王文星，田 偉，馮 勁

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

0 引言

作為山區(qū)公路重要構(gòu)造物之一的隧道，在縮短路線長(zhǎng)度、改善路線指標(biāo)方面起到了重要作用。洞口作為隧道的門面是唯一外露的部位，受地質(zhì)構(gòu)造變化，地形及地質(zhì)情況復(fù)雜的影響，加上施工期間拉槽開挖切割山體，破壞山體仰坡的原始平衡狀態(tài)，容易引發(fā)滑坡、塌方等工程事故。因此，洞口施工階段是隧道施工的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

由于地質(zhì)體具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間單元復(fù)雜等特征，基于極限平衡理論的傳統(tǒng)分析方法往往勉為其難。地質(zhì)建模技術(shù)考慮了邊坡巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性，可以給出巖體的應(yīng)力、應(yīng)變大小與分布，避免了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過于簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)，能近似地從應(yīng)力應(yīng)變?nèi)シ治鲞吰碌淖冃纹茐臋C(jī)制，分析最先、最容易發(fā)生屈服破壞的部位和需要首先進(jìn)行加固的部位等。眾多研究者采用此方案對(duì)特殊地形地質(zhì)條件下小凈距隧道進(jìn)洞施工開展了研究工作，如陳思陽采用FLAC3D和強(qiáng)度折減法模擬分析短臺(tái)階、CD、CRD三種方法對(duì)大斷面黃土偏壓隧道邊坡穩(wěn)定性的影響，并推薦采用CRD工法[1]；石熊等進(jìn)一步對(duì)CRD工法的各分部施工工序進(jìn)行了分析，并建議山體外側(cè)先開挖[2]，這一結(jié)論與王薇等的研究結(jié)論吻合[3]；中巖墻(中夾巖)對(duì)小凈距隧道的穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此王帥帥、吳德興、侯瑞彬等學(xué)者開展了針對(duì)性的研究，包括中巖墻的全過程受力特征、合理厚度等[4-6]。

以上研究主要針對(duì)小凈距隧道，而偏壓連拱隧道的施工工序和受力更為復(fù)雜，更有必要建立精確的三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行地質(zhì)體的全過程施工力學(xué)分析。為此，文章以杭新景高速公路半塢隧道為例，建立邊仰坡體和隧道結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體結(jié)構(gòu)的三維可視化功能，通過對(duì)各個(gè)施工階段的位移、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)等指標(biāo)的對(duì)比分析，提出合理的施工工序。為了驗(yàn)證地質(zhì)建模的分析結(jié)果并指導(dǎo)實(shí)際施工，有針對(duì)性地布置了信息化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括邊坡深層土體位移、抗滑樁測(cè)斜、樁頂位移等。

1 工程概況

半塢隧道位于浙西侵蝕剝蝕中低山區(qū)，千里崗山脈中段的上方鎮(zhèn)白坑村半塢，所處山體海拔高程180～250 m。隧道軸線通過處最高海拔約232 m，最大相對(duì)高差約70 m。

該段隧道范圍內(nèi)地層主要為第四系殘坡積和震旦系下統(tǒng)志棠組第三段粉砂巖、細(xì)砂巖。第四系殘坡積含含角礫粉質(zhì)黏土和黏性土角礫。含角礫粉質(zhì)黏土，灰黃色，軟可塑狀，角礫含量20%～30%，局部達(dá)到40%～50%，粒徑以0.5～3 cm為主，棱角狀，成份以粉砂巖為主，偶含有少量植物根系；黏性土角礫，灰黃色，稍密狀，碎石含量60%～70%，粒徑2～5 cm，棱角狀，余為角礫及黏性土，膠結(jié)性較好，局部黏性土含量較高，達(dá)50%。震旦系下統(tǒng)志棠組第三段(Z1Z3)粉細(xì)砂巖，灰色，中厚層-中薄層狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較硬。

2 建立隧道洞口復(fù)雜地質(zhì)體模型

根據(jù)杭新景高速公路半塢隧道的地質(zhì)勘探資料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，建立了邊仰坡滑體的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)幾何模型(圖1)，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體結(jié)構(gòu)的三維可視化功能，其中隧道線路軸線方向?yàn)閄軸、水平垂直于線路軸線的方向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。導(dǎo)入到ABAQUS軟件后對(duì)其進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，優(yōu)先采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元和八節(jié)點(diǎn)六面體單元，劃分后的單元總數(shù)為254 712個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為78 459個(gè)。計(jì)算分析所采用的模型邊界條件：側(cè)向邊界采用水平法向約束；模型底部邊界采用三向固定約束。計(jì)算初始應(yīng)力條件：因考慮到滑坡體主要為地表淺部巖土體，可以忽略構(gòu)造應(yīng)力影響，故在計(jì)算過程中僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力條件。材料計(jì)算參數(shù)如表1所示，并采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型。

圖1 半塢隧道及地層幾何模型示意圖

3 施工方案擬定

由于隧道線路軸線與地形等高線夾角較小、地形偏壓顯著，左右洞暗洞進(jìn)洞位置不一致。因此，擬定了兩種施工工序方案。方案A：左洞為先行洞，然后開挖右洞；方案B：右洞為先行洞，然后開挖左洞。

4 方案對(duì)比分析

利用建立的三維復(fù)雜地質(zhì)體及隧道整體模型，分析比較了兩種工序方案的位移場(chǎng)、剪應(yīng)力場(chǎng)、最大剪應(yīng)變?cè)隽俊⑦呇銎路€(wěn)定性系數(shù)等施工指標(biāo)。

4.1 地層位移對(duì)比分析

Y方向位移反映了邊坡的變形，當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)，Y方向位移主要集中在左洞擋墻及洞口處，采用A、B工序方案時(shí)分別為5.8 mm和1.4 mm；X方向位移反映了仰坡的變形，采用A、B工序方案時(shí)分別為3.5 mm和1.1 mm。

施工完成后，Y方向位移主要集中在右洞洞頂及左洞入口處，采用A、B工序方案時(shí)分別為10.6 mm和9.4 mm；對(duì)應(yīng)的X方向位移分別為5.8 mm和4.7 mm?？梢姡珺工序方案對(duì)邊仰坡體的擾動(dòng)程度要小于A方案。另外，偏壓隧道的Y方向位移大于X方向的位移，施工中應(yīng)注重Y方向位移的監(jiān)測(cè)。

4.2 地層剪應(yīng)力及剪應(yīng)變對(duì)比分析

土體剪應(yīng)力值是摩爾庫倫模型中衡量土體是否將發(fā)生破壞的主要指標(biāo)。當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)，A工序方案的最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變主要發(fā)生在左洞擋墻墻趾處，分別約為0.6 MPA和0.009，B工序方案的最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變主要發(fā)生在右洞洞頂處，分別為0.5 MPA和0.007。兩洞施工完畢后，最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分布范圍和量值基本一致，分別為0.8 MPA和0.012。

4.3 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移對(duì)比分析

兩種工序方案對(duì)隧道結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的影響較小，當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)，最大剪應(yīng)力主要發(fā)生在明洞和先行洞半明半暗洞的洞腰部位，量值在655～665 kPa之間。施工完成后，擋墻與隧道最大剪應(yīng)力分布區(qū)域與范圍基本一致，最大值為1.0 MPa。

兩種工序方案對(duì)隧道位移有一定的影響，當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)A、B工序方案的最大合位移值分別為1.21 cm(左洞暗洞入口拱頂及擋墻位置處)和0.87 cm(右洞洞頂處)。施工完畢后擋墻與隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)合位移分布范圍與大小基本一致，A、B工序方案的最大合位移值分別為1.87 cm和1.71 cm(見圖2)。

圖2 施工完成后擋墻與隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)合位移示意圖

4.4 邊仰坡穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比分析

邊仰坡穩(wěn)定性分析采用強(qiáng)度折減法，其定義的安全系數(shù)為巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)的折減后抗剪強(qiáng)度的比值。其主要原理是對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)凝聚力c和摩擦角φ進(jìn)行折減(式1、式2)，然后對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，不斷地增加折減系數(shù)，反復(fù)計(jì)算，直至其達(dá)到臨界破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)FS。

CF=C/Ftrial

(1)

φF=Tan-1((tanφ)/Ftrial)

(2)

式中：Ftrial——折減系數(shù)；

CF——折減之后的凝聚力；

φF——折減之后的摩擦角。

圖3 不同施工方案的邊仰坡穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比曲線圖

于是，可以計(jì)算初始狀態(tài)和各個(gè)施工步對(duì)應(yīng)的邊仰坡穩(wěn)定性系數(shù)，其中，天然狀態(tài)下邊仰坡體的初始穩(wěn)定性系數(shù)為1.14；隨著1～5號(hào)抗滑樁、左幅路基回填及地基處理、挖除邊坡外土體并進(jìn)行坡面防護(hù)等加固措施的開展，穩(wěn)定性系數(shù)一度上升到1.39；而后，隨著外側(cè)邊坡削坡施工削弱了土體原有的穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)下降到1.23，仍大于初始狀態(tài)；施工左右明洞并回填洞頂后，穩(wěn)定性系數(shù)又提高到1.42；隨著隧道開挖，穩(wěn)定性系數(shù)再次下降，當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)，A、B工序方案對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.32和1.39；施工完畢后，A、B工序方案對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.25和1.32。因此，兩種工序方案下，邊坡體整體安全系數(shù)均較大，邊坡體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。然而不同的工況下，邊坡體的變形值與范圍存在一定差異，從控制變形的角度來考慮，建議以右洞為先行洞，然后開挖左洞(見圖3)。

5 信息化施工方案

三維地質(zhì)建模技術(shù)從巖土力學(xué)角度分析了各個(gè)施工階段的位移、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)等指標(biāo)，并推薦了相對(duì)安全的施工方案。但是巖土體力學(xué)參數(shù)的不確定性注定了巖土工程不能僅僅依靠數(shù)值分析，信息化施工技術(shù)是對(duì)數(shù)值分析的有效補(bǔ)充。為此，在施工中重點(diǎn)開展了如下項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)：

(1)周邊收斂位移監(jiān)測(cè)，每5 m一個(gè)斷面，實(shí)測(cè)最大周邊收斂位移9.3 mm(右洞)。

(2)拱頂下沉監(jiān)測(cè)，每5 m一個(gè)斷面，實(shí)測(cè)拱頂最大沉降12.5 mm(右洞)。

(3)邊、仰坡的地表下沉，垂直隧道走向，每5 m一個(gè)斷面，每個(gè)斷面10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用徠卡TS09全站儀測(cè)量，實(shí)測(cè)邊、仰坡的地表下沉值分別為10.8 mm和11.9 mm。

(4)土體深層水平滑移監(jiān)測(cè)，在左右洞拱頂上方、距離洞口15 m處各布置一條測(cè)斜管，以管頂?shù)慕^對(duì)位移作為深層土體相對(duì)位移的基準(zhǔn)，測(cè)算各深度位置的位移，實(shí)測(cè)垂直線路走向的位移為12.3 mm，順線路走向的位移為11.3 mm，均在地表。

(5)抗滑樁樁頂位移及樁身傾斜，在中間的3#樁中布置一處測(cè)斜管，測(cè)量方法與土體深層水平滑移監(jiān)測(cè)類似，實(shí)測(cè)位移主要為垂直線路走向，最大位移發(fā)生在樁頂，為5.6 mm。

其中周邊收斂位移、拱頂下沉、邊仰坡地表位移、測(cè)斜管頂部位移、抗滑樁樁頂位移均采用徠卡TS09全站儀配合反光棱鏡測(cè)量。深層土體位移及樁身傾斜采用北京航天CX08-A的測(cè)斜儀測(cè)量，其原理如圖4所示。

圖4 測(cè)斜原理示意圖

6 結(jié)語

通過建立半塢隧道邊仰坡三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)各個(gè)施工階段的位移、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)等進(jìn)行全過程分析，對(duì)比分析了施工工序的影響。

(1)抗滑樁對(duì)于提高邊坡穩(wěn)定的效果明顯，從數(shù)值上看提高了22%，對(duì)于偏壓嚴(yán)重的洞口，其是提高邊坡穩(wěn)定性、減少刷坡高度和土方量的有效手段。

(2)施工過程中最危險(xiǎn)的階段為澆筑偏壓擋墻前的削坡開挖階段，施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

(3)從控制變形的角度來考慮，建議以右洞為先行洞，然后開挖左洞。

半塢隧道在計(jì)算分析的指導(dǎo)下，按照信息化施工的理念精心施工，加強(qiáng)施工過程中隧道、坡體表面和深部變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)動(dòng)態(tài)反饋監(jiān)測(cè)信息，評(píng)估坡體穩(wěn)定，確保了隧道安全和如期建成。