摘要：文章以某公路隧道穿越不良地質(zhì)堆積體為依托，采用數(shù)值分析方法模擬隧道開挖支護過程，對不良地質(zhì)堆積體隧道洞口段進行了穩(wěn)定性分析，通過對比不良地質(zhì)堆積體隧道處治前后的模擬結(jié)果，獲得了泥質(zhì)粉砂巖堆積體隧道襯砌的應(yīng)力變形規(guī)律。相關(guān)研究成果對類似不良地質(zhì)隧道工程建設(shè)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：堆積體；隧道；數(shù)值模擬；微型樁注漿；穩(wěn)定性分析

U452.2+7A391223

0 引言

為了實現(xiàn)交通強國目標，補齊西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施短板，近年來西部省區(qū)公路得到快速發(fā)展，大量的隧道被設(shè)計建造。受限于路線走廊、地形地貌、地質(zhì)水文、投資規(guī)模等控制因素的影響，隧道不可避免地穿越一些不良地質(zhì)地段。

堆積體成因復(fù)雜，國內(nèi)一些學(xué)者［1-3］對堆積體邊坡成因機制和破壞機理進行了詳細的分析研究。雖然在天然狀態(tài)下堆積體是處于平衡狀態(tài)，但是堆積體組成物質(zhì)不均且堆積體接觸面材料差異，在工程擾動時極易出現(xiàn)滑動風險。為了攻克建設(shè)瓶頸，國內(nèi)一些學(xué)者研究分析了隧道邊仰坡穩(wěn)定性規(guī)律。譚昌榮、董永、曹亮宏等［4-6］采用強度折減法分析了堆積體邊坡的失穩(wěn)破壞機理，并提出了治理措施。唐小富等［7］采用極限分析上限法對隧道邊仰坡的自重做功功率與內(nèi)能耗散功率進行推導(dǎo)，得出了臨界高度公式，分析了不同土體參數(shù)對邊仰坡穩(wěn)定性的影響。張梅等［8］依托安徽某隧道洞口山體滑坡工程案例，通過最危險滑動面穩(wěn)定系數(shù)計算，分析了隧道洞口滑坡產(chǎn)生的主要原因。彭富強等［9］則研究了樹根樁在隧道進出口松散堆積體加固中的應(yīng)用。

針對泥質(zhì)粉砂巖不良地質(zhì)堆積體隧道，本文采用有限元分析方法對隧道開挖支護進行數(shù)值模擬，研究了不良地質(zhì)堆積體隧道洞口段穩(wěn)定性規(guī)律，相關(guān)研究結(jié)果對類似不良地質(zhì)堆積體隧道工程建設(shè)具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

某高速公路隧道穿越地質(zhì)為強～中風化三疊系上統(tǒng)平垌組泥質(zhì)粉砂巖。隧道出口處為舌狀堆積體，走向約為70°，地面坡度約為10°，約1 000 m2，最大揭露厚度約為25 m，成分主要為黏性土和中風化泥質(zhì)粉砂巖碎石，呈稍密狀。距離隧道洞口42～68 m為堆積體與中風化交界區(qū)段，地表未發(fā)現(xiàn)裂縫。堆積體南、西、北側(cè)山坡較陡，坡度為40°～60°，堆積體兩側(cè)為沖溝。施工開挖會破壞原有的應(yīng)力狀態(tài)，若處治不當，極易導(dǎo)致大面積的崩塌。見圖1。

隧道設(shè)計時速為100 km/h，采用三心圓設(shè)計，拱部圓半徑為5.8 m，內(nèi)輪廓最大寬度為11.6 m，內(nèi)輪廓高為9.0 m。設(shè)計型式為小凈距隧道，左線長1 090 m，右線長1 110 m，設(shè)計高程約為405～431 m，最大埋深為110 m。洞身采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，明洞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

隧道ZK77+640～ZK77+692/K77+660～K77+720區(qū)段采用微型樁注漿加固。微型樁設(shè)計為89 mm×5 mm鋼花管，管壁鉆8 mm出漿孔，出漿孔間距為25 cm，鋼花管端部加工成錐形。微型樁采用梅花形布置，布設(shè)間距為1.5 m×1.5 m。

2 數(shù)值分析

2.1 模型的建立

本次研究采用Midas NX有限元軟件模擬泥質(zhì)粉砂巖堆積體隧道開挖支護。結(jié)合堆積體勘測及穩(wěn)定性影響范圍，模型尺寸擬定為650 m（長）×530 m（寬）×395 m（最高）。模型地層為四面體實體單元，隧道襯砌結(jié)構(gòu)為殼單元。見圖2。

邊界條件：地表頂部為自由面；X=-265 m、X=265 m面約束單元X方向位移；Y=0 m、Y=650 m約束Y方向位移；Z=0 m采用固定端約束。

2.2 模型參數(shù)

模擬地層從上到下依次為強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖，堆積體為黏性土和風化泥質(zhì)粉砂巖碎石。模型通過在計算過程中改變巖土性質(zhì)模擬微型樁注漿，微型樁注漿模擬寬度范圍為洞口段K77+720～K77+670隧道輪廓線左側(cè)6 m至ZK77+692～ZK77+6400隧道輪廓線右側(cè)6 m。模型單元物理性質(zhì)如表1所示。隧道開挖支護以15 m步距分段模擬。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 變形分析

通過建立微型樁注漿處治與未采用微型樁注漿處治兩個模型進行計算，分別提取距離隧道洞口0 m、25 m、50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、175 m、200 m、225 m、250 m、275 m、300 m、325 m、350 m、375 m隧道斷面拱頂變形數(shù)據(jù)，得到如圖3、圖4所示左右線隧道洞口段襯砌頂部變形曲線。

由圖3、圖4可知，未注漿狀況下，受邊仰坡開挖影響，隧道洞口25 m范圍影響最明顯；在距離隧道洞口50～125 m區(qū)段受堆積體影響形成襯砌變形波峰，在距離隧道洞口90 m位置達到區(qū)段峰值；往洞身方向大于125 m，隧道襯砌變形趨于穩(wěn)定。隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形受堆積體影響范圍約為堆積體長度的2倍。對比微型樁注漿處治與未處治兩種狀況隧道的變形曲線可知，未進行處治時，左線隧道洞口段最大變形量達到390.3 mm，右線隧道洞口段最大變形達到542.5 mm；采用微型樁注漿處治后，左線隧道洞口段最大變形量下降為6.2 mm，右線隧道洞口段最大變形量則下降為16.8 mm。隧道洞口區(qū)段邊仰坡變形得到較好的控制，受堆積體段影響，在距離隧道洞口50～125 m區(qū)段仍然形成襯砌變形波峰。

2.3.2 應(yīng)力分析

隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小與隧道結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，可反映微型樁注漿對堆積體隧道的處治效果。通過數(shù)值模擬分析微型樁注漿處治與未處治兩種狀況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，得到如圖5、圖6所示襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。由圖5～6可知，未采用微型樁注漿處治時，左線隧道襯砌最大應(yīng)力達到7 492.19 kN/m2，右線隧道襯砌最大應(yīng)力達到9 598.76 kN/m2；采用微型樁注漿處治時，左線隧道襯砌最大應(yīng)力降低為6 224.17 kN/m2，右線隧道襯砌最大應(yīng)力達到7 954.50 kN/m2，微型樁注漿處治使隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低約17%。

2.4 結(jié)果對比

整理隧道拱頂變形現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬結(jié)果，繪制得到襯砌變形數(shù)值模擬-現(xiàn)場監(jiān)測對比曲線如下頁圖7、圖8所示。從變形總體分布規(guī)律上分析可發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌變形數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果一致，較大變形出現(xiàn)在洞身區(qū)段，隧道洞口區(qū)段變形得到較好的控制?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，洞身區(qū)段襯砌變形較大，左線拱頂最大變形量達到225.2 mm，右線拱頂最大變形量達到201.3 mm。由于隧道開挖支護各工序存在時間間隔，隧道仰拱初期支護成環(huán)快速完成，因此隧道中部沉降變形量較數(shù)值模擬更大。

3 結(jié)語

本文以某高速公路隧道穿越不良地質(zhì)堆積體為依托，通過數(shù)值分析方法模擬隧道開挖支護全過程，對不良地質(zhì)堆積體隧道洞口段進行了穩(wěn)定性分析，研究了洞口不良地質(zhì)堆積體段隧道結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力變化，形成以下結(jié)論。

（1）泥質(zhì)粉砂巖堆積體不良地質(zhì)對隧道的影響范圍約為堆積體長度的2倍；在堆積體區(qū)段影響范圍內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)形成兩端大中間小的變形規(guī)律。

（2）采用微型鋼管樁注漿處治可較好控制洞口堆積體段隧道襯砌內(nèi)力及變形，微型鋼管樁注漿處治后隧道變形較大區(qū)段位于堆積體與中風化泥質(zhì)粉砂巖交界區(qū)段。

（3）隧道變形數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果數(shù)值上存在一定差別，但是總體分布規(guī)律基本一致，對于后續(xù)類似隧道工程處治及結(jié)構(gòu)加強具有一定的參考價值。

參考文獻：

［1］鄧華鋒，朱 敏，原先凡，等.某大型堆積體邊坡成因機制分析及治理措施研究［J］.巖土力學(xué)，2013，226（S1）：285-292.

［2］徐文杰.大型土石混合體滑坡空間效應(yīng)與穩(wěn)定性研究［J］.巖土力學(xué)，2009，171（S2）：328-333.

［3］楊繼紅，董金玉，劉漢東，等.某水電站左壩肩上方堆積體成因機制分析及穩(wěn)定性評價［J］.巖土力學(xué)，2009，171（S2）：408-413.

［4］譚昌榮，梁壽興，董耀鵬，等.松散巖堆體隧道施工中邊仰坡支護效果研究［J］.公路，2020，65（11）：366-372.

［5］董 永，張子新.強度折減法進行公路隧道邊仰坡穩(wěn)定性分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2007，22（S1）：1 279-1 283，1 318.

［6］曹亮宏，盧自立.隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性分析［J］.中外公路，2013，209（4）：244-246.

［7］唐小富，吳 衛(wèi)，王 亮.隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性分析及防護［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2014，58（2）：106-110.

［8］張 梅，張 晟，張久偉.安徽某隧道洞口山體滑坡分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004（3）：155-156.

［9］彭富強，袁 航，易金華.樹根樁在隧道進出口松散堆積體加固中的應(yīng)用［J］.中外公路，2012，201（3）：35-37.