路堑边坡,边坡卸荷效应与隧道开挖扰动的叠加,会进一步加剧围岩应力重分布,增加失稳风险,亟须针对性的理论分析与技术支撑。以珠海某分离式公路隧道工程为背景,通过FLAC3D数值模拟并结合现场监测数据,研究了四车道隧道施工对洞顶及侧向临近路线路堑边坡围岩稳定性的影响。结果表明,侧向路堑边坡设置挡土墙和加固锚杆格梁,有效约束了边坡的横向位移,对后续进行施工的左线隧道的围岩起到了一定保护作用。随后,进行左线隧道断面开挖和初期支护施工,引起围岩应力重新分布,产生以隧道拱顶围岩与仰拱下方围岩朝向隧道收敛为主的变形特征。初期支护成环后,隧道断面的拱顶沉降变形值最大、仰拱隆起变形值次之;右帮围岩横向位移最大值大于左帮围岩,但两者横向位移的最大值,均明显小于沉降和隆起变形的最大值;隧道断面围岩这4个变形的最大值,均小于规范限值,因而,隧道围岩处于稳定状态。二衬施作后,在拱顶较大范围围岩中仍然存在拉应力连续分布,其中路堑边坡一侧倾斜向上的拉应力发育区域可能直通地表;但是,与初期支护成环后情形相比,二次衬砌进一步优化了围岩应力分布,剪应力和最大主应力的最大值分别降低9.1%和1.6%,围岩应力值小于强度指标,隧道稳定性良好。此外,拱顶围岩拉应力区直通地表可能成为雨水入渗通道,侧向边坡隧道围岩存在向外横向位移趋势,应予以关注。

Abstract

It has been shown in existing engineering practices that for four-lane tunnels, due to the large excavation width of the cross-section and uneven distribution of surrounding rock loads, problems such as excessive vault settlement and uncontrolled sidewall displacement are prone to occur during construction. If there is a pre-excavated cutting slope on the lateral side of the tunnel, the superposition of the slope unloading effect and tunnel excavation disturbance will further intensify the redistribution of surrounding rock stress and increase the risk of instability, which urgently requires targeted theoretical analysis and technical support.Taking a separated highway tunnel project in Zhuhai as the background, the impact of the construction of a four-lane tunnel on the stability of the surrounding rock of the cutting slope at the tunnel top and adjacent lateral road sections was studied through FLAC3D numerical simulation combined with on-site monitoring data. The results show that the installation of retaining walls and reinforced anchor lattice beams on the lateral cutting slope effectively restrains the lateral displacement of the slope, and a certain protective effect is exerted on the surrounding rock of the left tunnel to be constructed subsequently. Subsequently, the excavation of the left tunnel section and the construction of the initial support cause the redistribution of surrounding rock stress, resulting in deformation characteristics dominated by the convergence of the surrounding rock at the tunnel vault and under the inverted arch toward the tunnel. After the initial support forms a closed loop, the vault settlement deformation of the tunnel section is the largest, followed by the inverted arch heave deformation. The maximum lateral displacement of the surrounding rock on the right side is greater than that on the left side, but the maximum lateral displacements of both sides are significantly smaller than the maximum values of settlement and heave deformations. Since the maximum values of these four deformations of the surrounding rock in the tunnel section are all less than the specification limits, the tunnel surrounding rock is in a stable state. After the secondary lining is constructed, continuous distribution of tensile stress still exists in the surrounding rock over a large area of the vault, among which the tensile stress development area inclined upward on the side of the cutting slope may directly reach the ground surface; however, compared with the situation after the initial support forms a closed loop, the secondary lining further optimizes the stress distribution of the surrounding rock, with the maximum values of shear stress and maximum principal stress reduced by 9.1% and 1.6% respectively, and the surrounding rock stress values are less than the strength index, indicating good tunnel stability. In addition, attention should be paid to the fact that the tensile stress area of the vault surrounding rock directly reaching the ground surface may become a channel for rainwater infiltration, and the surrounding rock of the tunnel on the lateral slope has a tendency of outward lateral displacement.

Graphical abstract

关键词

隧道施工 / 四车道 / 围岩稳定 / 应力与变形 / 数值模拟

Key words

tunnel construction / four-lane tunnel / surrounding rock stability / stress and deformation / numerical simulation

引用本文

引用格式 ▾

秦廷玺, 孙鹤明, 武建林, 黄伟真, 李建, 徐国元. 四车道隧道施工对洞顶和侧向路堑边坡围岩稳定性的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(14): 6155-6164 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504343

QIN Ting-xi, SUN He-ming, WU Jian-lin, HUANG Wei-zhen, LI Jian, XU Guo-yuan. Impact of Four-lane Tunnel Construction on Stability of Surrounding Rock at Tunnel Crown and Lateral Road-cut Slopes[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(14): 6155-6164 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504343

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

目前中国隧道工程的选址原则正逐步由地质选址向规划选址转变。受交通走廊资源以及城市路线规划与城市功能逐步完善等主客观因素的影响,城市山岭公路隧道建设,通常在浅埋偏压不利场地条件下,面临如何合理克服(超)大跨度隧道施工与邻近结构物相互影响,防止由此引发的围岩失稳甚至垮塌事故,已成为亟待解决的关键技术难题。

在隧道与边坡工程领域,边坡开挖引起的应力重分布效应可能显著影响临近隧道围岩的稳定性,而隧道施工诱发的围岩扰动同样会威胁相邻边坡的稳定性。这种复杂的岩土体相互作用机制,构成了工程中极具挑战性的复杂技术难题。近年来,众学者通过现场试验、数值模拟和力学理论分析等手段,对该相互作用机理开展了系统性研究,取得了显著成果。赵东平等^[1]基于现场试验,采用静动力耦合分析方法,系统研究了路堑边坡可开挖的最大范围以及爆破振动对隧道的影响。孙军良^[2]采用数值模拟研究了高陡边坡开挖对邻近隧道的影响。研究表明:边坡开挖导致邻近隧道呈现显著的空间差异变形特征,近边坡衬砌以隆起变形为主,远边坡侧以沉降变形为主。田延哲^[3]采用通用离散单元法程序(universal distinct element code,UDEC)离散元数值模拟研究了西南矿区多煤层重复开采对高陡边坡稳定性的影响。研究表明,重复采动会显著改变边坡塑性区分布特征,诱发附加水平位移与变形,从而加剧山体失稳风险。康海波等^[4]通过数值模拟和现场监测数据分析相结合的方法,研究了隧道穿越煤层时的围岩变形特征。结果表明,断层及煤层区域会导致拱顶、拱腰和仰拱位移显著增大,其最终变形量远超完整围岩区段。王伟杨^[5]基于FLAC3D数值模拟,系统地研究了边坡开挖对下穿隧道结构力学响应的影响。研究表明,边坡开挖会显著改变拱顶、拱腰、边墙及底板等关键部位的位移场和应力场分布,并导致安全系数降低。

另一方面,针对隧道开挖施工对邻近边坡稳定性的影响及危害防控问题,王晨韬等^[6]基于MIDAS GTSNX有限元分析,探究了侧方隧道中隔壁法(center diaphragm method,CD)开挖对路堑高边坡稳定性的影响机理。研究表明,隧道开挖会显著增大边坡的塑性应变和位移变形,导致安全系数降低。丁鑫品等^[7]采用物理模拟与数值分析相结合的方法,分析了采动边坡的变形破坏特征与应力分布规律,揭示了关键硬岩层与关键弱层耦合作用下采动边坡的变形破坏模式与失稳机理。陈思阳等^[8]选用改进的强度折减法并考虑抗拉强度指标,模拟分析不同开挖工法对边坡稳定性的影响。谢荣辉^[9]基于FLAC3D数值模拟,系统研究了浅埋偏压隧道开挖对侧向边坡稳定性的影响。研究发现:相比于三台阶法和CD法,半CD法在控制围岩变形、保持边坡稳定性,以及施工成本控制等方面均表现出显著优势。张高良等^[10]基于跃进3号隧道工程案例,系统研究了预应力锚索对岩质边坡稳定性的加固效应。研究表明:锚索垂直间距、水平倾角及锚固段长度等参数均显著影响边坡安全系数,合理优化这些参数可有效提升支护效果。孙天祎^[11]通过使用FLAC3D对具体边坡及支护措施进行建模及分析,经过对比分析发现坡脚处施加重力式挡土墙以及上覆土施加三维网植草可以有效的提高边坡整体安全系数。宋修广等^[12]基于FLAC3D数值模拟分析,对高边坡的分布开挖及锚固效应进行研究,结果显示边坡开挖导致坡体中出现显著水平位移,而预应力锚杆可有效改善应力场分布,使边坡整体稳定性提高。李世文^[13]基于ABAQUS有限元分析,研究了高路堑边坡在不同水文条件下的稳定性特征。研究表明:天然工况下边坡稳定性良好,暴雨工况下稳定性显著降低;据此提出了优化支护方案。张巧明等^[14]基于长沙市某隧道工程,开展了多工况隧道开挖数值模拟研究。结果表明:不同开挖工况下围岩应力分布特征差异显著;抗滑桩参数优化可以提高边坡安全系数,其中桩间距影响最为显著。罗驰恒等^[15]针对惠盐高速盾构下穿既有隧道的工程难题,提出门架桩加固方案。工程实践表明,该方案可有效控制新建隧道施工引起的既有结构沉降。

针对相邻隧道与边坡因施工引起的相互影响问题研究已有一定成果,但是,在新修路堑边坡侧向,随后进行临近路线浅埋偏压四车道隧道开挖施工,由此而引起的洞顶和侧向路线路堑边坡围岩稳定性问题,尚待深入研究。为此,现通过分析隧道施工过程中围岩应力分布与变形特征的变化,研究浅埋偏压大跨度隧道施工对洞顶和侧向路堑边坡围岩稳定性影响;为路堑边坡先行施工后,侧向浅埋偏压大跨度四车道隧道开挖引发的洞顶及侧向边坡围岩稳定性问题,提供针对性防控方案。

1 工程概况

珠海某双向分离式城市公路隧道,北起珠海大道,南至南琴路,线路全长约3.86 km;隧道横断面设计以单向三车道为主;在左线隧道南端洞口ZK4+785-ZK4+915暗洞段,线路长度130 m的隧道横断面设计为四车道。在该分离式公路隧道南端,左线洞口段四车道隧道,以及右线隧道洞口及其洞外路堑路基的场地条件,如图1所示。

左线洞口段四车道隧道建设面临严峻的工程建设条件如下。

(1) 明显不利的浅埋偏压地形条件。隧道洞顶至地表的覆盖层厚度一般为8~10 m,最小厚度为6 m,如图1和图2所示。

(2) 隧道围岩以Ⅴ级为主,主要由强-中风化石英闪长岩组成,拱顶及靠近侧向路堑边坡的围岩自稳性较差。

(3) 隧道断面跨度大,扁平率较低。四车道隧道断面最大开挖宽度为23.44 m,开挖高度为14.06 m。因扁平率较低,隧道拱顶荷载集中,拱顶围岩易出现拉应力区;边帮围岩侧压力增大,隧道水平收敛变形控制难度相比较大。

(4) 在右线隧道洞外段,路线开挖山体形成路堑边坡,明显减少了洞口段左线隧道靠近路堑侧的边帮围岩厚度,致使该边帮最小围岩厚度降低至13.4 m,如图1和图2所示。显然,因右线路堑边帮开挖,致使左线洞口段四车道隧道靠近路堑侧的边帮围岩厚度大幅度减小,必然导致浅埋偏压不利影响下洞口段左线隧道围岩结构受力条件的进一步恶化,值得予以关注。另一方面,四车道隧道临近右线路堑边坡的坡面,隧道施工可能对边坡稳定性产生不利影响,应给予关注。

在浅埋偏压不利场地条件下,右线路堑开挖导致左线隧道靠近路堑边坡侧的围岩厚度仅剩13.4 m,显著削弱了隧道围岩承载能力。这不仅增加了四车道大断面隧道的施工难度,还可能影响右线边坡及左线隧道的长期稳定性。针对这些工程风险,施工图进行了以下设计。

(1) 首先,在南端右线隧道洞口外进行右线路堑施工,通过挖方形成右线的路堑边坡与路基。第一级边坡的坡率1∶0.25,采用重力式挡墙收坡处理,增强路堑边坡的稳定性;中间级边坡的坡率1∶0.75~1,采用锚杆格梁加固处理,锚杆格梁内采用TBS植被护坡;上部边坡采用1∶1.25坡率,辅之以TBS植被护坡进行防护。

(2) 右线洞外段路堑施工结束后,在YK4+835进洞,由南向北进行右线隧道掘进施工;当右线隧道掘进至距离洞口不小于120 m,并且现场施工条件能满足南端左线隧道与右线隧道同时进行施工的作业安全要求前提下,左线四车道在ZK4+915开始进洞,由南向北进行左线隧道掘进施工。

(3) 左线四车道隧道采用围岩超前支护+双侧壁导坑法进行掘进施工。由南向北,在ZK4+915~ZK4+875暗洞段,隧道拱顶120°范围采用φ108注浆管棚+φ42小导管超前支护加固围岩;在ZK4+875~ZK4+785暗洞段,隧道拱顶120°范围采用φ89注浆管棚+φ42小导管超前支护加固围岩。

针对左线洞口段浅埋四车道隧道面临浅埋偏压、围岩厚度不足及断面扁平率偏低等技术难题,依托ZK4+800~ZK4+880段隧道工程,建立仿真分析模型,并结合现场监测数据,着重研究隧道横断面开挖、初期支护和二次衬砌等主要施工过程,对隧道围岩的变形与应力状态特征产生影响趋势,分析隧道施工对洞顶和侧向路堑边坡围岩稳定性产生影响的机制。

2 有限元模型的建立

2.1 模型概况

依据施工图设计和数字地形图,采用有限差分软件FLAC3D 建立南端洞口段左线浅埋偏压暗挖四车道隧道数值计算模型,如图3所示。

模型空间范围及边界约束情况为:①建模横向(X)范围取200 m,以确保隧道两帮开挖界限至模型左右边界的横向距离不小于4倍洞径;②纵向(Y)范围取80m,也就是隧道沿桩号ZK4+880~ZK4+800实体工程范围;③竖向(Z)范围顶部取自然地表,下部取高程-100 m;④模型中的边坡和地表为自由面,其他边界为法向位移约束边界;⑤锚杆在ZK4+840~ZK4+880范围内按设计要求布置。

模型在计算初始地应力场时,只考虑自重应力,不考虑构造应力的影响。

此外,在ZK4+864处布置监测断面,用于监测施工过程中隧道围岩的变形、应力,以及路堑边坡加固锚杆受力情况。

2.2 模型参数

岩土介质采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)本构关系;系统锚杆与边坡加固的锚杆混凝土格梁、临时支护、初期支护与二衬,以及加固路堑边坡的混凝土挡土墙,都采用弹性本构关系。围岩、初期支护、二衬、挡土墙,以及隧道拱顶管棚注浆加固区,均采用三维实体单元

模拟;系统锚杆采用cable单元模拟,临时支护采用shell单元模拟。

如前所述,右线四车道隧道拱顶120°范围采用了基于φ108 mm和φ89 mm两种管棚注浆超前支护加固围岩方式。根据仿真分析结果用于工程决策参考宜偏于工程安全的基本原则,建模对于隧道拱顶120°范围的围岩管棚注浆超前支护加固,统一按照施工图设计确定的φ89 mm管棚+φ42 mm小导管注浆的方式进行。管棚的模量按照式(1)计算,注浆小导管以等效原则等效围岩参数近似模拟。

(1)

$E=\frac{{E}_{1}{I}_{1}+{E}_{2}{I}_{2}}{{I}_{1}+{I}_{2}}$

式(1)中:E、E₁、E₂分别为管棚等效模量、钢管弹性模量、管内充填砂浆弹性模量;I₁、I₂为钢管和充填砂浆的惯性矩。

对于初期支护和临时支护中的钢拱架、钢筋网的各物理参数,采用式(2)折算到喷射混凝土中。

(2)

$E={E}_{0}+\frac{{E}_{1}{A}_{1}}{{A}_{0}}$

式(2)中:E为支护等效模量;E₀为喷射混凝土弹性模量;E₁为钢材弹性模量;A₀为喷射混凝土截面面积;A₁为钢材截面面积。

围岩与支护的具体参数,分别如表1和表2所示。

2.3 隧道施工工况与路堑边坡锚杆格梁加固

隧道施工采用双侧壁导坑法(图4),开挖进尺为2 m,施工步距为5 m,施工过程严格按照分步开挖与支护的原则进行,通过有效控制隧道围岩变形,确保围岩稳定性和施工安全性。

左线四车道隧道施工过程建模仿真分析的施工工况实施过程,如图4所示,施工顺序如下。

(1) 在开挖前实施管棚超前支护,以增强围岩的自稳能力,防止开挖过程中发生坍塌。

(2) 按顺序依次进行左上导洞①、左下导洞②、右上导洞③、右下导洞④的开挖施工,并在每步开挖后及时施作临时支撑和初期支护,以控制围岩变形并维持导洞的稳定性。

(3) 进行中上导洞的开挖与初期支护;再进行中部核心土的开挖并设置临时支撑;最后,完成中下导坑的开挖与初期支护。

(4) 初期支护成环后,系统性地按顺序拆除临时支撑,完成隧道横断面结构受力体系的转换;最后,施作二次衬砌,形成隧道的永久支护结构,保障隧道的长期稳定性和安全性。

双侧壁导坑法通过隧道断面的分区开挖、及时支护和有序拆除临时支撑,控制了围岩变形,为防范施工诱发围岩失稳风险奠定了基础。

模型中路堑的第二级和第三级边坡,均采用锚杆格梁(3 m×3 m)加固设计。总体上,这两级边坡的高度均为8 m;在边坡坡面上,均设置由间距为3 m的3排横梁与间距为3 m的通长纵梁构成现浇C25格梁,设置在格梁节点的加固锚杆,由φ32钢筋制作而成,与水平面夹角15°20',边坡加固锚杆的参数如表3所示。

3 数值模拟结果分析

3.1 路堑边坡施工对围岩变形特征的影响

在左线四车道隧道进行施工之前,右线的路堑边坡已经形成。因而,边坡开挖扰动对侧向待建的左线隧道围岩产生了不利影响,相比而言,对隧道拱顶和靠近边坡一侧的围岩稳定性影响更明显一些。

右线路堑边坡施工结束后,因路堑施工致使左线待建隧道围岩产生变形情况,如图5所示。图5中箭头的方向,指向位移趋势的方向,箭头的长短表示位移量的大小。

由图5可知:右线路堑边坡施工引起围岩最大隆起变形,出现在路堑挖方路基的表面,向上隆起变形的最大值约为3.00 mm;挖方产生的卸荷效应,是围岩隆起变形的主因。路堑边坡坡体位移的整体趋势,表现为向下倾斜并朝向边坡临空面方向,路堑边坡坡面的隆起变形值,明显小于挖方路基表面,这表明:路堑边坡上设置的挡土墙和加固锚杆格梁,在约束边坡横向不利变形方面起到了积极的作用;另一方面,沿背离路堑边坡坡面方向,路堑施工引起围岩变形的程度快速减小,对后续施工的左线隧道拱顶和靠近边坡一侧的围岩,均未构成破坏性影响。

3.2 左线隧道施工对围岩变形特征的影响

3.2.1 开挖与初期支护后隧道围岩变形特征分析

如图1所示,右线路堑边坡是通过开挖左线隧道侧向山体形成的。后续左线隧道施工时,隧道断面开挖必然对围岩稳定性产生极其不利影响,隧道拱顶和靠近边坡一侧的围岩变形尤其需要关注。

采用双侧壁导坑法施工,左线隧道断面挖除且初期支护成环后的围岩位移矢量图,如图6所示。根据图6,可以观察到隧道断面开挖施工对隧道不同部位围岩变形产生了明显差异性的影响,主要表现为:拱顶围岩沉降变形最显著;隧道左右两帮围岩产生一定变形,相比而言,靠近边坡一侧的围岩变形稍大一些。

由图6可知,左线隧道断面开挖、初期支护施工结束后隧道围岩和地表的位移总体趋势是:①隧道围岩位移的主要方向是朝向隧道断面开挖临空面,整体上主要表现为由隧道拱顶沉降与洞底回弹构成的似竖向收敛变形;②隧道拱顶至上方地表之间围岩,出现不同程度的沉降变形,沉降变形随着背离隧道开挖临空面迅速减小;③隧道靠近路堑边坡一侧围岩表现出朝向挡土墙位移的轻微趋势,表明左线隧道掘进施工增加了右线路堑边坡坡体朝向挡土墙位移的轻微风险;④计算得到隧道围岩位移的最大值为9.66 mm,出现在拱顶靠近隧道临空面的围岩土中,以似竖向拱顶下沉变形方式呈现。

3.2.2 洞顶和靠近边坡侧的隧道围岩变形对比分析

隧道断面初期支护成环后,仿真分析在ZK4+864监测断面输出的隧道围岩竖向与横向位移结果,依次如图7所示。

由图7(a)可知,在ZK4+864仿真分析监测断面中,隧道竖向拱顶沉降变形的最大值约为7.538 mm;洞底隆起变形的最大值约为5.071 mm。

由根据图7(b)知,洞顶和靠近边坡侧的隧道围岩横向位移或变形整体趋势,是指向边坡坡面的横向位移发育或推移,具体表现为:①在洞顶左侧靠近地表与第一和第二级边坡结合部位且靠近坡面的两处围岩中,均存在最大横向位移,相应的最大横向位移值约为3.000 mm;②左帮围岩指向隧道开挖空间的最大横向位移值不足1.000 mm,临近边坡右帮围岩的横向位移,背离隧道开挖空间并指向边坡坡面方向,从临近隧道轮廓至靠近边坡坡面,右帮围岩横向位移值由约2.000 mm上升到约3.000 mm。

在靠近边坡侧的隧道围岩中,存在指向边坡坡面的横向位移,不利于左线四车道隧道围岩稳定性的维护。因而,仿真分析发现的这一隐患值得关注。

在隧道断面开挖至初期支护成环的施工过程中,依据隧道施工断面变形监测方案,利用布设在断面初期支护上的监测点,主要采用徕卡Leica-TS60全站仪对隧道断面变形进行监测。

根据布置在ZK4+880~ZK4+800之间6个施工现场监测断面的变形监测结果,隧道拱顶沉降,以及两帮横向变形或收敛的发育特征具体表现为:①拱顶沉降和两帮横向变形,都经历了先呈累计增大随后趋于稳定的变化趋势;②隧道拱顶测点沉降变形趋于稳定的沉降值为8.00~10.00 mm;③隧道左帮测点的横向变形,表现为指向隧道断面空间的收敛,横向变形的最大收敛值为1.00~2.50 mm,靠近边坡一侧右帮测点的横向变形,背离隧道断面空间并指向坡面方向,横向变形趋于稳定的位移值为1.70~6.50 mm。

通过数值模拟与现场监测数据的系统对比,验证了围岩变形模态的一致性及计算模型的可靠性。针对数值模拟结果与现场监测数据存在的定量偏差,经分析,其核心成因可归纳为4类关键不确定性因素,具体如下。

(1)岩体参数的天然空间变异性,受岩体形成过程中沉积、岩浆或变质作用的不均一性,以及后期构造运动引发的结构面随机分布影响,岩体力学参数与物理参数呈现显著的空间离散特征,导致数值模型中参数赋值难以完全契合实际岩体的非均质特性。

(2)施工动力荷载的未完全模型化效应,爆破振动、机械冲击等动力荷载的幅值、频率、持续时间及作用路径具有强随机性与复杂性,其与岩体的耦合作用机制、应力波在非均质岩体中的传播衰减规律尚未被完全揭示,导致数值模拟难以精准复现动力荷载诱发的岩体瞬时响应与长期累积效应。

(3)模型边界条件与实际工程工况的差异,数值模拟聚焦左线隧道右侧边坡及左线隧道围岩开挖过程,而现场监测始于右线隧道开挖阶段(右线隧道先于左线隧道施工),右线开挖引发的围岩应力场重分布与扰动效应未完全纳入初始模拟模型,导致边界条件与实际工程受力环境存在偏差。

(4)参数取值的经验性偏差,基于传统经验公式确定的围岩弹性模量、黏聚力等关键参数,未能充分考虑工程区特定地质条件、风化卸荷程度等个性化因素,导致参数取值与实际工况存在客观差异。

尽管所有现场监测指标均满足现行工程规范的安全阈值要求,但并未局限于传统工程安全评判的表层范畴,而是以验证后的可靠数值模型为基础,从围岩变形演化的动态趋势与内在机理切入,系统辨识工程结构在施工全过程中潜在的非线性失稳风险与支护结构疲劳损伤隐患,为施工方案的动态优化与精细化调控提供了坚实的科学理论支撑。

把仿真分析监测断面与施工现场监测断面得到的隧道围岩变形情况进行对比分析,相互印证了不利工程条件下四车道隧道洞顶和靠近边坡侧的围岩变形特征行为如下。

(1)施工引起隧道围岩最显著的变形,是隧道拱顶围岩的沉降变形,仿真分析得到的最大拱顶沉降量为7.538 mm,小于现场监测得到的拱顶沉降值8.00~10.00 mm;两者的隧道拱顶最大沉降值,均小于《公路隧道施工技术规范》(JTG/T3660—2020)^[16]的施工监控报警值,隧道围岩结构处于稳定状态。

(2)靠近边坡一侧隧道右帮围岩的横向变形,均为背离隧道断面空间并指向坡面方向,由仿真分析得到右帮围岩在临近隧道轮廓与靠近边坡坡面的横向位移值,依次是2.000 mm和3.000 mm,而由现场监测得到右帮横向变形值为;但是,隧道左帮围岩的横向变形,均为指向隧道断面空间的收敛,由仿真分析得到左帮围岩最大横向位移值不足1.000 mm,而由现场监测得到左帮横向变形值为1.70~6.50 mm;由上述左帮与右帮围岩横向变形值,推断隧道横向位移或收敛求和的最大值,同样小于技术规范的施工监控报警值,隧道围岩结构处于稳定状态。

(3)靠近边坡一侧隧道右帮围岩横向变形,背离隧道断面空间并指向坡面方向,右帮呈现出向外推移趋势,不利于隧道围岩结构稳定性维护,应予以关注。

3.3 二衬施作对隧道围岩应力分布状态的影响

左线四车道隧道施工,主要经历了隧道横断面分区开挖和分区初期支护与临时支护共同承载,逐步过渡到全部挖除断面中间核心土并及时连接断面初期支护闭合成环;隧道初期支护成环,在改善隧道围岩压力分布和有效控制围岩的松弛与收敛变形方面起到至关重要的作用;随后,为适时进行二次衬砌施工提供了基础条件。通过初期支护成环与二次衬砌完成后的隧道围岩应力分布特征对比,分析二次衬砌在改善围岩应力状态与隧道稳定方面所起的作用。

左线浅埋偏压四车道隧道初期支护成环、二次衬砌施作完成后的围岩最大主应力分布状态,依次如图8所示。

把图8(a)所示的初期支护成环后隧道围岩的最大主应力云图形态特征,与图8(b)所示的二衬完成后的最大主应力云图进行对比,得出如下结论。

(1)整体上,初期支护成环与二衬完成后的围岩最大主应力云图形态特征相似。因隧道断面开挖施工引起围岩应力释放,在拱顶上方较大范围围岩中、靠近仰拱或底板下方较小区域围岩中,均产生拉应力;产生的拉应力最大值,均出现在靠近隧道拱顶部位围岩中,初期支护成环后的围岩拉应力最大值为0.374 MPa,稍大于二衬完成后的拉应力最大值0.368 MPa;两者围岩拉应力的最大值,均小于围岩的抗拉强度值。

(2)与初期支护成环条件下隧道围岩拉应力分布特征相比,在增设了隧道二次衬砌的条件下,隧道拱顶上方围岩中仍然存在较大范围的拉应力连续分布区,虽然拉应力最大值稍有减少,但是,拱顶路堑边坡侧倾斜向上的拉应力连续发育区,仍然直通地表。

因而,在浅埋偏压4车隧道初期支护成环后,适时施作隧道的二次衬砌,能稍微减少隧道拱顶上方较大围岩拉应力值,在一定程度上增强了拱顶围岩的稳定性;但是,拱顶围岩中直通地表的倾斜向上连续发育拉应力区,可能成为雨水渗入隧道围岩的潜在通道,不利于维护隧道拱顶和侧向路堑边坡围岩的稳定性,应引起关注。

类似地,对比图9(a)和图9(b)所示的隧道围岩最大剪应力云图形态特征发现:在初期支护成环与二次衬砌完成后,浅埋偏压四车道隧道围岩剪应力云图形态特征,基本相同或高度近似;围岩剪应力最大值均出现在靠近隧道拱腰围岩中,初期支护成环与二次衬砌完成后的围岩剪应力最大值,依次为1.21 MPa和1.10 MPa;两者为围岩剪应力的最大值,均小于围岩的抗剪强度值。

对于建设条件极为不利的左线浅埋偏压四车道隧道,在初期支护成环后适时施作隧道的二次衬砌,与初期支护成环后的围岩最大剪应力值相比,二次衬砌完成后的围岩剪应力最大值降低了9.1%;隧道二次衬砌,在改善隧道围岩剪应力分布状态方面,起到了积极有效作用,明显增强了四车道隧道围岩的稳定性。这也间接验证了围岩、初期支护成环和二次衬砌,在分担隧道围岩压力荷载方面起到了协同承载作用。

4 结论

(1)右线路堑边坡先行施工阶段,采用挡土墙-锚杆格梁联合支护体系有效约束边坡横向位移,规避了左线浅埋偏压四车道隧道围岩的突发性失稳;但边坡开挖移除隧道侧帮部分围岩,导致围岩承载能力显著衰减,引发洞顶及侧向边坡稳定性控制的关键技术难题。针对该问题,左线隧道采用双侧壁导坑法施工:通过断面分区开挖、及时施作分区初期支护与临时支护,逐步挖除核心土并完成初期支护闭合成环,实现围岩应力场优化与变形精准控制,保障了隧道围岩结构稳定性。监测数据显示,初期支护成环后围岩应力值均低于强度极限,拱顶沉降及横向收敛最大值均满足规范监控报警阈值要求;二次衬砌进一步改善围岩剪应力分布特征,相较于初期支护成环状态,围岩最大剪力与最大主应力分别降低9.1%、1.6%。

(2)然而,受左线隧道大跨度特性及右线路堑开挖导致的围岩承载力劣化影响,工程仍存在两大潜在风险:① 边坡侧围岩存在指向坡面的横向位移发育及推移趋势,运营期车辆振动、温度应力循环等长期荷载易诱发位移累积超限,可能加剧围岩裂隙扩展;② 二次衬砌施作后,拱顶围岩仍残留贯通地表的连续拉应力区(最大拉应力 0.368 MPa,虽低于围岩抗拉强度但未完全消除),该区域易形成贯通性渗水通道,降雨入渗会降低围岩黏聚力与内摩擦角,导致围岩强度衰减,长期作用可能引发拱顶围岩软化剥落,甚至触发拱顶失稳。

针对上述风险,提出针对性防控技术方案:① 侧向围岩防控:于左线隧道右帮增设预应力锚杆,通过施加主动预应力抑制围岩横向位移累积,提升围岩抗推移能力;② 拱顶雨水入渗防控:在拱顶拉应力区地表投影范围铺设防渗膜,上部辅以植草绿化,构建“防渗+生态防护”复合体系,削减雨水下渗量,保障运营期隧道长期稳定性。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	赵东平, 王明年, 贾玲利. 路堑边坡开采对邻近既有隧道影响研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(5): 1399-1402, 1408.

[2]	Zhao Dongping, Wang Mingnian, Jia Lingli. Study on the impact of road embankment slope mining on adjacent existing tunnels[J]. Geotechnical Engineering, 2009, 30(5): 1399-1402, 1408.

[3]	张军良. 高陡边坡开挖对既有隧道影响及施工方案优化研究[J]. 铁道建筑技术, 2024(11): 196-200.

[4]	Zhang Junliang. Research on the impact of steep slope excavation on existing tunnels and optimization of construction plans[J]. Railway Construction Technology, 2024(11): 196-200.

[5]	田延哲. 高陡山体下多煤层重复开采沉陷对矿区环境影响的累计效应分析[J]. 中国煤炭地质, 2023, 35(1): 57-63.

[6]	Tian Yanzhe. Analysis of the cumulative effects of repeated mining-induced subsidence of multiple coal seams under steep slopes on the environmental impact of the mining area[J]. China Coal Geology, 2023, 35(1): 57-63.

[7]	康海波, 熊维林, 赵刚, 等. 穿越煤层和断层的隧道开挖围岩变形分析[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(30): 13148-13154.

[8]	Kang Haibo, Xiong Weilin, Zhao Gang, et al. Analysis of the deformation of surrounding rock during tunnel excavation through coal seams and faults[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(30): 13148-13154.

[9]	王伟杨. 边坡开挖对下穿隧道结构安全影响数值模拟分析[J]. 施工技术(中英文), 2018, 38(10): 1660-1666.

[10]	Wang Weiyang. Numerical simulation analysis of the impact of slope excavation on the structural safety of the underpass tunnel[J]. Construction Technology (Chinese and English), 2018, 38(10): 1660-1666.

[11]	王晨韬, 夏立翔, 李军红. 侧方隧道开挖对公路路堑高边坡稳定性的影响[J]. 福建交通科技, 2024(2): 70-74.

[12]	Wang Chentao, Xia Lixiang, Li Junhong. The impact of lateral tunnel excavation on the stability of high slopes in highway cuttings[J]. Fujian Transportation Technology, 2024(2): 70-74.

[13]	丁鑫品, 王振伟, 李伟. 采动边坡失稳的动力过程及典型变形破坏机理[J]. 煤炭学报, 2016, 41(10): 2606-2611.

[14]	Ding Xinpin, Wang Zhenwei, Li Wei. The dynamic process of slope instability initiated by excavation and the typical deformation failure mechanisms[J]. Journal of Coal Science, 2016, 41(10): 2606-2611.

[15]	陈思阳, 朱彦鹏. 大断面黄土偏压隧道开挖侧向边坡稳定性影响分析[J]. 现代隧道技术, 2014(1): 82-89.

[16]	Chen Siyang, Zhu Yanpeng. Analysis of the impact of large section loess bias tunnel excavation on lateral slope stability[J]. Modern Tunnel Technology, 2014(1): 82-89.

[17]	谢荣辉. 浅埋偏压隧道开挖对侧向边坡稳定性影响分析[J]. 福建交通科技, 2023(10): 123-127.

[18]	Xie Ronghui. Analysis of the impact of shallow buried tunnel excavation on the stability of lateral slopes[J]. Fujian Transportation Technology, 2023(10): 123-127.

[19]	张高良, 郭守豪. 高陡边坡稳定性及锚索支护优化研究[J]. 公路, 2024, 69(11): 30-38.

[20]	Zhang Gaoliang, Guo Shouhao. Research on the stability of high steep slopes and the optimization of anchor cable support[J]. Highway, 2024, 69(11): 30-38.

[21]	孙天祎. 基于FLAC3D的边坡稳定性分析及支护数值模拟研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2020.

[22]	Sun Tianyi. Research on slope stability analysis and support numerical simulation based on FLAC3D[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2020.

[23]	宋修广, 张思峰, 李英勇. 路堑高边坡开挖、锚固数值模拟及稳定性分析[J]. 公路交通科技, 2005(4): 38-40.

[24]	Song Xiuguang, Zhang Sifeng, Li Yingyong. Excavation of roadbed high slopes, numerical simulation of anchoring, and stability analysis[J]. Road Traffic Technology, 2005(4): 38-40.

[25]	李世文. 高速公路路堑高边坡稳定性分析及支护措施研究[J]. 公路工程, 2018, 43(5): 163-168.

[26]	Li Shiwen. Study on the stability analysis and supporting measures of high slope in highway cuttings[J]. Highway Engineering, 2018, 43(5): 163-168.

[27]	张巧明, 付雄, 刘冬东, 等. 高边坡下穿隧道施工应力分布及抗滑桩优化研究[J]. 施工技术(中英文), 2023, 52(12): 9-15.

[28]	Zhang Qiaoming, Fu Xiong, Liu Dongdong, et al. Research on stress distribution and optimization of anti-slide piles in the construction of tunnels under high slope[J]. Construction Technology (Chinese and English), 2023, 52(12): 9-15.

[29]	罗驰恒, 王泽军, 汤善彪, 等. 钻爆法隧道下穿既有隧道门架桩加固方案研究[J]. 交通科学与工程, 2024, 40(2): 47-54.

[30]	Luo Chiheng, Wang Zejun, Tang Shanbiao, et al. Research on the reinforcement plan for tunnel undercrossing existing tunnel portal frame piles using drilling and blasting method[J]. Traffic Science and Engineering, 2024, 40(2): 47-54.

[31]	中交一公局集团有限公司. 公路隧道施工技术规范(JTG/T3660—2020)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2020.

[32]	CCCC First Highway Engineering Co., Ltd. Technical specifications for highway tunnel construction (JTG/T3660—2020)[S]. Beijing: People’s Traffic Press, 2020.