段 鋒

(中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司 陜西西安 710032)

1 引言

隧道洞口穿越滑坡體施工難度大，剪切變形在邊坡表面表現(xiàn)最為明顯，具有極大的工程建設(shè)安全隱患[1]，因此保證滑坡體隧道洞口的穩(wěn)定性極為關(guān)鍵。研究出一種施工安全、工效高且成本相對較低的穿越滑坡體進(jìn)洞施工方法尤顯重要[2]，依托在建隴漳高速公路烏梁隧道，在強(qiáng)度折減法基礎(chǔ)上，利用MIDAS-GTS建立隧道洞口滑坡體段三維有限元模型，提出了洞口段利用土釘墻代替微型樁墻加固的支護(hù)方案。

2 工程背景

2.1 隧道概況

隴漳高速公路烏梁隧道位于甘肅省隴西縣城東側(cè)，全長1.67 km，左右洞起訖里程分別為YK18＋555～YK20＋241、ZK18＋555～ZK20＋221。 其中小里程端洞口位于滑坡體上，地形展布為左側(cè)平緩、右側(cè)緊鄰沖溝邊緣，且洞口巖層破碎，節(jié)理發(fā)育，表層為滑坡堆積體，在流水及重力作用下極易崩塌。

2.2 優(yōu)化方案

滑坡體對隧道進(jìn)洞安全風(fēng)險較大，原設(shè)計采用直徑φ＝24 cm、間距L＝50 cm的微型樁墻支護(hù)，并輔以16b型鋼加固。考慮到微型樁加固施工進(jìn)度較慢，無法滿足隧道工期要求，經(jīng)協(xié)商研究后提出采用土釘墻加固方案，C20網(wǎng)噴厚度d＝10 cm，φ42注漿鋼花管長度L＝9 m、土釘間距為1 m，現(xiàn)場施工見圖1。

圖1 土釘墻加固方案

2.3 施工安排

模擬烏梁隧道施工過程，先仰坡、邊坡開挖及支護(hù)，再進(jìn)行洞口段開挖及支護(hù)。邊仰坡開挖時，坡面沿z軸從上向下分3次開挖，每開挖一部后，緊接著對每一級開挖邊仰坡支護(hù)，為防止巖體發(fā)生掉塊或崩塌采用C20網(wǎng)噴土釘墻進(jìn)行支護(hù)，噴射支護(hù)完成后破除洞口處支護(hù)，然后進(jìn)行明洞建設(shè)。洞口段開挖、支護(hù)時，先對左、右隧道進(jìn)行首次開挖，破除套拱范圍內(nèi)網(wǎng)噴支護(hù)，施作長度L＝2 m、厚度d＝60 cm的C20混凝土套拱，改變明暗交界部分屬性，變?yōu)樾弯摶炷两Y(jié)構(gòu)。緊接著施工暗洞φ108管棚超前支護(hù)。

為防止隧道在開挖過程中由于自穩(wěn)性下降而導(dǎo)致坍塌，斷面采用挖掘機(jī)按三臺階進(jìn)行分部開挖，每循環(huán)0.6 m的進(jìn)尺，并利用 20a型鋼鋼架及C25錨網(wǎng)噴進(jìn)行初期支護(hù)。同時，在進(jìn)洞一定距離后，及時完成仰拱初支成環(huán)和C35鋼筋混凝土二次襯砌，其中仰拱襯砌厚度為d＝60 cm，拱頂襯砌厚度為d＝50 cm，起到避免隧道在開挖過程中仰拱受到兩側(cè)巖土體擠壓而隆起的風(fēng)險。

3 方案可行性校驗(yàn)

為了論證土釘墻加固方案的合理性，一是采用數(shù)值模擬方法分析了不同進(jìn)洞施工方案隧道圍巖、邊仰坡支護(hù)結(jié)構(gòu)、二襯結(jié)構(gòu)的位移及最大主應(yīng)力的變化特征[3]；二是通過現(xiàn)場監(jiān)測統(tǒng)計分析手段驗(yàn)證了支護(hù)后滑坡體變形特征，進(jìn)一步確定了土釘墻加固滑坡體方案的適應(yīng)性、合理性[4]。

3.1 數(shù)值分析

3.1.1 計算模型

為了使模型計算時間與精度合適，通常對建模范圍有所要求。建模太大，計算時間將極大地增加；建模太小，可能受邊界條件影響得不到準(zhǔn)確的計算結(jié)果[5]。本次計算模型沿x、y、z方向建立長度分別為96.4 m、120 m和84 m，且所有邊界面自動約束。

3.1.2 參數(shù)的設(shè)置

在有限元模型中，巖體采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，隧道噴混等支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)類型，自然狀態(tài)下隧道巖土參數(shù)、各類材料參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 隧道模型各類材料參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

3.2.1 數(shù)值模擬應(yīng)力分析

利用數(shù)值模擬對原設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計方案得出隧道開挖引起的圍巖、邊仰坡支護(hù)、二襯等的最大主應(yīng)力出現(xiàn)部位及數(shù)值大小，以進(jìn)一步對比分析隧道洞口圍巖穩(wěn)定性[6]。微型樁墻模型與土釘墻模型最終工況下隧道圍巖的最大主應(yīng)力云圖見圖2，邊仰坡支護(hù)最大主應(yīng)力云圖見圖3，二襯最大主應(yīng)力云圖見圖4，其山體圍巖、邊仰坡支護(hù)及二襯最大主應(yīng)力特征見表2。

圖2 隧道開挖引起的圍巖最大主應(yīng)力云圖

圖3 隧道開挖引起的邊仰坡支護(hù)最大主應(yīng)力云圖

圖4 隧道開挖引起的二襯最大主應(yīng)力云圖

表2 數(shù)值模擬不同方案最大主應(yīng)力特征

雖然土釘墻方案計算模型的山體圍巖、邊仰坡支護(hù)最大主應(yīng)力都遠(yuǎn)大于原設(shè)計計算模型，但是根據(jù)地勘資料可知，該模型最大應(yīng)力出現(xiàn)部位圍巖均為中風(fēng)化砂巖，其最大主應(yīng)力均小于砂巖的屈服強(qiáng)度，因此以最大主應(yīng)力作為安全考慮因素，其優(yōu)化方案各個部位力學(xué)特征滿足施工安全要求，方案可行[7]。

3.2.2 數(shù)值模擬變形分析

山嶺隧道在工程開挖中存在一定的危險性[8]，必須對開挖過程中圍巖位移、邊仰坡支護(hù)位移、微型樁墻和土釘墻位移、二襯位移等進(jìn)行全面的變形監(jiān)測[9]。微型樁墻模型與土釘墻模型最終工況下開挖引起的圍巖位移云圖見圖5，邊仰坡支護(hù)、微型樁墻及土釘墻位移云圖見圖6，二襯位移云圖見圖7，數(shù)值模擬位移特征見表3。

圖5 隧道開挖引起的圍巖位移云圖

圖6 隧道開挖引起的邊仰坡支護(hù)及微型樁墻位移云圖

圖7 隧道開挖引起的二襯位移云圖

表3 微型樁墻與土釘墻邊坡開挖數(shù)值模擬位移量 mm

表3對比了微型樁墻與土釘墻加固方案邊坡位移、邊坡處沉降、拱頂沉降、拱底隆起、拱頂二襯最大位移、拱底位移、拱頂位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)，從邊坡開挖隧道引起的位移來看，模型優(yōu)化后邊坡支護(hù)最大位移出現(xiàn)在左洞口，但兩方案均滿足公路隧道施工技術(shù)細(xì)則(JTG/T F 60-2009)及建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(GB 50497-2019)隧道開挖允許最大變形要求[10]。

3.2.3 優(yōu)化結(jié)果對比

根據(jù)統(tǒng)計，得出了兩個方案模型不同施工步驟各階段垂直總應(yīng)力、水平總應(yīng)力和位移三方面數(shù)值，本處選取了具有典型代表特征的8＃點(diǎn)進(jìn)行了原設(shè)計和優(yōu)化方案模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，見表4。

表4 原設(shè)計與優(yōu)化方案結(jié)果對比

從表4可知，優(yōu)化方案的圍巖位移最大值比原設(shè)計沒有發(fā)生較大變化，邊坡位移要略大于原設(shè)計方案，但其位移和變形都在允許范圍之內(nèi)。通過模型計算對比分析，優(yōu)化方案可以減少應(yīng)力變化，且位移符合規(guī)范要求，其方案可行。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

隧道洞口地表沉降的趨勢有一定的變化規(guī)律，隨著隧道施工開挖，洞口地表開始產(chǎn)生變形，最大變形速率將發(fā)生在隧道開挖掌子面到達(dá)檢測點(diǎn)正下方時。若變形速率逐步減小，則說明隧道洞口趨于穩(wěn)定；反之，則出現(xiàn)失穩(wěn)，應(yīng)及時防止洞口坍塌等災(zāi)害，保證施工安全[11-12]。

為監(jiān)測烏梁隧道施工過程中洞口段地表沉降情況，通過對監(jiān)測點(diǎn)變化規(guī)律進(jìn)行分析以保證施工安全，洞口段每個截面預(yù)埋16根直徑φ＝2.5 cm、長L＝200 cm的鋼筋作為觀測樁，外露長度50 cm，并在露頭頂端焊接5 cm×5 cm的鋼板。并現(xiàn)場選取了進(jìn)洞前后過程中具有代表意義的6個觀測點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，見圖8。

圖8 洞口地表測點(diǎn)累計沉降曲線

由圖8可知，洞口上部15 d內(nèi)沉降速率較低，15 d后沉降速率迅速增大，40 d后沉降速率趨于平緩，最大沉降量為22 mm，符合規(guī)范要求，表明優(yōu)化方案可行。

4 應(yīng)用效果分析

烏梁隧道洞口采用土釘墻代替微型樁墻加固方案施工，應(yīng)用效果良好。實(shí)現(xiàn)了提前安全進(jìn)洞目標(biāo)，比原方案節(jié)約工期43 d，且在人、材、機(jī)方面節(jié)約建設(shè)成本約783萬元。

5 結(jié)束語

采用土釘墻代替微型樁墻加固滑坡體方案，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測分析兩種手段驗(yàn)證，其推測最大主應(yīng)力雖大于原設(shè)計方案，但推測變形值與實(shí)際變形值差異不大，符合規(guī)范要求，安全性良好；同時，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約工期、減小施工難度和降低施工成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，充分說明土釘墻加固方案可行，可為類似隧道穿越滑坡體設(shè)計、施工提供一定參考。