摘 要：针对偏压隧道施工方案会引发地质灾害的问题，结合某公路扩建项目偏压隧道区段，基于偏压隧道施工引发地质灾害的评价结果，采用FLAC软件模拟偏压隧道2种典型断面初衬施工工况，计算分析各断面隧道的竖向位移、水平位移、混凝土衬砌层弯矩与锚杆轴力。结果表明，偏压隧道进出口拱顶、侧脚部位和拱底受力较大，拱顶和拱底部位竖向位移最大，拱左下脚水平位移最大，施工时应加强这些部位的支护措施。
关键词：隧道工程；施工方案；地质灾害；FLAC
0 引 言
公路、铁路隧道建设中，隧道洞口处由于受到自然和人为条件的影响，一般地质条件都比较复杂，常存在偏压现象。隧道能否安全顺利地进出洞取决于设计及施工人员对偏压段可能出现地质灾害的认识程度及处理方式。偏压隧道洞口段处理不当极易产生滑坡、塌方等地质灾害。因而，对偏压隧道进出洞段施工方案的优选及地质灾害的评价显得尤为重要。
目前，研究人员一般通过计算机软件模拟和模型试验2种方法研究偏压隧道施工方法与施工过程，得出隧道围压和支护结构的应力与应变规律，再根据研究结果优化施工方案，针对偏压隧道引起的地质灾害提出相应的施工控制措施。李永明等采用ANSYS软件模拟偏压隧道不同开挖方法与施工工序，分析围岩
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与支护结构的内力分布及应变情况，对围岩稳定性与支护安全性进行研究，针对围岩力学性能差及偏压隧道受力不均匀现象，提出地基加固治理方案及施工措施。裴晓彤等利用ABAQUS软件建立偏压隧道衬砌模型，得出围岩和衬砌结构的
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位移与内力，优化施工方案并提出相应的变形控制措施。魏海虹采用有限元分
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析偏压隧道开挖施工过程，研究围岩变形、应力及锚杆轴力的变化规律，为评估施工方案的合理性提供依据。陈海帆等运用FLAC3D软件模拟浅埋偏压隧道洞
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口段开挖施工方案，对比分析2种施工方案隧道周边位移、围岩和初期支护的变形与受力规律，选出适宜的施工方案。雷明锋等通过模型试验，对浅埋偏压隧
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道围岩压力、衬砌结构应力的动态变化规律和分布形式及衬砌和围岩的破坏机制进行系统研究，探讨了隧道结构的形式和支护措施。张守成等分析了隧道偏压
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段施工中引起的病害，探讨了病害的治理方案，提出了洞口施工的技术措施。
本文结合某公路隧道工程，对某段隧道开挖施工方案进行优选，分析评价各种施工方案可能引发的地质灾害；采用FLAC软件模拟偏压隧道初衬施工过程，针对模拟结果及施工可能产生的地质灾害，提出防止地质灾害的措施。
1 工程概况
坪西公路坪山至葵涌段扩建工程沿现有坪西一级公路布线，起于坪山新区，与东纵路连接，呈近南北走向，止于葵涌街道，与盐坝高速公路连接。在现有道路上拓宽修建，展布于山间冲洪积谷地、丘陵及其间沟谷地貌区，总体地势中间高，两边低。扩建道路按照快速路、干线性主干道和主干道3种标准建设。岩土体类型由上至下主要为填土(石)、第四系残积土(粉质黏土)、泥盆系砂岩(强、中、微风化砂岩)、侏罗系凝灰熔岩(强、中、微风化凝灰熔岩)等。根据勘察报告，岩土体的主要物理力学性质如表1所示。
扩建工程K1+900～K6+140段为高边坡和隧道工程，其中K5+160～K6+060段明挖或修建隧道可能会造成中小型崩塌、落石或加剧边坡崩塌病害，
为保证拟建工程及其周边环境的安全，避免地质灾害的发生，需对此段隧道设计方案进行优选，并对工程建设可能产生的地质灾害危险性进行评价，提出防治地质灾害的措施及建议。
表1 岩土体的主要物理力学性质指标
2 工程引发地质灾害的危险性评价
根据道路设计方案，扩建工程K5+160～K6+060段有3种方案可选：方案一，右幅采用隧道形式穿越西侧山体通过，左幅在现有道路位置采用明挖方式通过，明挖设计道路标高比现状道路标高低约6 m；方案二，右幅与方案一相同，左幅在现状道路下方采用隧道形式通过；方案三，右幅在现有道路下方采用隧道形式通过，左幅与方案一相同。方案一左幅采用明挖方式降低了道路标高，但增加了两侧边坡的高度，隧道进出口附近存在偏压问题。因此，方案一左幅道路将可能遭受到K5+420～K5+840段东侧边坡病害和K5+480～K5+840段西侧边坡病害，右幅可能出现隧道进出口的局部崩塌和偏压危害。方案二的右幅可能出现的地质灾害与方案一相同，左幅以隧道方式穿越现有道路，消除了边坡对道路
的危害。方案三的左幅可能出现的地质灾害与方案一相同，右幅采用在现有道路下方以隧道方式通过，不受边坡病害的危害。
2.1 K5+420～K5+840东侧边坡病害
赤平投影构造裂面分析表明，K5+420～K5+840段东侧边坡的稳定性主要受向临空缓倾的构造面控制。边坡变形的主要原因为，边坡倾角大于构造面的倾角，导致坡体沿着构造面发生蠕动滑坍。在雨水作用下，边坡岩土体强度降低，在其强度不能支撑现有坡率的情况下，易发生沿构造面的滑坍病害
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。边坡目前
处于滑坍的蠕动变形阶段，尚未形成大的地质灾害，但是边坡一旦破坏，将引起道路断道，潜在地质灾害的危害性大
[11-15]
。若采用明挖方式通过该段，将增加边坡
高度，且目前坡顶有一高压输电铁塔，属重要建筑物，在设计时应重视该边坡的安全性。采用明挖方式时应注意开挖坡率尽量不要大于构造面的倾角，若大于该倾角，应采取边坡加固措施。
2.2 K5+480～K5+840西侧边坡病害
赤平投影构造裂面分析表明，当坡面走向与岩层走向平行时，易发生沿岩层面的崩塌。K5+480～K5+840段西侧边坡的稳定性受岩层面控制，目前边坡的变形为边坡岩体沿岩层面滑动。该位置岩层走向正好与坡面走向平行，与道路走向的夹角为29°，因此病害只发生在南端坡面转角处，其他部位由于岩层面与坡面斜交而未发生病害。该边坡发生大的地质灾害的可能性不大，对于南端坡面与岩层面走向一致的部位应加强边坡防护措施。
2.3 K5+160～K6+040隧道段进出口局部小型崩塌和偏压危害
局部小型崩塌主要分布在隧道进出口的岩层破碎地段和断层穿越部位。隧道在坪山端为粉质黏土和强风化凝灰熔岩地层，隧道进口位置受振动影响易发生崩塌；葵涌端为中至微风化岩体，强度较高，但是由于岩体结构面较发育，隧道口位置易在不利结构面组合下形成局部崩塌
[16-18]
。
隧道经过区域存在2组断层，其中东北向断层表现为张-扭性质，与隧道走向大角度相交；西北向断裂性质不明，但在局部与隧道走向近于平行，对隧道安全影响较大。隧道区内断层发育，是造成该部位岩体结构破碎的主要原因。隧道在断层经过部位存在崩塌危害。
隧道进出口位于斜坡地段，存在偏压，可能会导致隧道口塌方。
3 偏压隧道开挖衬砌FLAC数值分析与计算
由于方案一、二的右幅隧道进出口处于斜坡地段，其中北侧隧道口附近自然斜坡整体倾角约22°，南侧隧道口自然斜坡整体倾角约35°。为了分析这2处隧道的偏压情况，采用FLAC软件对其进行数值分析，分析工况为隧道初衬工况。
3.1 计算断面与计算参数
3.1.1 计算断面
根据隧道与现场地貌特性，在隧道进出口附近各选择一个典型断面进行计算，其中北侧选择K5+320断面，南侧选择K5+840断面如图1、2所示。
图1 K5+320计算断面
图2 K5+840计算断面
3.1.2 计算参数
根据隧道设计方案和《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)选择隧道断面计算参数，如表2～4所示。
表2 计算断面岩土体计算参数
表3 衬砌混凝土参数
表4 锚杆参数
3.2 计算结果与分析
K5+320断面隧道初衬工况的竖向位移、水平位移云图分别如图3、4所示，K5+840断面隧道初衬工况的竖向位移、水平位移云图如图5、6所示，图中竖向位移以向下为正、向上为负，水平位移以向左为正、向右为负。由图可见，2个断面隧道初衬时最大竖向位移出现在拱顶和拱底两个部位，最大水平位移出现在拱部左下脚。
图3 K5+320断面竖向位移云
图4 K5+320断面水平位移云
图5 K5+840断面竖向位移云
图6 K5+840断面水平位移云图
图7 K5+320断面混凝土衬砌层弯矩
图8 K5+320断面锚杆轴向力
图9 K5+840断面混凝土衬砌层弯矩
图10 K5+840断面锚杆轴向力
K5+320断面隧道初衬工况的混凝土衬砌层弯矩、锚杆轴力分别如图7、8所示，K5+840断面隧道初衬工况的混凝土衬砌层弯矩、锚杆轴力分别如图9、
10所示。由图可见，初衬结构的弯矩在拱顶部、两侧脚部位和拱底分布值较大，锚杆轴力在拱顶部较大。
综合上述计算结果，隧道进出口位置在拱底侧脚、拱顶和拱底部位受力较大，设计时应注意加强这些部位的支护措施。
4 隧道设计方案与施工的建议
4.1 隧道位于现有道路下方时的设计与施工建议
(1)与断层交叉地段。隧道位于现有道路下方，在设计时应查明断层与线路的关系、断层带岩体破碎程度和地下水活动条件，制定相应的开挖支护方案，必要时可采取相应的辅助施工措施。
[19]
(2)控制地表沉降。隧道位于现有道路下方时，根据设计方案、围岩性质、地质构造和水文地质情况，应按浅埋隧道进行设计和施工，并充分考虑其对地表沉降的影响。开挖应采用对前方围岩条件进行改良和超前支护等控制地层沉降和变形的措施。
[20]
(3)加强对周围建筑及设施的保护。由于在道路下方暗挖可能会引起道路两侧管线出现少量的变形，建议设计时要对管线采取相关的综合措施，特别是电力管线和天燃气管道。
(4)开挖及支护方式。开挖方式建议采用台阶法施工，支护形式宜采用复合式衬砌。若遇地下水丰富地段，建议采用对洞内围岩纵向预注浆的措施，或者在条件允许的情况下采用地面或洞内井点降水措施来改善施工条件。
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(5)隧道爆破方案设计。隧道边坡有变形裂缝，或坡顶有高压输电铁塔等重要建筑物和设施时，为避免对其产生影响，应选择有爆破资质的单位进行设计。
4.2 隧道穿越山体时的设计与施工建议
(1)断层通过地段。隧道穿越山体通过时，设计时应查明各断层与线路的关系、断层带岩体破碎程度和富水条件，制定相应的开挖施工方案。
(2)隧道洞口选址的原则。为使隧道洞口与自然地貌融为一体，避免洞口出现边仰坡大开挖，隧道设计应遵循“早进、晚出”的原则。
(3)隧道偏压及处理。隧道偏压应通过调整平面曲线尽量缓解、降低。当隧道存在偏压时，墙角部位可能会产生较大的应力集中现象；因此要注意墙角部位可能出现开裂，要求结构圆顺过渡，确保锁脚锚杆的质量。拱顶部位由于岩土层覆盖较薄，易产生由于开挖支护不及时而使部分岩体受拉的情况，是施工中应注意的薄弱环节。必要时可在开挖前对拱顶部采取反压或注浆措施改良岩土体性质。
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(4)隧道纵坡坡度。隧道纵坡坡度不宜超过3%，以控制废气排放量，尽量降低隧道内的污染程度。
(5)隧道监控、量测。建议业主委托第三方对隧道施工进行监控、量测，以保证监控和量测数据真实、有效、准确、及时。相关信息应及时向有关各方反馈，以采取相应的对策，保证工程及周边的安全。
5 结 语
结合坪西公路坪山至葵涌段扩建工程项目，对该项目某段高边坡和隧道工程施工方案进行优选，分析评价各种设计方案工程建设引发的地质灾害，得到以下结论。
(1)分析评价了公路扩建工程K5+160～K6+060段3种施工方案引发的地质灾害情况。
(2)针对施工方案一、方案二右幅隧道进出口段2处偏压情况，采用FLAC软件模拟偏压隧道初衬施工工况，计算各断面隧道初衬施工时的竖向位移、水平位移、混凝土衬砌层弯矩与锚杆轴力。结果表明：偏压隧道进出口拱顶、侧脚部位和拱底受力较大，拱顶和拱底部位竖向位移最大，拱左下脚水平位移最大，施工时应加强这些部位的支护措施。
(3)基于偏压隧道FLAC软件数值模拟计算结果，对隧道位于现有道路下方和隧道穿越山体施工可能产生的地质灾害提出防治措施及设计与施工建议。
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