楊琨 張蕉 劉方超 高筠涵 黃翼
【摘 要】?與順層地質(zhì)伴生的軟弱夾層參數(shù)往往缺乏相應(yīng)實(shí)測(cè)值,當(dāng)隧道群洞迎面下穿低緩軟弱順層仰坡進(jìn)洞時(shí),通常會(huì)開(kāi)挖坡腳和大量挖方,若軟弱夾層由于施工擾動(dòng)、降雨等作用發(fā)生參數(shù)劣化,易造成施工風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此,文章以龍泉山2號(hào)隧道為依托,采用數(shù)值模擬方法不斷劣化軟弱夾層粘聚力,研究其對(duì)隧道施工產(chǎn)生的具體影響。通過(guò)分析得出以下結(jié)論,(1)只要軟弱夾層存在,不良影響均會(huì)出現(xiàn)在軟弱夾層所在區(qū)域,粘聚力降低會(huì)增大不良影響;(2)不良影響雖然隨粘聚力減小而增大,但表現(xiàn)出非線性特征,即粘聚力降低越多,速度越快;(3)K線隧道劣化最為嚴(yán)重,大小順序均為K>D2>D1≈D3,在施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控K線隧道情況。
【關(guān)鍵詞】低緩軟弱順層仰坡; 多洞隧道; 進(jìn)洞; 數(shù)值模擬; 參數(shù)劣化
目前國(guó)內(nèi)學(xué)者在山嶺隧道進(jìn)洞施工方面進(jìn)行的研究,主要集中在圍巖整體參數(shù)較低和各種不利地形地貌環(huán)境下的單洞進(jìn)洞施工技術(shù)和變形失穩(wěn)特征研究[1-5],而順層坡與隧道進(jìn)洞的組合形式研究還相對(duì)較少,且大都集中于隧道平行于巖層層面進(jìn)洞的工況,且還是以研究單洞隧道偏壓效應(yīng)為主[6-8]。
緩傾順層邊坡由于本身坡度低緩(10~20°),在道路設(shè)計(jì)、施工階段往往不被重視,然而在隧道垂直下穿緩傾順層巖質(zhì)邊仰坡時(shí),與互層伴生的軟弱夾層的物理力學(xué)參數(shù)卻往往是控制進(jìn)洞施工的重要因素之一。大量的坡腳和洞內(nèi)爆破挖方極可能擾動(dòng)本就因長(zhǎng)期地質(zhì)演化而物理力學(xué)性質(zhì)極差的軟弱夾層帶,帶來(lái)邊坡失穩(wěn)滑塌,洞內(nèi)位移變形過(guò)大、塌方“關(guān)門”等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。特別是在雨季施工期間,地表水通過(guò)貫穿裂隙滲入夾層劣化參數(shù),使施工風(fēng)險(xiǎn)大大增加。
龍泉山1號(hào)、2號(hào)隧道群洞作為成都機(jī)場(chǎng)高速的控制性工程,具有多洞和大斷面兩大特點(diǎn),由此帶來(lái)了坡腳、洞內(nèi)開(kāi)挖面積量大、擾動(dòng)大兩個(gè)施工風(fēng)險(xiǎn)因素,而隧道出口段穿越泥巖砂巖互層區(qū),層間結(jié)合性差且?jiàn)A層參數(shù)缺乏實(shí)測(cè)值,但當(dāng)?shù)貙幼呦虮旧砭哂幸欢▋A角且薄弱層參數(shù)過(guò)低時(shí),下方隧道沿順層開(kāi)挖時(shí)帶來(lái)的擾動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致夾層和上層巖層產(chǎn)生沿薄弱層方向發(fā)生走滑的趨勢(shì),嚴(yán)重威脅到施工人員的生命安全。故此,本文以龍泉山2號(hào)四線并行隧道資陽(yáng)出口段進(jìn)洞施工為依托,采用數(shù)值模擬方法,研究不同軟弱夾層粘聚力對(duì)淺埋、順層軟弱圍巖隧道群施工圍巖及初支受力、變形規(guī)律的影響,以期為今后類似工程提供參考依據(jù)。
1 工程概況
龍泉山2號(hào)隧道為雙向四洞并行隧道,其中左右兩洞為貨運(yùn)兩車道隧道,中間兩洞為客運(yùn)三車道隧道,資陽(yáng)端出口段穿越緩傾順層坡,斜坡坡角15°,圍巖主要以強(qiáng)、中風(fēng)化Ⅴ級(jí)泥巖為主,節(jié)理、風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖石呈碎裂結(jié)構(gòu),巖質(zhì)極軟,圍巖自穩(wěn)性差,局部夾細(xì)砂巖構(gòu)成互層地質(zhì),巖層產(chǎn)狀為135°∠14°(2號(hào)隧道),與出口段仰坡坡度基本保持平行,層間含薄層石膏等物質(zhì),性狀軟弱,結(jié)合差。坡面基巖大面積裸露,為粉砂質(zhì)泥巖間夾薄層砂巖,在K22+400以上的坡體上地表出露厚層砂巖巖板,砂巖臨溝有順層拉裂現(xiàn)象。夾層為泥質(zhì)、薄層石膏填充,性狀軟弱,層間結(jié)合差,四線隧道進(jìn)洞施工過(guò)程類似于開(kāi)挖順層邊坡坡腳,破壞原有平衡狀態(tài),開(kāi)挖擾動(dòng)極可能誘發(fā)上方坡體局部失穩(wěn)甚至整體滑移(圖1)。
2 施工方案
為防止仰坡順層滑動(dòng)和洞內(nèi)失穩(wěn),結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范,龍泉山2號(hào)隧道設(shè)計(jì)方案分別對(duì)順層邊仰坡和進(jìn)洞淺埋段采取了相應(yīng)加固措施,包括在暗洞段設(shè)抗滑樁,鋼管灌注樁,臨時(shí)開(kāi)挖邊仰坡的錨噴防護(hù)等。
各線隧道開(kāi)挖前均設(shè)置30 m127 mm熱軋鋼管管棚,設(shè)置范圍為拱部120°,所有隧道均采用三臺(tái)階法開(kāi)挖,工序上為避免同時(shí)施工,相互擾動(dòng)采取D1、D3線隧道先行動(dòng)工,開(kāi)挖至30 m后K線隧道開(kāi)始施工,K線隧道開(kāi)挖至30 m后D2線開(kāi)始施工的施工策略。每次施工進(jìn)尺與鋼拱架間距均控制為0.8 m,各臺(tái)階相隔5 m,仰拱滯后下臺(tái)階10 m,二襯滯后下臺(tái)階20 m,初支、錨桿布設(shè)滯后掌子面1 m,隨開(kāi)挖進(jìn)行超前雙層小導(dǎo)管注漿加固,搭接長(zhǎng)度1 m,洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。
工程結(jié)構(gòu)楊琨, 張蕉, 劉方超, 等: 軟弱夾層粘聚力對(duì)淺埋、順層軟弱圍巖隧道群施工圍巖及初支受力、變形規(guī)律研究
3 數(shù)值模型與計(jì)算參數(shù)
3.1 數(shù)值模型
模型采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算分析,模型長(zhǎng)150 m,寬100 m,群洞由左到右四個(gè)隧道組成,分別為D1線、K線、D2線、D3線,其中D1線,D3線為兩車道隧道,K線、D2線為三車道隧道,隧道間隔均為16 m。群洞兩側(cè)距離邊界43.4 m,約為兩車道隧道洞徑的3倍。D2線、K線洞口斷面距離地表2 m,D1線、D3線洞口斷面距離地表3.5 m。圍巖由上至下分為3層,分別為上層泥巖、中層砂巖和下層泥巖。泥、砂巖層間分別設(shè)置一道軟弱夾層,共兩道,坡面與夾層傾斜角度均為15°。
計(jì)算分析時(shí),四周邊界施加相應(yīng)方向的水平約束,下邊界施加豎向約束,上邊界自由。地層,支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用三維實(shí)體單元模擬,地層采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。管棚、超前小導(dǎo)管對(duì)土體的加固作用采用提高隧道上方相應(yīng)范圍內(nèi)圍巖參數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),而軟弱夾層采用接觸面單元模擬。模型示意和洞外及洞內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖3、圖4所示。
3.2 計(jì)算參數(shù)
表1為圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù),表2為軟弱夾層調(diào)整方案參數(shù),為保證隧道安全通過(guò)互層區(qū)域,對(duì)設(shè)計(jì)建議的軟弱夾層參數(shù)在內(nèi)的5種粘聚力參數(shù)情況下隧道進(jìn)洞施工的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析,粘聚力參數(shù)以設(shè)計(jì)建議參數(shù)0.025為基礎(chǔ),按每次0.005 MPa的數(shù)值減小,最后減小0.005。
4 計(jì)算結(jié)果分析
4.1 初支應(yīng)力分析
由于5種方案下初支位移云圖具有相似性,差別主要體現(xiàn)在數(shù)值上,為節(jié)省篇幅,僅給出開(kāi)挖完成后c=0.005時(shí)下上臺(tái)階初支最小主應(yīng)力云圖作為參考,如圖5所示。
圖中由下到上為隧道前進(jìn)方向,從圖中可以看出,隧道大部分區(qū)域應(yīng)力值均不大,拱頂基本以受拉為主,拱肩基本以受壓為主。前大部分區(qū)域?yàn)閼?yīng)力量值不高的長(zhǎng)方形區(qū)域且至30 m里程為止,與管棚長(zhǎng)度一致,表明管棚起到了很好的支撐作用。而與軟弱夾層和初支切割線相對(duì)應(yīng)的各線隧道中部均出現(xiàn)兩條“月牙狀”應(yīng)力帶,可以確定為軟弱夾層穿越隧道拱頂導(dǎo)致,且各線隧道應(yīng)力帶拱頂位置均出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象,大小順序?yàn)镵>D2>D1≈D3。當(dāng)進(jìn)入隧道后半段無(wú)軟弱夾層時(shí),上述現(xiàn)象消失,初支壓應(yīng)力值驟減,拱頂輕微受拉,拱肩受壓。
可以看到軟弱夾層處的應(yīng)力狀況與其他區(qū)域截然不同,重點(diǎn)表現(xiàn)為拱頂出現(xiàn)壓應(yīng)力且數(shù)值較大,其余區(qū)域無(wú)論是拱頂還是拱肩,其應(yīng)力情況均貼合軟弱夾層與拱頂切割線且呈輕微受拉狀。
圖6給出了各方案下壓應(yīng)力最大值隨粘聚力c的變化曲線(即K線拱頂)。由圖6可知,最大壓應(yīng)力數(shù)值隨粘聚力減小逐漸升高,從0.025 kPa時(shí)的6.19 MPa逐漸升高到0.005 kPa時(shí)的9.93 MPa,且升高過(guò)程非線性,即粘聚力越小,應(yīng)力增長(zhǎng)越明顯。
4.2 拱頂與地表沉降分析
原因與前一致,為節(jié)省篇幅僅給出c=0.005開(kāi)挖完成后各線隧道初期支護(hù)和地表的豎向位移云圖如圖7、圖8所示。從圖7中可以看出,各線隧道最大豎向位移值均出現(xiàn)在拱頂處,由于管棚的存在,初始進(jìn)洞段(圖中下側(cè))的豎向沉降不明顯,并且在各線隧道中部均出現(xiàn)明顯沉降。各方案拱頂位移規(guī)律存在共同點(diǎn),即:拱頂沉降的最大值都出現(xiàn)在K線,且為隧道拱頂與軟弱夾層的相交點(diǎn)上,不同方案下各線隧道拱頂最大豎向位移值排序?yàn)镵>2D>1D≈3D。
而隨夾層粘聚力的減小,拱頂沉降表現(xiàn)出增大趨勢(shì),數(shù)值以c=0.005kPa時(shí)最大,為6.41 mm,以c=0.025kPa時(shí)最小,為5.74 mm。各條隧道的拱頂沉降數(shù)值都在互層處出現(xiàn)了間斷,即在管棚支護(hù)段與互層薄弱面之間的區(qū)段,越靠近薄弱面拱頂沉降值越大,而通過(guò)薄弱面后,拱頂沉降數(shù)值又急劇減小。
而根據(jù)圖9也可以看出,不同方案下的相同里程中間3車道隧道正上方地表沉降也均大于兩側(cè)2車道隧道,各隧道軸線上方地表沉降的最大值均出現(xiàn)在隧道輪廓與互層相交面拱頂交點(diǎn)正上方附近位置,地表沉降最大值同樣皆出現(xiàn)在K線隧道正上方,而隨夾層粘聚力的減小,地表沉降同樣表現(xiàn)出增大趨勢(shì),數(shù)值以c=0.005 kPa時(shí)最大,為5.09 mm,以c=0.025 kPa時(shí)最小,為4.49 mm。各方案下地表最大豎向位移值排序同樣為K>D2>D1≈D3。
圖9、圖10分別為最大拱頂沉降值和地表沉降值隨粘聚力c的變化曲線,可以看到,兩曲線線性幾乎一致,僅在數(shù)值上有差別,隨粘聚力減小,拱頂和地表依然表現(xiàn)出非線性增大趨勢(shì)。
5 結(jié)論
通過(guò)上述數(shù)值模擬,對(duì)不同薄弱層粘聚力參數(shù)下的地表沉降以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形情況等指標(biāo)進(jìn)行了綜合分析,得到了以下結(jié)論:
(1)存在軟弱夾層的區(qū)域,無(wú)論粘聚力大小如何變化,均會(huì)存在一定不利影響,且影響情況相似,均表現(xiàn)為拱頂、地表位移明顯偏大,軟弱夾層區(qū)域拱頂應(yīng)力由拉變壓,并且明顯大于其他各點(diǎn)壓力,表現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象。
(2)隨著薄弱層粘聚力的減小,互層段以外的隧道各項(xiàng)指標(biāo)均正常,但互層段各線隧道的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)都有向不利方向發(fā)展的趨勢(shì),具體表現(xiàn)為互層段的地表沉降、拱頂沉降以及初期支護(hù)受力量值均有顯著增加。
(3)軟弱夾層段劣化程度隨粘聚力降低非線性增加,即隨參數(shù)越發(fā)降低,互層段各項(xiàng)指標(biāo)劣化越明顯。
(4)在各參數(shù)方案下,對(duì)比分析各項(xiàng)指標(biāo),危險(xiǎn)順序均為K>D2>D1≈D3,可以看出K線隧道的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均劣于其他隧道,故在施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控K線隧道上方地表沉降與拱頂位移值,以免在隧道通過(guò)互層段時(shí)發(fā)生安全事故。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬平,張華.甕馬高速公路低緩順層邊坡失穩(wěn)機(jī)理與反思[J].災(zāi)害學(xué),2019,34(S1):154-156+183.
[2] 施金江. 某長(zhǎng)大緩傾順層邊坡失穩(wěn)機(jī)理與防治效果研究[D].成都: 西南交通大學(xué),2019.
[3] 孟劍波.淺埋軟巖段隧道進(jìn)洞施工變形特征與失穩(wěn)性研究[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2018,14(4):180-182.
[4] 張乾坤,謝明皆,羅龍,等.黃土隧道洞口山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道建筑,2020,60(3):50-53.
[5] 張可能,李斌,張洪亮,等.某隧道洞口段斜穿復(fù)合型滑坡體的綜合治理及評(píng)價(jià)[J].公路交通科技,2020,37(5):100-107.
[6] 張運(yùn)良,陳富東,陳英烈,等.隧道邊仰坡滑塌處治及二次進(jìn)洞施工技術(shù)實(shí)例研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2019,16(4):992-1000.
[7] 王道遠(yuǎn),袁金秀,王記平,等.淺埋軟弱圍巖隧道快速進(jìn)洞方法及穩(wěn)定性控制技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2018,55(4):178-185.
[8] 李宗鴻,袁維,王偉,等.陡傾順層邊坡地下開(kāi)挖失穩(wěn)模式分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2020,20(5):1988-1992.
3304501908237