熊 中 貴

(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008)

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·橋梁·隧道·

淺埋偏壓土質(zhì)隧道削坡減載措施有效性分析★

熊 中 貴

(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008)

針對(duì)登攀右線(xiàn)偏壓隧道進(jìn)口段開(kāi)挖圍巖變形過(guò)大的實(shí)際情況，并根據(jù)洞口段偏壓地形和工程地質(zhì)資料，分別建立了未削坡減載和削坡減載開(kāi)挖隧道進(jìn)口段的兩個(gè)模型，比較分析兩個(gè)模型圍巖變形和襯砌受力狀況，證實(shí)了削坡減載方法對(duì)控制圍巖變形和加強(qiáng)襯砌安全的有效性。

偏壓隧道，削坡減載，圍巖變形，襯砌受力

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的發(fā)展，山嶺隧道在隧道建設(shè)中的比重也在逐漸增大。由于山區(qū)地質(zhì)地形條件復(fù)雜多變，淺埋隧道進(jìn)出口段遇到偏壓的情況并不鮮見(jiàn)。如何保證隧道在這種淺埋偏壓情況下安全進(jìn)洞，是急需解決的一個(gè)問(wèn)題。除了采取正確的開(kāi)挖工法之外，偏壓隧道進(jìn)出洞還需采取一定的輔助施工技術(shù)，如減載反壓技術(shù)、超前大管棚支護(hù)技術(shù)等[1-8]。削坡減載技術(shù)是減載反壓技術(shù)的一種，工程上在治理滑坡等問(wèn)題上有比較多的研究，也有比較好的效果[2]。實(shí)際工程中淺埋偏壓隧道采用削坡減載技術(shù)并不少見(jiàn)，但是研究相對(duì)較少。本文以登攀右幅淺埋偏壓隧道為研究對(duì)象，分析削坡減載技術(shù)在淺埋偏壓隧道進(jìn)口段施工中的有效性，為以后類(lèi)似工程提供一定的參考。

1 工程背景

貴州晴興高速公路登攀隧道位于黔西南，隧道區(qū)位于朵沖背斜的北西翼，隧道軸線(xiàn)與朵沖背斜走向斜交。隧道所處地貌為侵蝕、剝蝕山地，區(qū)內(nèi)山高坡陡，溝壑縱橫。隧道進(jìn)出口均位于坡體上，其中進(jìn)口段坡度較緩，自然坡度角25°～30°，出口段坡體陡峻，自然坡度角35°～50°。進(jìn)口段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道區(qū)年均降雨量1 561.7 mm。隧道設(shè)計(jì)為分幅式隧道，左幅里程樁號(hào)ZK3+455～ZK5+100，長(zhǎng)1 645 m；右幅里程樁號(hào)YK3+460～YK5+085，長(zhǎng)1 625 m。隧道左幅底板高程1 250.90 m～1 293.32 m，最大埋深222.09 m；右幅底板高程1 251.05 m～1 292.70 m，最大埋深219.03 m。單洞室凈寬11.25 m，凈高7.18 m。右幅隧道進(jìn)口段為碎石狀松散結(jié)構(gòu)，圍巖埋深較淺，圍巖為砂質(zhì)粘土及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)。隧道洞門(mén)仰坡為順向坡，隧道偏壓較大，進(jìn)口開(kāi)挖時(shí)穩(wěn)定性差，易坍塌，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。如何順利開(kāi)挖右幅偏壓隧道進(jìn)口段是該隧道施工中的技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

2 隧道進(jìn)洞情況

隧道進(jìn)洞初期采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，一次開(kāi)挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在1 m內(nèi)，并及時(shí)進(jìn)行立架支護(hù)，封閉成環(huán)，待初支達(dá)到一定強(qiáng)度后再施作下一循環(huán)。進(jìn)洞后揭露登攀隧道進(jìn)口右洞圍巖較差，隧道右上側(cè)存在較大偏壓，開(kāi)挖過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大變形，存在較大施工風(fēng)險(xiǎn)，為此及時(shí)改用三臺(tái)階法開(kāi)挖。同時(shí)，由于隧道偏壓開(kāi)挖引起仰坡大變形開(kāi)裂，對(duì)右幅隧道進(jìn)口仰坡進(jìn)行削坡減載處理，減小隧道偏壓。本文運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)采用三臺(tái)階法后隧道進(jìn)行削坡開(kāi)挖和不進(jìn)行削坡開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究削坡減載對(duì)隧道開(kāi)挖影響。

3 右幅隧道進(jìn)口偏壓大變形數(shù)值分析

3.1 偏壓隧道進(jìn)口數(shù)值模型

依據(jù)登攀隧道現(xiàn)場(chǎng)情況和地質(zhì)資料，隧道進(jìn)口情況見(jiàn)圖1。模型重點(diǎn)考慮未進(jìn)行削坡減載和進(jìn)行削坡減載情況下隧道開(kāi)挖變形影響。為控制影響因素，隧道開(kāi)挖工法均采用三臺(tái)階法。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和隧道開(kāi)挖影響范圍，模型水平方向取100 m，右側(cè)高度取50 m，左側(cè)高度取20 m。底部采用豎向約束，左右兩側(cè)采用水平約束。其余邊界為自由邊界，網(wǎng)格尺寸取0.5 m，根據(jù)土層物理力學(xué)性質(zhì)，采用Mohr-Coulomb(MC)本構(gòu)模型；隧道襯砌采用梁?jiǎn)卧?，土層為平面?yīng)變單元。兩個(gè)有限元模型見(jiàn)圖2，未削坡模型包含單元數(shù)11 754個(gè)，削坡模型單元數(shù)11 429個(gè)。

3.2 模型參數(shù)選取

模型中各土體和襯砌物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體及襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.3 偏壓隧道施工數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

1)隧道開(kāi)挖引起地層變形結(jié)果及分析。圖3，圖4分別為未削坡和削坡情況下隧道三臺(tái)階法開(kāi)挖引起地層位移云圖。由圖3可知，在未削坡情況下，隧道開(kāi)挖引起地層最大水平位移出現(xiàn)在坡頂，達(dá)到-246.5 mm；隧道襯砌最大水平位移出現(xiàn)在隧道拱頂左側(cè)，為-136.7 mm。隧道開(kāi)挖引起地層最大豎向位移出現(xiàn)在隧道拱頂，達(dá)到-271.2 mm。由圖4可知，進(jìn)行削坡后，隧道開(kāi)挖引起地層最大水平位移出現(xiàn)在隧道上側(cè)坡頂，僅為-51.6 mm，隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移出現(xiàn)在右側(cè)拱肩，僅為-44.3 mm，方向向左。隧道開(kāi)挖引起地層最大豎向位移出現(xiàn)在隧道右側(cè)拱腰，僅為-63.4 mm。比較圖3，圖4可知，未削坡和削坡情況下，地層位移存在較大差異。采用削坡減載方式，比未進(jìn)行削坡減載，隧道最大水平位移量減少了67.6%，最大豎向位移減少了76.6%，削坡減載效果顯著。未削坡減載情況下隧道變形過(guò)大，易引起隧道襯砌破壞，發(fā)生隧道坍塌、滑坡等重大事故，采用削坡減載方法具有良好的變形控制作用。

2)隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力彎矩結(jié)果及分析。圖5，圖6分別為未削坡和削坡模型隧道襯砌內(nèi)力云圖。由圖5可知，未削坡情況下隧道襯砌最大軸力出現(xiàn)在拱頂，達(dá)到1 201 kN，襯砌最大彎矩出現(xiàn)在拱頂，彎矩值為442 kN·m；由圖6可知，削坡情況下隧道襯砌最大軸力出現(xiàn)在左側(cè)拱肩，達(dá)到724 kN，襯砌最大彎矩出現(xiàn)在左側(cè)拱肩，為265 kN·m。為分析削坡對(duì)襯砌安全性的影響，依據(jù)規(guī)范[3]計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，對(duì)襯砌安全進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種情況襯砌最不利位置安全系數(shù)表

由表2可知，未削坡情況下安全系數(shù)為1.98，小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)3.6，襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸破壞；削坡情況下安全系數(shù)為6.07，大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)3.6，襯砌結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生拉伸破壞。因此，采用削坡減載方式對(duì)避免隧道開(kāi)挖襯砌破壞具有較好的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值計(jì)算方法，建立了偏壓登攀隧道進(jìn)口段未削坡和削坡減載兩種二維計(jì)算模型，分析了兩種工況下地層變形和隧道襯砌內(nèi)力情況，相互比較證實(shí)了偏壓隧道削坡減載開(kāi)挖對(duì)控制圍巖變形和避免襯砌破壞的有效性，主要結(jié)論如下：1)隧道削坡開(kāi)挖相對(duì)于未削坡開(kāi)挖引起地層位移較小，其中隧道最大水平變形由136.7 mm降到44.3 mm，減少67.6%；隧道最大豎向位移由271.2 mm降到63.4 mm，減少76.6%。削坡減載開(kāi)挖對(duì)于控制圍巖變形具有較好效果。2)未削坡開(kāi)挖襯砌內(nèi)力均大于削坡開(kāi)挖襯砌內(nèi)力，前者抗拉安全系數(shù)為1.98，不符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，襯砌結(jié)構(gòu)受到破壞；后者抗拉安全系數(shù)為6.07，大于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，襯砌結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞。削坡減載對(duì)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全具有明顯的加強(qiáng)作用。

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The effectiveness analysis on cutting slope and reducing load measures of shallow buried and unsymmetrical pressure soil tunnel★

Xiong Zhonggui

(GuizhouHighwayEngineeringGroupLimitedCompany,Guiyang550008,China)

According to the actual situation of big deformation of excavation surrounding rock of Dengpan right line unsymmetrical pressure tunnel entrance section, and according to the unsymmetrical pressure terrain and engineering geological data of tunnel portal section, respectively established two models of excavation tunnel entrance section without cutting slope and reducing load and cutting slope and reducing load, comparatively analyzed the two model surrounding rock deformation and lining stress condition, proved that the cutting slope and reducing load method had effectiveness to control the surrounding rock deformation and strengthen the lining safe.

unsymmetrical pressure tunnel, cutting slope and reducing load, surrounding rock deformation, lining stress

1009-6825(2016)22-0155-02

2016-05-24★:貴州省交通科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2010-122-010)

熊中貴(1972- ),男，高級(jí)工程師

U457

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