王 盼 王懷正 宋戰(zhàn)平 甘浪菊 梅舒杰

(1.中國水利水電第七工程局有限公司, 成都 611130; 2.西安建筑科技大學土木工程學院, 西安 710055; 3.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室, 西安 710055)

隧道在選線時通常會根據實際情況避開老滑坡、斷層、不穩(wěn)定巖體等地段,采取改線繞避、深埋隧道等方式加以解決。但隨著城市隧道的增加,施工區(qū)域周邊環(huán)境愈加復雜,隧道不可避免地要穿過滑坡地帶,為保證隧道的正常施工及運營,通常采用先整治滑坡再修建隧道等技術手段。由于隧道所處巖土體水文地質環(huán)境的變化,洞周圍巖在長期地應力、地下水及降雨作用下,自身強度不斷降低,產生沿節(jié)理裂隙等軟弱面產生土體滑動。因而在滑坡地段,隧道支護結構通常呈偏壓狀態(tài),隧道襯砌易產生開裂、仰拱隆起,嚴重影響行車安全。[1-3]因此,對滑坡地段隧道受力變形問題進行深入研究,是一項十分必要而又緊迫的工作。

近年來,許多學者對不同隧道施工環(huán)境下,隧道支護結構的受力及變形特征進行了一系列的研究。范志遠對大斷面土質隧道支護結構內力展開研究,建議施工過程中應及時將襯砌結構封閉成環(huán)以改善結構整體應力及位移狀態(tài)。[4]張藝騰等研究膨脹性黃土局部遇水發(fā)生膨脹作用對隧道支護安全性的影響,認為支護結構拱部及仰拱處受膨脹作用影響較大。[5]文獻[6-7]針對下穿巖堆段隧道襯砌開裂等問題,提出帶有豎向支撐的中隔壁法或雙側壁導坑法更能保證隧道變形穩(wěn)定。為保證隧道運營期間的穩(wěn)定性,田鵬研究了高地應力條件下軟巖隧道二襯的受力特征,得到了初支與二襯接觸壓力隨時間發(fā)展的變化規(guī)律。[8]楊軍平等得出圍巖在干濕循環(huán)條件下的圍巖應力及襯砌應變-時間關系曲線。[9]馮文文等研究了襯砌厚度變化對襯砌安全系數和結構穩(wěn)定性的影響規(guī)律。[10]對監(jiān)測結果進行分析不僅可以反映襯砌特征,還能對施工過程中的薄弱部位進行及時補強。為此,張德華等利用現(xiàn)場監(jiān)測手段明確了雙層支護結構受力變形規(guī)律。[11]趙勇等提出采用剛度較大的初期支護鋼拱架較格柵鋼架可分擔更多的圍巖壓力,能夠顯著改善支護體系內力分布狀態(tài)。[12]丁祖德等對超前支護力學模型進行改進,引入空間效應,對管棚施工參數的合理性進行分析。[13]

就目前而言,國內外學者對不同地質條件、不同工況下隧道支護結構受力及位移特征進行了大量分析,如軟弱地層、滑坡地帶、大斷面隧道等。但在昔格達地質隧道-邊坡體系下,剪斷原有抗滑樁工況的隧道支護結構受力及位移特征還尚未研究,對穿越既有抗滑樁隧道支護結構受力及變形特征的研究具有一定的科學意義和工程價值。因此。以陽光隧道為工程背景,采用數值模擬分析隧道支護結構受力及變形特征,并預測支護結構薄弱環(huán)節(jié)。

1 工程背景

攀枝花市具有南亞熱帶—北溫帶的多種氣候類型。四季不分明,夏季長,年平均氣溫高,晝夜溫差大,市內年平均氣溫為19.2～20.3 ℃。

項目位于攀西科技城規(guī)劃區(qū)內,主要建設規(guī)模及內容包括陽光大道金家溝至炳三區(qū)道路,里程長度約3.57 km(城市主干路),設計速度為60 km/h,雙向四車道,道路寬度為20～40.5 m,項目包括跨線立交1處(橋長為227 m),超小凈距隧道2座(K2+830～K3+324),總長988 m;分離式單洞隧道2座(左線K4+232～K5+895,右線K4+235～ K6+240),總長3 668 m。其中,陽光隧道位于陽光大道北部,左線起止里程為K4+232～K5+895,全長1 663 m。

圖1 陽光隧道地理位置

隧洞出口段所穿越的地層主要由昔格達泥巖(極軟巖)、粉砂巖組成,隧道上部覆蓋層為人工填土。昔格達組地層是一種分布于我國西南地區(qū)的河湖相沉積半成巖,水穩(wěn)性差,遇水易泥化、崩解,強度大幅度降低。在隧道開挖過程中易產生圍巖大變形,初期支護結構開裂、掉塊、坍塌冒頂等災害事故,因此隧道施工難度較大、風險高。

隧道左線出口橫穿仰坡下部樁板墻結構,必須首先剪斷既有仰坡抗滑樁,才能進行隧道施工,并且陽光隧道出口及淺埋段為下穿既有建筑物施工。隧道施工擾動四周地層,使隧道支護結構受力更加復雜。為探究在該工況下隧道施工穩(wěn)定性,將利用Midas GTS NX模擬隧道開挖,對隧道支護結構變形及受力進行分析,并結合現(xiàn)場監(jiān)測數據驗證。

2 施工方案

因隧道施工須斜穿既有抗滑樁,為保障隧道明挖洞口段邊坡的穩(wěn)定,采用扶壁式擋土墻+旋挖鉆孔灌注樁結構替換原有邊坡既有抗滑樁結構,根據隧道線路和邊坡位置布置旋挖鉆孔灌注樁,在灌注樁上施工扶壁式擋土墻,在擋土墻墻面板與原抗滑樁之間植筋,形成共同受力體以保障隧道洞口段施工安全。隨后隧道采用交叉中隔墻法(CRD法)掘進,掘進至抗滑樁處采用機械切割原有抗滑樁混凝土內鋼筋,鑿斷抗滑樁。

3 數值模型

現(xiàn)場采用扶壁式擋墻+樁基礎置換的方式提高邊坡整體安全穩(wěn)定。模擬分析采用Midas GTS NX對陽光隧道左線K5+807～K5+907段進行。分析隧道在掘進過程中支護結構的動態(tài)穩(wěn)定性。預測隧道支護結構的破壞方式及薄弱部位。

3.1 模型描述及參數

為充分考慮模型的邊坡、隧道開挖及支護體系的邊界效應,確定模型尺寸為100 m×90 m×70 m(寬×長×高),如圖2所示。模型中土體、轉換體系的樁+板+肋、既有抗滑樁采用三維實體單元,新建隧道襯砌結構、邊坡格構梁(等效后)采用殼單元模擬,既有邊坡錨桿則采用植入式桁架單元模擬,管棚剛性等效為三維單元加固區(qū)。模型中土體采用理想彈塑性本構模型,遵循Mohr-Coulomb屈服準則,因洞口段施工期為攀枝花旱季,忽略降雨影響,僅考慮隧道施工對洞口段邊坡的擾動效應及隧道支護結構安全性。根據地質勘察報告,相關材料參數如表1所示。

表1 模型材料參數

圖2 三維有限元模型 m

3.2 模型描述及參數

在初始階段激活土層和置換樁等邊坡支護結構,并進行位移清零,開挖順序為左上導洞Ⅰ、左下導洞Ⅱ、右上導洞Ⅲ、右下導洞Ⅳ,如圖3所示。支護結構滯后一個施工步后激活。右下導洞初期支護完成10 m后開始拆除臨時鋼支撐。重復以上步驟至施工完成,CRD法開挖共包含79個施工步。在模型中選取兩個破樁區(qū)斷面X1、公路淺埋段斷標面X2進行分析計算,每個斷面設置拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻等5個監(jiān)測點,各監(jiān)測點布置如圖4所示。

圖3 施工順序 m

圖4 測點布置

4 模擬結果及分析

4.1 坡體位移變形特征分析

由于隧道洞口段施工環(huán)境復雜,為探討陽光隧道施工對邊坡穩(wěn)定性的影響,分析隧道開挖完畢后地表位移。由圖5a可知:地表變形最大值位于抗滑樁破樁區(qū),變形值為26.72 mm。根據地表變形最大值分布特征,選取破樁區(qū)斷面(特征線X1)分析隧道開挖對該特征線地表沉降的影響,如圖5b。由圖5b可知:剪樁施工對破樁區(qū)地表沉降影響較大,由于右側土層較厚且隧道處于偏壓狀態(tài),右側地表沉降相對于左側地表沉降較大,其沉降影響范圍也較大。

a—地表變形,mm; b—破樁斷面X1地表沉降。

4.2 支護結構位移分析

圖6為斷面超前支護隨隧道開挖時的變形趨勢。由于邊坡與隧道呈斜交狀態(tài),管棚沿坡體斜向注漿,X1斷面管棚左側為C20混凝土回填。X1斷面在邊坡土體移動的影響下,管棚呈不對稱變形,隨著隧道開挖管棚產生向左側的整體位移。X1斷面左側管棚擠出隧洞輪廓線外,右側擠入隧洞輪廓線內。位移最大值位于管棚左側,為35.35 mm,拱頂處位移值為31.78 mm。

a—X1斷面; b—X2斷面。

X2斷面產生向下的整體位移。拱頂處擠入隧道輪廓線內,兩側擠出隧道輪廓線外。拱頂處位移值為36.31 mm,左、右兩側位移值分別為22.65,26.07 mm。

圖7為斷面超前支護隨隧道開挖時的變形趨勢。由于隧道開挖產生臨空面造成周圍巖土體變形,初期支護在圍巖擠壓下產生擠壓變形。在X1斷面下,初期支護變形也呈不對稱分布,右拱腰處由于抗滑樁剪斷,抗滑力下降造成土體向隧洞內擠壓,該處初期支護向隧洞內部變形,變形值為30.43 mm,拱頂及左側支護向隧洞外變形,拱頂、左拱腰、左邊墻處變形值分別為27.17,34.36,17.97 mm。

a—X1斷面; b—X2斷面。

由圖7b可知:X2斷面下,初期支護變形呈對稱分布,這表明該斷面邊坡土體滑動對隧道影響較小,隧道已逐漸進入公路淺埋段。拱頂及仰拱處支護結構向隧道內部變形,邊墻處向隧道外部變形。拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻處支護結構變形分別為37.56,20.47,27.58,32.04,37.32 mm。

4.3 支護結構內力分析

為分析隧道穿越既有抗滑樁下,邊坡巖土體滑動對隧道支護結構的受力影響,對破樁區(qū)斷面支護結構內力進行分析,初期支護內力如圖8所示。

a—X1斷面彎矩,kN·m; b—X1斷面剪力,kN; c—X1斷面軸力,kN。

由圖8a所示:初期支護彎矩在深埋側較大,右拱腰及右邊墻處彎矩分別為-394.84,333.43 kN·m;左側拱腰處彎矩值較大,為801.92 kN·m,這是由于該處為C20混凝土回填與管棚交界處形成應力集中。左邊墻處彎矩較小,為86.18 kN·m,拱頂處彎矩值為155.00 kN·m。由圖8b可知:支護結構相應左拱腰處剪力、軸力值遠遠大于其他監(jiān)測點,該處剪力值為-1 038.24 kN。拱頂、左邊墻、右拱腰、右邊墻處剪力值較小,剪力值分別為78.96,47.20,2.01,-106.27 kN。由圖8c可知:左拱腰處軸力值出現(xiàn)變號,除初期支護左拱腰呈受拉狀態(tài)外,其余各點均呈受壓狀態(tài)。軸力最大值位于左拱腰處,為-1 609.47 kN。

圖9為X2斷面初期支護內力云?？芍?X2斷面初期支護內力呈對稱分布,表明隧道逐漸開挖至公路淺埋段,施工穩(wěn)定性主要影響由邊坡滑動轉移至隧道開挖。由圖9a可知:拱部彎矩呈負值,拱頂處彎矩值為-182.78 kN·m,左、右拱腰處彎矩值分別為-175.17,-264.10 kN·m。邊墻處彎矩值較大,呈正值,左、右邊墻處彎矩值分別為625.33,563.68 kN·m。由圖9b可知:支護結構在邊墻角處形狀發(fā)生急劇變化,產生應力集中造成初期支護邊墻角處剪力較大。其中,左、右邊墻處剪力值分別為119.02,-133.98 kN;左、右拱腰處剪力值分別為161.61,-89.22 kN;拱頂處剪力值為-9.56 kN。由圖9c可知:初期支護軸力值由上到下呈增加趨勢,拱頂處軸力值最小,為-992.23 kN;左、右邊墻處軸力值最大,分別為-2 263.69,-2 228.87 kN。左、右拱腰處軸力值分別為-1 622.84,-1 589.33 kN。

a—X2斷面彎矩,kN·m; b—X2斷面剪力,kN; c—X2斷面軸力,kN。

4.4 臨時支護拆除對初期支護的影響

由于臨時支護拆除后,初期支護產生應力重分布,為探究臨時支護拆除對支護結構穩(wěn)定性的影響,對支護結構臨時支護拆除前、后應力分布進行分析,如圖10、圖11所示。

a—臨時支護拆除前; b—臨時支護拆除后。

a—臨時支護拆除前; b—臨時支護拆除后。

圖10為X1斷面臨時支護拆除前、后支護結構最大主應力受力分布。可知:臨時支護拆除前最大拉應力位于拱頂處,為37.472 MPa,這與支護結構內力相對應。最大壓應力位于左側邊墻處,為-1.719 MPa。隨著臨時支護拆除,初期支護應力分布發(fā)生轉變,拉應力最大值增大,壓應力最大值減小。最大拉應力轉移至仰拱處,為70.123 MPa。最大壓應力轉移至左拱腳處,為-1.054 MPa?？梢?支護結構拱部與仰拱處為薄弱點。

圖11為X2斷面臨時支護拆除前后,支護結構最大主應力受力分布?？芍?臨時支護拆除前最大拉應力位于拱頂處,為26.929 MPa,最大壓應力位于左側邊墻處,為-3.589 MPa,與X1斷面一致。臨時支護拆除后,初期支護最大主應力均呈正值,最大值轉移至仰拱處,為106.131 MPa。

5 現(xiàn)場監(jiān)測分析

為研究在扶壁式擋墻+樁基礎置換加固下隧道施工過程中的圍巖壓力演化特征以及支護結構的安全程度,在隧道出口段選擇K5+830斷面監(jiān)控圍巖變形規(guī)律及初支圍巖壓力。每個斷面設置5個監(jiān)測點,分別為拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻。隧道施工開挖至二襯施作完畢時監(jiān)測頻率為1次/d,二襯施作完畢后監(jiān)測頻率為1次/3 d。

由圖12可知:由于圍巖呈偏壓狀態(tài),兩側變形呈非對稱性,拱頂處沉降值為15.84 mm,左、右拱腰及左、右邊墻處凈空收斂值分別為14.83,13.81,12.40,3.55 mm,左拱腰處變形值最大,圍巖變形值均滿足施工設計控制值(50 mm)。由監(jiān)測數據和模擬結果對比可知:監(jiān)測結果小于模擬數據,這是由于監(jiān)測結果為監(jiān)測點橫向或豎向位移,數值結果為監(jiān)測點橫向及豎向的合位移。但圍巖變形規(guī)律與數值模擬一致,表明模擬結果符合實際,數值模擬仍然是評價施工方法可行性的有效途徑。

初期支護和圍巖壓力時程曲線如圖13所示?？芍?各監(jiān)測點壓力值分布不均。其中,拱頂處接觸壓力最大,支護結構右側壓力大于左側,左邊墻處壓力最小。分析監(jiān)測數據可知:拱頂處接觸壓力穩(wěn)定時間長,在扶壁式擋墻+樁基礎置換施工開始后的30 d內呈持續(xù)增長趨勢,隨著后續(xù)仰拱開挖壓力逐漸穩(wěn)定,斷面最終穩(wěn)定值為268.60 kPa。K5+830斷面左拱腰圍巖壓力在第1～12天內為負值,造成這種現(xiàn)象的主要原因是初期支護與圍巖之間存在較大的空腔,導致監(jiān)測壓力小于初始設定壓力。隨著深埋側土體開挖,左拱腰初支后部空腔逐漸致密,接觸壓力增大形成正值。在第35天后完成圍巖壓力釋放,最終穩(wěn)定值為92.58 kPa。

左邊墻壓力值在扶壁式擋墻+樁基礎置換施工開始后的第1天跨越式增大,隨后呈線性增大,在第35 天時達到穩(wěn)定,穩(wěn)定值為64.44 kPa。右拱腰壓力值出現(xiàn)波動,這是由于后續(xù)施工造成圍巖松動。右拱腰最大圍巖壓力為119.86 kPa。右邊墻圍巖壓力在第21天后達到穩(wěn)定,穩(wěn)定值為134.37 kPa。

6 結束語

依托攀枝花市陽光隧道滑坡-隧道體系實體工程,采用數值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法對抗滑樁剪斷導致滑坡影響下隧道支護結構變形和受力特性進行了分析,得出如下結論:

1)隧道在開挖過程中,超前支護管棚產生整體位移,在偏壓狀態(tài)下,管棚向淺埋側移動,最大位移值為35.35 mm。在公路淺埋段,管棚產生整體向下移動,最大變形值為36.31 mm。

2)初期支護產生擠壓變形,X1斷面右側向隧洞內部擠壓,左側向隧洞外部擠壓。最大變形位于左拱腰處,最大值為34.36 mm。

3)支護結構左拱腰處受應力集中影響,彎矩、剪力值均較大,最大值分別為801.92 kN·m、-1 038.24 kN。軸力值在該處出現(xiàn)變號。

4)臨時支護拆除對拱頂及仰拱處最大主應力變化影響較大,在隧道臨時支護拆除時應加大拱頂及仰拱處的監(jiān)測密度。就初期支護接觸壓力監(jiān)測結果而言,各監(jiān)測點壓力值分布不均。其中,拱頂處接觸壓力最大,支護結構右側壓力大于左側,左邊墻處壓力最小。拱頂處接觸壓力在扶壁式擋墻+樁基礎置換施工開始后的30 d內呈持續(xù)增長趨勢,穩(wěn)定時間較長,后續(xù)施工應加強拱頂處監(jiān)測密度。