汪祥國(guó)

(中鐵十一局集團(tuán)第二工程有限公司 湖北十堰 442000)

1 引言

為克服地形高程和改善線路線形，在山嶺地區(qū)修建高速公路或者鐵路中，隧道工程往往成為橋隧比選的最佳方案[1－3]。然而，由于山嶺地區(qū)的地形和地質(zhì)條件十分復(fù)雜，特別是我國(guó)西南地區(qū)，受板塊擠壓和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，山形起伏陡峭、起伏劇烈，高原坡地和深切峽谷地形不可避免地使隧道進(jìn)出洞時(shí)產(chǎn)生淺埋偏壓工況[4]。由于隧道兩側(cè)邊墻的埋深大小不一，兩側(cè)土壓力不平衡不利于隧道的整體受力和變形，進(jìn)而影響隧道的服役能力和使用壽命[5]。

淺埋偏壓隧道的受力和變形機(jī)理十分復(fù)雜[6－7]，目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)者例如唐純勇[8]、戴文革[9]、謝小魚[10]、徐偉[11]等人，其研究方向都集中于坡體的傾角、隧道的埋深以及圍巖的等級(jí)對(duì)隧道圍巖及隧洞支護(hù)體系的應(yīng)力及變形影響[12]。然而，對(duì)淺埋偏壓隧道的處置方面研究卻較少報(bào)道[13]。

依托萍鄉(xiāng)至蓮花高速公路A4標(biāo)段白竺3號(hào)隧道工程為背景，采用有限元模擬方法建立二維淺埋偏壓抗滑樁加固數(shù)值模型，分析設(shè)置不同抗滑樁長(zhǎng)度對(duì)淺埋偏壓隧道結(jié)構(gòu)受力變形特性和圍巖的穩(wěn)定性，研究不同距離的抗滑樁對(duì)淺埋偏壓隧道加固效果。研究成果可為山區(qū)淺埋偏壓隧道工程的加固方案設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

2 隧道工程概況

白竺3號(hào)隧道起點(diǎn)位于萍鄉(xiāng)湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)大園里村附近，終點(diǎn)位于萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)江壩榨下村附近，為分離式隧道。隧道起訖樁號(hào):左線為ZK26＋205～ZK27＋280，全長(zhǎng)1 075 m；右線為YK26＋200～YK27＋295，全長(zhǎng)1 095 m；左右線隧道進(jìn)口位于緩和曲線上，隧道為單向坡，縱坡為2.469%。

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山地貌，屬羅霄山脈之北端余脈，山脈總體呈NE向，自然坡度15°～50°，植被茂密，山勢(shì)陡峻、溝谷深切，地形起伏大。隧道出口與山體斜角相交，存在偏壓現(xiàn)象，隧道斷面為馬蹄形隧道，寬×高為12 m×10 m，隧道埋深較小，拱肩到坡面距離約為6 m。出口洞身穿越地層為碎石黏土和全風(fēng)化泥質(zhì)板巖，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

3 抗滑樁加固數(shù)值模型建立

由于白竺3號(hào)隧道出口段為淺埋偏壓隧道，受力和變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響，因此采取抗滑樁作為加固措施進(jìn)行邊坡處置。為認(rèn)識(shí)抗滑樁對(duì)淺埋偏壓隧道的加固效果，以及為抗滑樁加固設(shè)計(jì)提供參數(shù)，采用有限元模擬手段建立二維數(shù)值模型進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 抗滑樁加固淺埋偏壓隧道模型

地表邊坡角度為30°，隧道輪廓尺寸寬×高為12 m×10 m，由于隧道洞口部位埋深較小，模型計(jì)算時(shí)，拱肩到坡面距離取為6 m；為避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差，隧道外輪廓到左右邊界和底部邊界距離均取60 m。左、右邊界在水平方向上設(shè)置其位移為零，而豎向位移不限定；模型底部邊界設(shè)定不發(fā)生任意方向位移和轉(zhuǎn)角；地表傾斜坡面邊界為自由邊界。

隧道圍巖強(qiáng)度準(zhǔn)則服從摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，根據(jù)地質(zhì)勘察成果，其圍巖等級(jí)為V級(jí)，其余參數(shù)的選取如表1所示。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，以梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其模型參數(shù)的選取如表2所示。

表2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬參數(shù)指標(biāo)

模擬時(shí)，考慮圍巖的自重為初始應(yīng)力，同時(shí)，由于設(shè)計(jì)時(shí)在隧道輪廓周圍3 m范圍內(nèi)設(shè)置了錨桿系統(tǒng)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，對(duì)這部分巖體的天然強(qiáng)度參數(shù)提高20%，以權(quán)重錨桿的加固作用。根據(jù)施工確定的工法，隧道采用分臺(tái)階留核心土的開挖方式，在上臺(tái)階開挖時(shí)，圍巖應(yīng)力釋放為30%，核心土開挖時(shí)釋放35%，下臺(tái)階開挖時(shí)釋放35%。

抗滑樁設(shè)置在淺埋段，其幾何尺寸及力學(xué)指標(biāo)如表3所示。

表3 抗滑樁模擬參數(shù)指標(biāo)

4 模擬結(jié)果分析

4.1 不同抗滑樁對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

為研究抗滑長(zhǎng)度對(duì)淺埋偏壓隧道的加固效果，設(shè)置不同的抗滑樁長(zhǎng)度(地表起算)分別為18.0 m、20.0 m、22.0 m、25.0 m、26.0 m。在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底位置處共布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 隧道襯砌監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖3為襯砌結(jié)構(gòu)的軸力隨抗滑樁樁長(zhǎng)變化的分布圖。從圖3中可以看出，軸力的極大值(壓力)出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱肩測(cè)點(diǎn)2位置和深埋側(cè)拱腰測(cè)點(diǎn)5位置(兩者連線與斜坡呈一定的斜角)；極小值(拉力)出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱腳測(cè)點(diǎn)6位置和拱底測(cè)點(diǎn)8位置(兩者連線與斜坡呈一定的斜角)；襯砌結(jié)構(gòu)的軸力分布呈現(xiàn)對(duì)角測(cè)點(diǎn)相近的規(guī)律，表明抗滑樁的增加并不能改善襯砌結(jié)構(gòu)的偏壓現(xiàn)象；隨著樁長(zhǎng)的增加，襯砌結(jié)構(gòu)同一測(cè)點(diǎn)位置處的軸力變化可以忽略不計(jì)。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)軸力分布

圖4為不同樁長(zhǎng)條件下襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖。從圖4中可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律與軸力的分布規(guī)律相似，極大值(壓應(yīng)力)出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱肩測(cè)點(diǎn)2位置、深埋側(cè)拱腰測(cè)點(diǎn)5位置；極小值(壓應(yīng)力)出現(xiàn)在淺埋側(cè)拱腳測(cè)點(diǎn)6位置和拱底測(cè)點(diǎn)8位置；襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)對(duì)角測(cè)點(diǎn)相近的規(guī)律；隨著樁長(zhǎng)的增加，襯砌結(jié)構(gòu)同一測(cè)點(diǎn)位置處的應(yīng)力變化可以忽略不計(jì)。

表4為不同抗滑樁樁長(zhǎng)條件下的襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)。從表4中可以看出，增設(shè)抗滑樁支護(hù)前后，襯砌結(jié)構(gòu)的軸力變化不大，最大軸力反而有所增加，且偏壓現(xiàn)象依然存在。但此時(shí)襯砌的最大壓應(yīng)力存在較為明顯的降低，從11.63 MPa降低到9.7 MPa左右，但隨著樁長(zhǎng)增長(zhǎng)，最大壓應(yīng)力則略有減小，這個(gè)降低幅度對(duì)改善襯砌結(jié)構(gòu)的偏壓現(xiàn)象來(lái)說(shuō)意義不大。相應(yīng)地，襯砌安全系數(shù)(極限抗壓強(qiáng)度/最大壓應(yīng)力)也隨之略有提升。18.0 m抗滑樁加固時(shí)，安全系數(shù)為2.567，26.0 m樁長(zhǎng)時(shí)為2.594，相差不大，均大于2.40。

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力分布

表4 不同抗滑樁長(zhǎng)度下的計(jì)算結(jié)果

4.2 不同抗滑樁對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響

圖5為不同抗滑長(zhǎng)度條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移變化情況。在沒有增設(shè)抗滑樁時(shí)，隧道的拱頂沉降約為5 mm，最大位移為5.78 mm，位于右拱肩測(cè)點(diǎn)3附近。采用不同樁長(zhǎng)的抗滑樁支護(hù)下，襯砌結(jié)構(gòu)的變形有所降低，拱頂沉降約在4.4 mm左右，最大位移仍在右拱肩處，約5 mm左右。隨樁長(zhǎng)的增加，變形變化不大。

圖5 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移變化情況

4.3 圍巖安全系數(shù)

通過強(qiáng)度折減法計(jì)算得不同抗滑樁長(zhǎng)度條件下圍巖的整體安全系數(shù)。在無(wú)抗滑樁支護(hù)時(shí)，安全系數(shù)為1.18；在樁長(zhǎng)分別為18.0 m、20.0 m、22.0 m、24.0 m、26.0 m 時(shí)，安全系數(shù)分別為 1.29、1.31、1.34、1.34、1.33。在樁長(zhǎng)為22 m時(shí)，安全系數(shù)較高，且繼續(xù)增加樁長(zhǎng)，提升效果不大。故在此偏壓角度和圍巖等級(jí)下，可將22 m作為抗滑樁的最優(yōu)長(zhǎng)度。

4.4 抗滑樁與隧道距離優(yōu)化

在抗滑樁長(zhǎng)度一定時(shí)，抗滑樁邊緣至隧道輪廓的距離不同會(huì)對(duì)襯砌受力和圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不同的影響。為分析抗滑樁與隧道不同距離對(duì)加固效果的影響，分別設(shè)置抗滑樁中心線與隧道外輪廓距離為2.0 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m，抗滑樁樁長(zhǎng)統(tǒng)一為22.0 m，以此找到最優(yōu)的抗滑樁位置。模擬結(jié)果如表5所示。

表5 不同距離計(jì)算結(jié)果

從表5中可以看出，在距離2.0～6.0 m時(shí)，襯砌最大壓應(yīng)力分別為 9.99 MPa、9.69 MPa、9.39 MPa、9.61 MPa、9.87 MPa，襯砌結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力隨著抗滑樁遠(yuǎn)離隧道先減小后增大，在4.0 m左右時(shí)，壓應(yīng)力最小，而襯砌安全系數(shù)達(dá)到2.66，為最大值。采用強(qiáng)度折減法對(duì)抗滑樁中心線與隧道外輪廓不同距離條件下的圍巖安全系數(shù)進(jìn)行求解，其計(jì)算結(jié)果變化不大，在距離3.0 m時(shí)，圍巖安全系數(shù)最大，為1.35。綜上所述，抗滑樁邊緣與隧道距離3.0～4.0 m時(shí)，支護(hù)效果最優(yōu)。

5 結(jié)論

依托萍鄉(xiāng)至蓮花高速公路A4標(biāo)段白竺3號(hào)隧道工程為背景，采用有限元模擬方法建立二維淺埋偏壓抗滑樁加固分析模型，分析了抗滑樁樁長(zhǎng)對(duì)淺埋偏壓隧道的加固效果，主要結(jié)論如下:

(1)增加抗滑樁支護(hù)，不改變隧道的偏壓現(xiàn)象，但有助于降低襯砌最大壓應(yīng)力和減低襯砌結(jié)構(gòu)最大變形。隨著樁長(zhǎng)的增加，最大壓應(yīng)力逐漸減小，但幅度不大，而襯砌結(jié)構(gòu)的變形隨樁長(zhǎng)的增加變化不大。

(2)增加抗滑樁支護(hù)，圍巖的安全系數(shù)提升，且在一定偏壓角度和圍巖等級(jí)下，抗滑樁支護(hù)存在最優(yōu)長(zhǎng)度。

(3)襯砌結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力隨著抗滑樁遠(yuǎn)離隧道的距離先減小后增大。在本文的計(jì)算案例中，抗滑樁邊緣與隧道距離3.0～4.0 m時(shí)，支護(hù)效果最優(yōu)。