摘要：文章依托某山嶺高速公路隧道工程，利用Midas GTS NX有限元軟件數(shù)值模擬手段，分析了隧道淺埋偏壓段落填筑施工平臺(tái)的反壓作用效果。結(jié)果表明：淺埋偏壓段落隧道襯砌變形最大處位于外側(cè)拱肩，隧道襯砌受力最大處位于內(nèi)側(cè)拱腳，填筑施工平臺(tái)對隧道襯砌受力及變形可起到一定的改善作用，同時(shí)可有效提升山體安全系數(shù)，減小塑性變形區(qū)。由此可見，采用填筑施工平臺(tái)等反壓措施處理山體偏壓應(yīng)力是保障淺埋偏壓段落隧道安全進(jìn)洞，減少工程造價(jià)，保護(hù)環(huán)境的重要手段和有效方法。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道；淺埋偏壓段；施工平臺(tái)；反壓回填

U455.2A300953

0 引言

廣西山嶺區(qū)占比極大，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜。按廣西2019—2021年的隧道統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，隧道座數(shù)平均每年增長18.4%，隧道長度每年增長28.8%。由此可見，廣西公路建設(shè)不斷向山區(qū)發(fā)展，同時(shí)山區(qū)高速公路往往受線位、線形指標(biāo)、地形條件等因素限制，隧道洞口軸線不可避免地經(jīng)常出現(xiàn)與地形等高線小角度斜交甚至是平行的情況。隧道洞口段在較長區(qū)段的外側(cè)覆蓋層較薄，淺埋偏壓情況突出［1］。淺埋偏壓條件下，隧道開挖為滑坡的形成創(chuàng)造了良好的臨空條件，易引起邊仰坡坍塌、誘發(fā)山體滑坡、洞口襯砌變形開裂等地質(zhì)災(zāi)害，且隨著近年來極端天氣越來越多，淺埋偏壓段落隧道洞口段失穩(wěn)滑動(dòng)病害屢見不鮮。

對于接近山腳處的隧道洞口，開挖進(jìn)洞時(shí)通常通過回填土或者棄渣搭建施工平臺(tái)，填筑平臺(tái)高度接近路線設(shè)計(jì)標(biāo)高，填筑平臺(tái)在滿足施工需求的同時(shí)，還可對偏壓洞口起到一定反壓作用。目前，眾多學(xué)者對淺埋偏壓隧道進(jìn)洞開挖方法、襯砌受力、變形機(jī)理和處治措施進(jìn)行了深入研究，張敏等［2］對淺埋偏壓隧道出口段高邊坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。劉小軍、石效民、石熊等［3-5］對淺埋偏壓隧道洞口段開挖工序及受力特征進(jìn)行了研究。吳學(xué)智等［6］對淺埋偏壓隧道進(jìn)洞口失穩(wěn)的處治措施進(jìn)行了研究。但這些研究并未針對淺埋偏壓隧道填筑的施工平臺(tái)的作用效果進(jìn)行探討。

本文現(xiàn)以廣西某山嶺隧道為研究對象，以勘察設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)，采取數(shù)值模擬和理論分析，就施工平臺(tái)對淺埋偏壓洞口的反壓作用效果進(jìn)行深入探討，研究結(jié)果可為淺埋偏壓隧道安全進(jìn)洞措施提供一定的借鑒與參考。

1 工程概況

某高速公路雙車道隧道長1 460 m，隧址區(qū)為構(gòu)造剝蝕丘陵、深丘地形，順地層走向溝脊相間，受砂泥巖軟硬巖類組合特征的影響，在流水作用、風(fēng)化作用下總體表現(xiàn)為深谷、臺(tái)梁式地貌。地層由第四系覆蓋層坡殘積粉質(zhì)黏土、震旦系南沱組粉砂巖及其風(fēng)化層組成。

隧道進(jìn)口段位于丘陵坡腳，山腳下方為平坦田地，進(jìn)洞口前95 m屬于淺埋且偏壓嚴(yán)重段落。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，隧道洞頂及側(cè)壁圍巖為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，中厚層構(gòu)造，節(jié)理裂隙極發(fā)育～發(fā)育，裂隙面有鐵錳質(zhì)浸染，巖芯極破碎，巖芯多呈塊狀、碎石狀，上覆粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土厚度約為0.5 m，圍巖以強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖為主，隧道施工條件惡劣，極易出現(xiàn)安全事故，洞口段地質(zhì)剖面如圖1所示。

2 風(fēng)險(xiǎn)分析

該山體在隧道未進(jìn)行開挖之前，斜坡適應(yīng)了原有的應(yīng)力狀態(tài)并處于平衡狀態(tài)。隧道洞口明挖施工時(shí)需要放坡開挖，相當(dāng)于對山體進(jìn)行掏腳，掏腳后形成了較大較高的臨空面，破壞了坡體原有的平衡狀態(tài)，改變了坡體的天然應(yīng)力狀態(tài)，使得坡體應(yīng)力重分布，臨空面應(yīng)力集中，為滑坡的形成創(chuàng)造了良好的臨空條件；前緣形成減載，減少了坡體前部的抗滑力，在遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，雨水將沿空隙及裂隙入滲，使坡體下部的原狀巖土體自重增加、力學(xué)強(qiáng)度降低，在排水不暢的情況下，還產(chǎn)生較大的靜水壓力，山體可能沿臨空面方向出現(xiàn)張拉裂縫、蠕動(dòng)變形甚至形成滑坡。

隧道暗洞開挖會(huì)進(jìn)一步擾動(dòng)山體，進(jìn)一步削弱殘存的抗滑力，將誘發(fā)潛在滑體加速發(fā)展，而山體的偏壓力大部分作用在襯砌支護(hù)上；隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)無法承擔(dān)過大的偏壓力，在淺埋條件下，極可能導(dǎo)致隧道塌方、冒頂，初期支護(hù)變形、踢腳、侵限，二次襯砌開裂等重大地質(zhì)災(zāi)害，在不利工況下容易被山體壓垮，掩埋洞口，進(jìn)而影響到隧道整體的安全和穩(wěn)定。

一旦發(fā)生這些地質(zhì)災(zāi)害，處理十分困難，風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高、耗時(shí)長，故當(dāng)出現(xiàn)類似隧道長淺埋偏壓情況時(shí)，應(yīng)考慮偏壓影響，并采取有力措施處理山體偏壓應(yīng)力。

3 數(shù)值模型

3.1 現(xiàn)場施工情況

隧道設(shè)計(jì)采用“蓋挖法”進(jìn)洞，通過偏壓擋墻及錨索抵抗偏壓應(yīng)力，路線設(shè)計(jì)標(biāo)高為511 m，山腳下方平坦田地標(biāo)高為496 m，高差約為15 m。隧道施工開挖為雙向掘進(jìn)，進(jìn)洞前需在進(jìn)口處施作施工平臺(tái)。由于隧道口距山腳平地高差較小，故而采用回填棄渣的方式搭建施工平臺(tái)。施工平臺(tái)施作后隧道剖面如圖2所示。隧道洞口處為橋隧相接，在隧道施工完成后，需對洞口施工平臺(tái)進(jìn)行清理，為橋梁施工預(yù)留空間，所以填筑平臺(tái)并不是永久工程，回填作為臨時(shí)反壓考慮。

3.2 數(shù)值模型的建立

采用Midas GTS NX軟件進(jìn)行建模分析，模擬比較山體原狀態(tài)與施工平臺(tái)施作后的安全系數(shù)，并采用地層結(jié)構(gòu)法分別模擬未填筑施工平臺(tái)及填筑施工平臺(tái)2種工況條件下隧道邊仰坡安全系數(shù)、隧道開挖襯砌變形受力情況，以及施工平臺(tái)清理后襯砌變形受力發(fā)展趨勢。幾何模型如圖2所示。

計(jì)算材料參數(shù)如表1所示：

4 效果分析

4.1 邊坡安全系數(shù)分析

通過計(jì)算，邊坡原狀態(tài)下安全系數(shù)為1.05，在填筑施工平臺(tái)狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)為1.18。由此可見，通過填筑施工平臺(tái)對邊坡安全系數(shù)有較為顯著的提升。根據(jù)圖3～4分析，填筑施工平臺(tái)后山體塑性區(qū)范圍比邊坡原狀態(tài)下塑性區(qū)范圍有所減小，潛在滑動(dòng)面穩(wěn)定性增大。

4.2 變形分析

根據(jù)圖5～8可知，在未進(jìn)行施工平臺(tái)填筑的情況下開挖隧道，直接開挖后山體整體位移較大，最大位移位于隧道右拱肩處，與襯砌最大變形位置相同，變形值達(dá)2 cm。在施工平臺(tái)填筑后開挖隧道，山體最大變形亦發(fā)生在右拱肩處，與襯砌最大變形位置相同，變形值為1.7 cm。隧道完工后為橋梁施工預(yù)留空間，開挖部分施工平臺(tái)，山體變形增大至1.9 cm左右。

4.3 襯砌受力分析

分別取不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、仰拱底進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表2～5所示。根據(jù)表2～5計(jì)算結(jié)果可知，偏壓情況下襯砌不利受力位置主要為左拱肩、左拱腰以及左拱腳處，其中左拱腳受力最為集中，安全系數(shù)最低，有施工平臺(tái)情況下左拱腳安全系數(shù)較無施工平臺(tái)時(shí)有顯著提升。開挖部分施工平臺(tái)，左拱腳安全系數(shù)小幅下降，將施工平臺(tái)全部清除后，隧道左拱腳處襯砌安全系數(shù)大幅下降，并小于無施工平臺(tái)時(shí)左拱腳的安全系數(shù)。

5 結(jié)語

本文依托廣西某高速公路山嶺隧道，通過數(shù)值模擬和理論分析手段，對淺埋偏壓情況下填筑施工平臺(tái)作為進(jìn)洞輔助措施的反壓效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到結(jié)論如下：

（1）淺埋偏壓段落隧道洞口位于山腳附近，與山腳平地高差不大時(shí)，通過填筑施工平臺(tái)可以對隧道洞口段坡體起到回填反壓的作用，并可有效提升山體安全系數(shù)，減小塑性變形區(qū)。

（2）淺埋偏壓條件下，隧道進(jìn)口段襯砌變形最大處位于外側(cè)拱肩，隧道襯砌受力最大處位于內(nèi)側(cè)拱腳，填筑施工平臺(tái)對隧道襯砌受力及變形可起到一定的改善作用。

（3）隧道洞口施工結(jié)束后，清除填筑施工平臺(tái)會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌安全系數(shù)大幅下降，在有條件的情況下，宜在完成隧道洞口淺埋偏壓段二次襯砌施工，監(jiān)控量測顯示穩(wěn)定后，再進(jìn)行施工平臺(tái)的開挖清除。

參考文獻(xiàn)：

［1］JTG 3370.1-2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程［S］.

［2］張 敏，黃潤秋，巨能攀.淺埋偏壓隧道出口變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16（4）：482-488.

［3］劉小軍，張永興.淺埋偏壓隧道洞口段合理開挖工序及受力特征分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（1）：3 066-3 073.

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［6］吳學(xué)智，王 建，楊保全，等.某強(qiáng)傾倒變形體內(nèi)淺埋偏壓洞口段的隧道變形分析及處治技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)，2015，35（7）：721-726.