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        散巖堆積體中特大斷面公路隧道洞口段坡體穩(wěn)定性研究

        2020-11-16 08:09:00彭雪峰錢志豪王宗學(xué)
        四川建筑 2020年5期

        彭雪峰,張 航,錢志豪,王宗學(xué)

        (1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,四川成都 610041; 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

        1 松散堆積體區(qū)隧道開挖問題

        在西南區(qū)域的地貌中,大多山坡都是由殘積層、風(fēng)化巖石、坡積物、巖溶崩塌堆積等形成的堆積邊坡。松散堆積體是巖石山坡經(jīng)過物理、化學(xué)作用、形成的巖石碎塊、巖屑,通過重力作用或冰川、雨水作用搬運(yùn)至山坡上或山坡腳下的松散堆積物體,主要存在于第四系坡積層、崩積層、殘積層、冰川堆積層等地層中,屬于典型不良工程地質(zhì)。

        同樣,在西部地區(qū)由于山地地形陡峻,很多隧道洞口段處于大型松散堆積體邊坡上。松散堆積體對(duì)隧道開挖施工的影響較大,施工中往往出現(xiàn)部分洞口邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)或者強(qiáng)度不足、難以施工等工程技術(shù)難題。松散堆積體區(qū)隧道開挖問題已成為山區(qū)高速公路、鐵路面臨的重大隧道工程問題之一。

        邊坡穩(wěn)定性分析發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有100多年的歷史,長(zhǎng)期以來(lái),在隧道設(shè)計(jì)和施工中多采用極限平衡理論去分析隧道洞門邊坡的穩(wěn)定性。馮樹仁等[1]對(duì)邊坡穩(wěn)定性的三維極限平衡方法進(jìn)行了探討,提出了計(jì)算方法、程序和算例。尚岳全,孫紅月等[2]提出了分析滑坡的變形趨勢(shì)及影響因素的作用方式。汪衛(wèi)明,徐明毅等[3]采用三維剛體對(duì)小灣水電站穩(wěn)定安全度進(jìn)行了分析,計(jì)算了邊坡開挖成型后加固和不加固兩種情況下的穩(wěn)定安全系數(shù)。蔣楚生[4]對(duì)二郎山隧道坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析,運(yùn)用反算分析法確定了其最不利滑動(dòng)面。劉小兵[5]采用瑞典條分法和簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行土坡穩(wěn)定分析,并以掛榜嶺隧道和案山關(guān)隧道為實(shí)例,為確定洞口段工程措施提供了依據(jù)。

        20世紀(jì)70年代以來(lái),隨著隧道斷面越來(lái)越大,地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜,同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,數(shù)值模擬越來(lái)越多的應(yīng)用于隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中。鄒啟新等[6]對(duì)黃土高邊坡穩(wěn)定靜力進(jìn)行了二維有限元分析,又對(duì)邙山段隧洞進(jìn)口高邊坡靜力有限元計(jì)算模型進(jìn)行了建立,得出了黃土邊坡的變形特征與應(yīng)力特征變化規(guī)律。沈春勇等[7]對(duì)江西柘林水電站進(jìn)水口邊坡進(jìn)行了三維有限元的計(jì)算分析,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比,結(jié)果基本一致。朱合華[8]以思小高速公路麻地河1號(hào)連拱隧道為例 ,建立了三維彈塑性有限元模型,動(dòng)態(tài)模擬了隧道在施工過程中邊坡的穩(wěn)定性情況。陳敏林[9]應(yīng)用三維非線性彈粘塑性有限元分析方法,模擬了水布埡工程導(dǎo)流隧洞的洞臉開挖方式和運(yùn)行方式。徐衛(wèi)亞等[10]10]應(yīng)用FLAC3D對(duì)洞口邊坡在各種工況下的變形狀況和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。由于隧道洞口段邊坡的穩(wěn)定性與眾多因素有關(guān),如洞門的形式,開挖方式、地層巖性等,而傳統(tǒng)的極限平衡計(jì)算方式對(duì)某些因素就顯得無(wú)能為力了,所以數(shù)值模擬法將越來(lái)越多的應(yīng)用于隧道洞口段的邊坡穩(wěn)定性研究中,同時(shí)隨著數(shù)值模擬的不斷發(fā)展,其結(jié)果也越來(lái)越精確。

        目前,我國(guó)公路建設(shè)中對(duì)松散堆積體的研究較少,特別是當(dāng)隧道處于厚層堆積體的情況下,采用哪種開挖方式以及怎樣對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),都還缺少其判定標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。本文在綜合調(diào)研國(guó)內(nèi)外隧道洞口段散巖堆積體邊坡防護(hù)的基礎(chǔ)上,基于火鳳山隧道擁有小凈距、超淺埋、偏壓等特性,在開挖施工條件下會(huì)對(duì)邊坡和圍巖的穩(wěn)定性造成影響。結(jié)合隧道斷面大小及形狀、考慮火鳳山隧道洞口段圍巖力學(xué)特征基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行建模,以此分析散巖堆積體的預(yù)加固方式,以及對(duì)隧道和坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

        2 數(shù)值模擬

        以曾家?guī)r二標(biāo)段火鳳山隧道為對(duì)象,采用數(shù)值模擬分析手段,應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件,對(duì)隧道洞口段坡體的合理預(yù)加固手段進(jìn)行研究。將分別對(duì)自重應(yīng)力下、坡體不支護(hù)開挖、地表注漿加固以及地表注漿+底部抗滑樁支護(hù)四種工況下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過對(duì)比各種工況下的圍巖剪力、圍巖位移以及剪應(yīng)變?cè)隽俊⑦吰路€(wěn)定系數(shù),提出適用于該地層條件下的隧道洞口段坡體處理技術(shù)。

        2.1 邊坡計(jì)算模型

        根據(jù)火鳳山隧道縱斷面地質(zhì)資料,建立三維網(wǎng)格模型,山體范圍延隧道縱向取60 m,橫向?qū)挾葹樗淼乐行木€向邊側(cè)取70 m,底部取到隧道底部以下35 m處,頂部至自然坡面。管棚和小導(dǎo)管的模擬采用提高加固區(qū)參數(shù)的形式來(lái)模擬,依據(jù)管棚和小導(dǎo)管的打入角度以及漿液擴(kuò)散半徑,加固區(qū)厚度設(shè)置為1 m。模型的邊界條件設(shè)置為左、右、后三個(gè)邊界面限制垂直于平面方向的位移,底面限制垂直于平面和平行于平面方向的位移,前邊界面隧道開挖處采用自由界面,周圍噴射的混凝土采用shell單元模擬,上邊界面坡體采用種草護(hù)坡,也采用shell單元進(jìn)行模擬。隧道圍巖特性按彈塑性材料,采用Mohr—Coulomb準(zhǔn)則,圍巖采用實(shí)體單元,錨桿使用cable單元,噴射混凝土層和鋼筋網(wǎng)根據(jù)抗壓強(qiáng)度等效準(zhǔn)則合并使用shell單元,鋼拱架使用beam單元。計(jì)算模型如圖1所示,地表注漿模型如圖2所示,抗滑樁模型如圖3所示。

        圖1 數(shù)值計(jì)算模型

        圖2 地表注漿模型

        圖3 抗滑樁模型

        地表注漿在地表隧道洞口上方25 m的范圍內(nèi)布設(shè),注漿小導(dǎo)管φ42 mm,布設(shè)間距為1.5 m×1.5 m,長(zhǎng)度為6 m,采用梅花型布置。噴射混凝土平均厚度8 cm,配合20 cm×20 cm的φ8 mm鋼筋網(wǎng)。抗滑樁為2.5 m×2.5 m的方形樁,布置在坡腳處,長(zhǎng)度為10 m,間距為5 m。地表注漿小導(dǎo)管采用Cable單元模擬,抗滑樁采用實(shí)體單元模擬,噴射混凝土采用Shell單元模擬。

        2.2 計(jì)算參數(shù)選取

        具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

        表1 計(jì)算材料力學(xué)參數(shù)

        隧道圍巖按彈塑性體考慮,其參數(shù)主要依據(jù)火鳳山隧道地層土工試驗(yàn)物理力學(xué)參數(shù)。數(shù)值計(jì)算中土層參數(shù)取值還要通過經(jīng)驗(yàn)類比進(jìn)行確定。對(duì)于設(shè)計(jì)中管棚法及小導(dǎo)管錨桿超前加固,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)資料,擬對(duì)加固區(qū)采用提高圍巖材料參數(shù)的方法來(lái)進(jìn)行模擬。

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        本節(jié)對(duì)自重應(yīng)力下、坡體不支護(hù)開挖、地表注漿加固以及地表注漿+底部抗滑樁支護(hù)四種工況下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過對(duì)比各種工況下的圍巖剪力、邊坡穩(wěn)定系數(shù),提出適用于該地層條件下的隧道洞口段坡體處理技術(shù)。

        3.1 圍巖位移分析

        邊坡在自重應(yīng)力作用下,從圖4可以看出,坡體整體向下發(fā)生沉降,其中距左線隧道20 m處沉降較大,最大值達(dá)32.17 m,在兩洞開挖斷面之間也存在較大沉降,最大可達(dá)11.40 m,可能出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。坡面沉降范圍大致在0.22 m到1.6 m間,變形較大,開挖斷面上部沉降范圍大致為0.23 m到2.01 m。從圖5可以看出,坡體最大水平位移發(fā)生在最低坡體處,最大可達(dá)1.32 m,變形較大整個(gè)坡體存在向右運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。綜合垂直位移和水平位移分析,邊坡存在潛在滑動(dòng)面,可能由坡頂發(fā)生拉裂局部變形增大,大致與坡腳處貫通形成整體滑動(dòng)破壞,開挖斷面極其危險(xiǎn),有冒頂?shù)嫩E象。

        圖4 豎向位移

        圖5 水平位移

        坡體在不支護(hù)的情況下進(jìn)行開挖,采用三臺(tái)階七步法開挖,選取了當(dāng)開挖完成20 m時(shí),整個(gè)坡體豎向位移云圖如圖6所示,水平位移云圖如圖7所示,位移矢量云圖如圖8所示。

        圖6 豎向位移云圖

        圖7 水平位移云圖

        圖8 位移矢量云圖

        由圖6當(dāng)隧道開挖完成20 m時(shí),開挖導(dǎo)致隧道拱頂處的豎向位移最大,左線隧道最大可達(dá)34.1 cm,右線隧道最大可達(dá)35.4 cm,隧道拱底隆起,最大可達(dá)10.8 cm。隧道開挖部分上部整體下沉,隧道地表沉降最大可達(dá)39.5 cm,位移很大,開挖容易造成坍塌。由圖8水平位移可知,坡體整體向右移動(dòng),隧道開挖導(dǎo)致坡體水平位移較大,隧道內(nèi)水平位移最大值出現(xiàn)在右洞的右拱腳處,最大可達(dá)10.1 cm,地表的水平位移較大,有一定的滑坡跡象。由圖8位移矢量云圖可知,整個(gè)坡體沿坡面向右滑動(dòng),且距隧道左線開挖斷面左側(cè)20 m處豎向位移較大,可達(dá)39.5 cm,隨著隧道的向前開挖推進(jìn),該位置的位移沉降越大,越有可能出現(xiàn)冒頂情況,因此隧道施工前必須先對(duì)洞前邊坡進(jìn)行預(yù)加固。

        坡體在地表注漿加固進(jìn)行開挖,采用三臺(tái)階七步法開挖,選取了當(dāng)開挖完成20 m時(shí),整個(gè)坡體豎向位移云圖、水平位移云圖分布和不支護(hù)開挖幾乎一致,但數(shù)值有所降低,位移矢量云圖如圖9所示。

        圖9 位移矢量云圖

        當(dāng)隧道開挖完成20 m時(shí),開挖導(dǎo)致隧道拱頂處的豎向位移最大,左線隧道最大可達(dá)11.2 cm,右線隧道最大可達(dá)9.3 cm,隧道拱底隆起,最大可達(dá)4.4 cm。隧道開挖部分上部整體下沉,隧道地表沉降最大可達(dá)7.6 cm,位移在預(yù)留變形量之內(nèi),開挖相對(duì)較安全。根據(jù)水平位移圖可知,坡體整體向右移動(dòng),隧道開挖導(dǎo)致坡體水平位移較大,隧道內(nèi)向左移動(dòng)的水平位移最大值出現(xiàn)在右洞的右拱腳處,最大可達(dá)4.71 cm,隧道內(nèi)向右移動(dòng)的水平位移最大值出現(xiàn)在左洞的右拱腰處,最大可達(dá)4.14 cm,距離左洞開挖斷面左側(cè)20 m處的地表的水平位移較大,可達(dá)2.3 cm,可能會(huì)出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。由圖9位移矢量云圖可知,整個(gè)坡體沿坡面向右滑動(dòng),且距隧道左線開挖斷面左側(cè)20 m處豎向位移較大,可達(dá)2.3 cm。因此隧道施工前采用地表注漿對(duì)洞前邊坡進(jìn)行預(yù)加固,減小隧道開挖造成的坡體沉降及滑動(dòng),增加了坡體的整體穩(wěn)定性。

        采用三臺(tái)階七步法開挖,采用地表注漿+底部抗滑樁,支護(hù)選取了當(dāng)開挖完成20 m時(shí),整個(gè)坡體豎向位移云圖、水平位移云圖分布和不支護(hù)開挖同樣類似,位移矢量云圖如圖10所示。

        圖10 位移矢量云圖

        當(dāng)隧道開挖完成20 m時(shí),開挖導(dǎo)致隧道拱頂處的豎向位移最大,左線隧道最大可達(dá)5.8 cm,右線隧道最大可達(dá)5.7 cm,隧道拱底隆起,最大可達(dá)4.4 cm。隧道開挖部分上部整體下沉,隧道地表沉降最大可達(dá)5.2 cm,位移在預(yù)留變形量之內(nèi),開挖相對(duì)較安全。從水平位移來(lái)看,坡體整體向右移動(dòng),隧道開挖導(dǎo)致坡體水平位移較大,隧道內(nèi)向左移動(dòng)的水平位移最大值出現(xiàn)在右洞的右拱腳處,最大可達(dá)1.51 cm,隧道內(nèi)向右移動(dòng)的水平位移最大值出現(xiàn)在左洞的右拱腰處,最大可達(dá)1.72 cm,距離左洞開挖斷面左側(cè)20 m處的地表的水平位移為1.7 cm,位移較小。由圖10位移矢量云圖可知,整個(gè)坡體沿坡面向右滑動(dòng),但位移不大,較安全。因此隧道施工前采用地表注漿+抗滑樁對(duì)洞前邊坡進(jìn)行預(yù)加固,邊坡的位移有明顯的較小,隧道施工較為安全。

        不同支護(hù)方法開挖工況位移對(duì)比如表2所示,從位移來(lái)看,在自重應(yīng)力作用下或不支護(hù)進(jìn)行隧道開挖,豎向位移與水平位移較大邊坡存在潛在滑動(dòng)面,可能由坡頂發(fā)生拉裂局部變形增大,導(dǎo)致與坡腳處貫通形成整體滑動(dòng)破壞,開挖斷面極其危險(xiǎn),有冒頂?shù)嫩E象。增加預(yù)加固支護(hù)之后,對(duì)沉降和水平位移都有很好的控制,提高了坡體的穩(wěn)定性。

        表2 不同工況下的最大位移對(duì)比 cm

        3.2 邊坡安全系數(shù)分析

        邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是規(guī)定合理的安全系數(shù),根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算,采用強(qiáng)度折減法,如果求得的最小安全系數(shù)小于或等于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù),那么所研究的邊坡不穩(wěn)定。采用 FLAC3D軟件自帶的有限元強(qiáng)度折減法對(duì)在坡體自重應(yīng)力下、未支護(hù)開挖、地表注漿加固以及地表注漿+抗滑樁加固四種工況下的巖體狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算,求得邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)與預(yù)加固方式的關(guān)系見表3。

        由表3可以看出,在自重應(yīng)力作用下,計(jì)算出的邊坡安全系數(shù)為1.16,邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不滿足GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[11]中規(guī)定一級(jí)邊坡(其安全系數(shù)為1.35)。對(duì)未支護(hù)開挖進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算,隨著開挖深度的增加,邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不斷減小,說明開挖深度對(duì)邊坡影響較大,開挖20 m時(shí)其安全系數(shù)為1.15,小于GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定一級(jí)邊坡(其安全系數(shù)為1.35),坡體不安全,且在雨水、地震等不利作用下更容易發(fā)生災(zāi)害,加上施工擾動(dòng),極易滑坡。因此施工前必須對(duì)洞口段巖堆體邊坡進(jìn)行加固,建議采取地表注漿與邊坡處設(shè)置抗滑樁對(duì)整個(gè)坡體進(jìn)行加固處理。同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)坡體后沿的排水,減少滲入坡體水流量而加劇坡體滑動(dòng),也應(yīng)防止外力作用下在隧道施工開挖過程中邊坡發(fā)生破壞而影響洞口正常施工及其穩(wěn)定安全。采用地表注漿預(yù)加固后對(duì)開挖進(jìn)行了安全系數(shù)計(jì)算,其安全系數(shù)為1.28,說明地表注漿對(duì)坡體的安全系數(shù)有一定程度的提高,但是未達(dá)到一級(jí)邊坡系數(shù)要求。采用地表注漿與抗滑樁同時(shí)加固,采用強(qiáng)度折減法,計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.58,滿足一級(jí)邊坡安全要求。因此建議火鳳山隧道洞口處采用地表注漿+抗滑樁進(jìn)行預(yù)加固。

        表3 不同工況下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

        4 結(jié)論

        本文以曾家?guī)r火鳳山隧道為工程背景,采用FLAC3D有限元計(jì)算軟件,對(duì)隧道洞口段邊坡建立了三維彈塑性數(shù)值模型,并進(jìn)行了隧道開挖過程中邊坡力學(xué)特性的計(jì)算和分析。從計(jì)算結(jié)果中可以得到:

        (1)針對(duì)曾家?guī)r火鳳山隧道的復(fù)雜地質(zhì)條件,建立了三維模型,利用FLAC3D軟件,對(duì)自重應(yīng)力下、坡體不支護(hù)開挖、地表注漿加固以及地表注漿+底部抗滑樁支護(hù)四種工況下,三臺(tái)階七步法開挖的施工過程進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。

        (2)從位移來(lái)看,在自重應(yīng)力作用下或不支護(hù)進(jìn)行隧道開挖,豎向位移與水平位移較大邊坡存在潛在滑動(dòng)面,可能由坡頂發(fā)生拉裂局部變形增大,導(dǎo)致與坡腳處貫通形成整體滑動(dòng)破壞,開挖斷面極其危險(xiǎn),有冒頂?shù)嫩E象。增加預(yù)加固支護(hù)之后,對(duì)沉降和水平位移都有很好的控制,提高了坡體的穩(wěn)定性。

        (3)對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,隨著開挖深度的增加,邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)不斷減小,說明開挖深度對(duì)邊坡影響較大,四種工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.16、1.15、1.28、1.58,只有地表注漿+抗滑樁滿足GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定一級(jí)邊坡要求,故建議火鳳山隧道洞口處采用地表注漿+抗滑樁進(jìn)行預(yù)加固。

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