祝 歡,吳 濤,周小涵,張吉祿,劉瀚之,張馨元

(1.南京市公共工程建設中心,江蘇 南京 210019; 2.重慶大學土木工程學院,重慶 400045;3.重慶大學山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室,重慶 400045)

0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展,以“十縱十橫”為背景的綜合交通運輸體系正日趨完善,其中隧道工程因為具備縮短行車距離、克服高程差、利于環(huán)保等優(yōu)點成為交通網(wǎng)絡中極為重要的一環(huán)[1]。然而,由于我國山地、丘陵面積占比較高,在工程選址選線條件約束下,淺埋偏壓連拱隧道逐漸成為隧道建設中較為常見的類型之一[2]。通常來說,淺埋偏壓隧道的上覆土層較薄、圍巖強度較低,其開挖會對邊坡產生很大影響,特別是在軟弱地層背景下,洞口處坡體與隧道的整體穩(wěn)定性難以得到保障[3]。

目前,國內外學者就隧道洞口處的邊坡穩(wěn)定性問題進行了大量研究。蔣楚生[4]利用反分析法確定了邊坡的最危險滑動面,并對二郎山隧道的安全系數(shù)進行了計算分析;劉小兵等[5]根據(jù)不同地層條件,將多種土質的圓弧破壞面轉動平衡分析方法應用到隧道洞口處邊仰坡的穩(wěn)定性分析中,從而判斷出最危險的滑動面;趙金等[6]以我國西部地區(qū)大量公路隧道為背景,將隧道與洞口滑坡體系分為與滑面相交和下穿滑體2種模式,并指出與滑面相交的隧道會直接受到剩余滑坡推力作用,而下穿滑體的隧道則主要承受附加荷載影響,并在附加荷載作用下易產生拉張裂縫,進而發(fā)生壓饋破壞;柳墩利[7]運用模型試驗的方法對隧道掌子面推進工程中邊坡與隧道圍巖和應力變化情況進行了研究,得出當隧道開挖完成后拱頂處于臨空狀態(tài)時邊坡穩(wěn)定性受到的影響最大這一結論,從而提出先治坡后進洞的施工建議;李榮建等[8]利用一種側向加載模型箱,對隧道是否被邊坡潛在滑動面貫穿的2種工況下坡體的受力及變形情況進行了分析,指出邊坡潛在滑動面會增大隧道臨近坡面?zhèn)裙澳_處的失穩(wěn)風險。而在數(shù)值模擬方面,張永興等[9]利用FLAC3D軟件對某淺埋偏壓隧道進口段進行了動態(tài)施工分析,得出洞口處邊仰坡變形規(guī)律,并提出及時施作仰拱和二次襯砌的工程建議;王軍等[10]采用改進的黏彈塑性模型,利用有限差分法對山區(qū)邊坡和坡頂隧道進行聯(lián)合穩(wěn)定性分析,確定了邊坡潛在滑動帶和隧道影響區(qū);張偉等[11]采用非線性有限元法對寶雞天水高速公路碼頭隧道洞口邊坡進行了分析,探討了該坡段的變形和塑性區(qū)分布特征,從而得到了滑動面;邵珠山等[12]分析了不同坡角、不同隧道開挖位置條件下邊坡的穩(wěn)定性情況,并指出隧道開挖距坡面越遠,邊坡受到擾動越小;陳沖等[13]、黎慧珊等[14]、鄭明新等[15]、郭義飛[16]分別探討了錨桿、抗滑樁、注漿及生物護坡等措施對邊坡的加固效果。

然而,目前對長江中下游地區(qū)河漫灘軟弱土層地質背景下,大跨淺埋偏壓連拱隧道的洞口段變形規(guī)律研究不足,尚未探明不同邊坡角度和隧道埋深條件下坡體的穩(wěn)定性情況及邊坡-隧道的破壞模式隨隧道開挖的發(fā)展規(guī)律,難以采取針對性加固措施保證工程安全?；诖?本文以南京市烏龍山雙連拱隧道為背景,采用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型,模擬分析了不同邊坡角度和隧道埋深條件下隧道施工過程中進洞口處邊坡的安全系數(shù)變化特征及潛在破壞面發(fā)展規(guī)律,并提出相應的施工建議,研究成果可為類似工程建設提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

烏龍山隧道位于南京市仙新路過江通道南岸、疏港大道北側,為過江通道中十分重要的節(jié)點工程。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔探測結果及區(qū)域地質資料顯示,隧道施工區(qū)域的地勢起伏很大,主體由走向為東北～西南分布的一級隆起帶和沉降帶組成,為構造剝蝕殘丘地貌。隧道開挖范圍內填土成分包括道路路基及建筑垃圾,工程性質差,填土下主要為軟塑～硬塑狀粉質黏土,厚度在5～30m,粉質黏土多為中等壓縮性土,透水性較弱。下伏基巖主要包括白堊系葛村組礫巖及泥質粉砂巖,全、強風化帶發(fā)育,隧道圍巖級別以V級為主,局部地區(qū)為Ⅳ級。隧址區(qū)地貌特征如圖1所示。

圖1 隧道地質縱斷面示意

1.2 工程設計概況

烏龍山隧道總體呈南北走向,起止樁號為K5+890—K6+137,設計為雙向6車道連拱隧道。隧道總長為247m,跨度為33.3m,凈高為10.9m,最大埋深僅35m。隧道洞口段位于滑坡體上,其進出口50～70m 范圍均為淺埋偏壓段,地形橫坡陡峭且存在結構局部外露現(xiàn)象。尤其對于K5+920—K5+960段而言,其最淺埋深<4m,若貿然對洞口段進行開挖易發(fā)生隧道圍巖失穩(wěn)及坡體滑移現(xiàn)象。隧道洞口段地形如圖2所示。

圖2 隧道洞口段施工

2 有限元模型建立

2.1 模擬工況設計

為了研究長江中下游河漫灘軟弱土層地質背景下,淺埋偏壓連拱隧道開挖時進洞口段的安全穩(wěn)定性特征,本文分別建立邊坡角度為30°,45°,60°及隧道埋深為0.5h,h,1.5h(h為隧道洞高)條件下的二維數(shù)值模型,計算分析其邊坡安全系數(shù)與潛在破壞模式,并與無隧道開挖時的天然邊坡進行比較。隧道開挖過程簡化為全斷面開挖,施工工序主要包括:①隧道淺埋側(左洞)開挖;②隧道淺埋側(左洞)施作襯砌;③隧道深埋側(右洞)開挖;④隧道深埋側(右洞)施作襯砌,共計12種工況,各工況類型具體如表1所示。

表1 模擬方案工況

2.2 模型參數(shù)選取

本計算模型圍巖材料采用Mohr-Column準則,隧道支護結構設置為彈性材料。土體及支護參數(shù)根據(jù)相關地質勘察資料及JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》[17]確定,具體如表2所示。

表2 土體及支護結構物理力學參數(shù)

2.3 強度折減方案

有限元強度折減法的基本原理是將邊坡土體的重力加速度視為常數(shù),將土體的抗剪強度參數(shù)c和tanφ除以相同的折減系數(shù)Fs,從而折減得到1組新的參數(shù)c1和φ1,并把折減后的土體參數(shù)作為新的計算參數(shù)代入有限元模型中重新計算,經過多次循環(huán)后使得邊坡土體達到極限平衡狀態(tài),而后失穩(wěn)破壞,破壞時所對應的折減系數(shù)Fs和破壞面可被認定為邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)與失穩(wěn)滑動面[18-19]。

通常而言,當有限元程序計算不收斂且坡體中出現(xiàn)塑性貫通區(qū)時[20],可認為邊坡達到破壞狀態(tài)。而在本工程中,為了考慮隧道開挖的效應,將隧道臨時支護強度和邊坡土體的強度參數(shù)同時進行折減,折減公式如式(1)、式(2)所示,具體折減參數(shù)如表3所示。

(1)

表3 土體及臨時支護折減參數(shù)

(2)

2.4 模型建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對烏龍山隧道洞口段進行建模分析。模型長140m、高66m,其中邊坡高度為36m,邊坡角度依次為30°,45°,60°,隧道拱腳處與坡腳平行,中導洞洞寬約5m,主洞洞跨約14m,埋置深度分別為洞高的0.5～1.5倍。隧道施工順序均為淺埋側(左洞)開挖—淺埋側(左洞)支護—深埋側(右洞)開挖—深埋側(右洞)支護,具體設計參數(shù)及開挖過程如圖3,4所示。

圖3 數(shù)值計算模型示意(單位:m)

圖4 隧道施工流程示意

模型左、右兩側施加水平約束,下邊界施加固定約束,上部考慮為自由面。模型網(wǎng)格劃分采用CPE4 四結點雙線性平面應變四邊形單元,隧道開挖采用單元生死法。

3 淺埋偏壓連拱隧道洞口段開挖坡體穩(wěn)定性分析

3.1 30°坡角下邊坡安全系數(shù)

洞口段邊坡隨隧道開挖產生的安全系數(shù)發(fā)展曲線如圖5a所示,當坡角為30°時,邊坡在天然工況下的安全儲備較高,其穩(wěn)定性安全系數(shù)為2.422。而在隧道開挖階段,邊坡安全系數(shù)較開挖前呈現(xiàn)出先減小再增大趨勢,其中深埋側隧道(右洞)施工階段的安全系數(shù)比淺埋側隧道(左洞)更高。這主要是因為隧道開挖時,洞室周邊的圍巖及邊坡土體都受到較大擾動,此時邊坡穩(wěn)定性大幅度下降;而當支護施作完成并封閉成環(huán)后,隧道圍巖受到的擾動被有效減小,且襯砌結構能有效阻斷坡體潛在滑移面的滑移路徑發(fā)展,進而顯著提高邊坡穩(wěn)定性;等到隧道深埋側開挖時,淺埋側已完成支護,故該階段邊坡的安全系數(shù)更高。

當洞口段邊坡角度為30°時,隧道各埋深條件下淺埋側左洞開挖階段的坡體安全系數(shù)較接近,最小為1.874,較天然狀態(tài)下降低22.6%;而當深埋側右洞支護完成后,邊坡安全系數(shù)開始產生一定差異,3種埋深下安全系數(shù)分別為2.604,2.544,2.374,較開挖階段分別提升39.0%,35.8%,26.7%,尤其對于埋深為0.5倍洞高和1倍洞高2種工況而言,其邊坡安全系數(shù)比天然狀態(tài)下更高。故由此可知,隧道埋深越淺,襯砌結構對邊坡的支護作用越明顯;且在30°坡角工況中,當隧道洞頂埋深降低到1倍洞高以下時,隧道支護后洞口段邊坡比天然階段更穩(wěn)定。

當隧道埋深達到洞高的1.5倍時,隧道深埋側開挖時的坡體安全系數(shù)與淺埋側十分接近,兩者均在1.85～1.9;且隧道支護完成后邊坡的安全系數(shù)較天然狀態(tài)有所降低。故由此可知,襯砌結構對坡體的支護作用影響范圍約為隧道洞高的1.5倍。

3.2 45°坡角下邊坡安全系數(shù)

45°坡角下隧道洞口段邊坡的安全系數(shù)曲線如圖5b所示,當隧道未開挖時,其穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.744。當隧道施工時,坡體在開挖階段的安全系數(shù)較小,支護階段安全系數(shù)較大,而與坡角為30°時相比,各工況的安全系數(shù)均明顯減小。由此可知,坡角增大時,隧道洞口段的邊坡穩(wěn)定性會相對降低。

在不同埋深下隧道開挖的3個工況中,淺埋側左洞開挖階段的邊坡安全系數(shù)分別為1.155,1.236,1.307,與天然狀態(tài)相比最高降低33.8%;深埋側右洞開挖時的安全系數(shù)可達1.6以上,較淺埋側開挖時可提高40%以上。故由此可知,45°坡角條件下淺埋偏壓連拱隧道的開挖對邊坡的擾動效果比30°時更明顯,左、右洞開挖階段的安全系數(shù)差距也比30°時更大,并且當隧道埋深增大時,開挖階段的邊坡穩(wěn)定性會相應提高;但在支護階段,隧道埋深越淺時,安全系數(shù)反而越高,且安全系數(shù)最高為2.076,比未開挖時高19%,達到左洞開挖階段的1.8倍。故由此可知,及時施作襯砌對提高洞口段邊坡穩(wěn)定性有良好效果,且45°坡角條件下該支護效果比30°時更優(yōu)。

當隧道埋深為洞高的1.5倍時,深埋側施工階段的洞口段邊坡安全系數(shù)比淺埋側更低,故由此可知此時隧道襯砌對坡體支護作用已明顯弱化。此外,在深埋側右洞開挖這一施工步中,邊坡安全系數(shù)為曲線中的最小值,僅為1.107,施工時應加強對邊坡位移的監(jiān)測以預防坡體失穩(wěn)。

3.3 60°坡角下邊坡安全系數(shù)

60°坡角下隧道洞口段坡體的安全系數(shù)變化曲線如圖5c所示,當隧道未開挖時,自然邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.33,其已不滿足GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[21]中對一級永久性邊坡穩(wěn)定安全性系數(shù)應>1.35的要求,因此對于烏龍山隧道工程背景,60°邊坡的穩(wěn)定性不高。而在隧道施工階段,坡體穩(wěn)定性安全系數(shù)的變化規(guī)律整體與前述2種坡角的工況類似,即開挖階段安全系數(shù)較小,支護階段安全系數(shù)大幅度提高。

在3種埋深條件下隧道淺埋側左洞開挖時,其坡體安全系數(shù)分別為0.656,0.773,0.931,其中0.5倍埋深條件下的邊坡安全系數(shù)最低,比未開挖時降低50.7%,降低程度比坡角為30°和45°時都嚴重;而深埋側右洞開挖階段的安全系數(shù)分別為1.322,1.213,0.861,與左洞施工時相比提升幅度最大可達1倍。由此可見,隧道開挖會大幅度降低邊坡穩(wěn)定性,當坡角越大時,隧道開挖后坡體的安全系數(shù)降低越嚴重,且左、右洞開挖階段的安全系數(shù)差距越大;而隨著開挖隧道埋深的增加,坡體穩(wěn)定性會得到一定修復。此外,3種埋深下邊坡在隧道開挖階段的安全系數(shù)均<1.0,即按規(guī)范應被判定為不穩(wěn)定邊坡,因此施工時必須采取施作抗滑樁、錨桿等措施以約束邊坡位移,保證坡體穩(wěn)定性。

在隧道支護階段,隧道埋深越小時,邊坡安全系數(shù)整體越高。當隧道埋深為洞高的0.5倍時,隧道深埋側襯砌支護階段邊坡安全系數(shù)為1.582,比天然狀態(tài)下高出18.9%,約為淺埋側開挖階段的2.4倍,支護階段較開挖階段安全系數(shù)的提高幅度遠高于坡角為30°和45°時的工況。由此可知,對于淺埋偏壓連拱隧道,及時完成襯砌結構的施作可有效提高洞口段邊坡穩(wěn)定性,且襯砌對邊坡的加固效果會隨坡角的增加而提高。而在隧道埋深為洞高的1.5倍時,其深埋側施工階段的邊坡安全系數(shù)比淺埋側更低,施工完成后安全系數(shù)為1.244,較天然狀態(tài)低6.5%,故再次驗證,當隧道埋深為洞高的1.5倍及以上時,襯砌對邊坡的支護效果相對有限。

4 淺埋偏壓連拱隧道-邊坡破壞模式

4.1 不同坡角下隧道-邊坡破壞模式

不同邊坡角度下隧道開挖過程中邊坡破壞時的土體塑性區(qū)分布如圖6所示,因篇幅有限,本小節(jié)僅以1倍洞高埋深的工況為例進行分析,其余埋深條件下所得的規(guī)律與分析工況相對類似。由圖6a可知,當隧道并未開挖時,天然邊坡的塑性貫通區(qū)均從邊坡上部延伸至坡腳處,即坡體在自然條件下會發(fā)生土體剪切破壞,從而沿坡腳處發(fā)生滑移。

圖6 不同坡角下邊坡塑性區(qū)分布

而由圖6b,6c,6d 來看,不同坡角下隧道開挖以來,洞口段邊坡-隧道的潛在破壞模式會隨施工而產生顯著變化,但破壞模式相對類似,具體表現(xiàn)為:邊坡坡腳剪切滑移及淺埋側隧道冒頂塌陷破壞(淺埋側開挖階段)→邊坡及淺埋側隧道拱頂剪切滑移破壞(淺埋側支護階段)→邊坡中上段土體剪切破壞、淺埋側隧道拱頂剪切及深埋側隧道冒頂塌陷破壞(深埋側開挖階段)→邊坡及淺埋側隧道拱頂剪切滑移破壞(深埋側支護階段)。待隧道施工完成后,坡體滑動面會隨著邊坡角度的增大而向坡段上部轉移,尤其當邊坡角度達到60°時,坡體剪切滑動破壞面不再抵達坡腳,而是從隧道淺埋側拱頂附近滑出,且滑動面寬度明顯比30°和45°坡角情況下更大,安全性更低。

故綜合以上分析可知,對于淺埋偏壓連拱隧道而言,隧道施工將會明顯影響洞口段邊坡的破壞模式發(fā)展,在隧道開挖階段,邊坡滑動破壞面普遍會穿過隧洞拱肩,隧道存在冒頂塌陷風險;而當支護完成后,滑動面不再貫穿隧洞,而是從淺埋側拱頂周圍經過。此外,邊坡角度越大,坡體破壞面分布位置越靠上。

4.2 不同埋深下隧道-邊坡破壞模式

在30°,45°,60° 3種坡角條件下,邊坡破壞情況下塑性區(qū)分布在隧道埋深不同時的變化情況相對類似,故在本小節(jié)選取45°坡角所對應的工況進行邊坡-隧道破壞模式隨隧道開挖的演化規(guī)律分析。如圖7所示,隧道開挖主要被分為淺埋側(左洞)開挖、淺埋側(左洞)支護、深埋側(右洞)開挖、深埋側(右洞)支護4個施工步,各步驟下洞口段的潛在破壞模式具體如下。

圖7 不同埋深下邊坡塑性區(qū)分布

當隧道埋深為洞高的0.5倍和1倍時,邊坡-隧道破壞模式發(fā)展規(guī)律較類似,主要為:邊坡坡腳剪切滑移及淺埋側隧道冒頂塌陷破壞(淺埋側開挖階段)→邊坡及淺埋側隧道拱頂剪切滑移破壞(淺埋側支護階段)→邊坡中上段土體剪切破壞及深埋側隧道冒頂塌陷破壞(深埋側開挖階段)→邊坡及淺埋側隧道拱頂剪切滑移破壞(深埋側支護階段)。由此可知,當隧道埋深較淺時,隧道深埋側和淺埋側開挖對邊坡擾動效應均十分顯著,邊坡潛在滑動面將分別貫穿左、右隧洞拱肩,隧道頂部有冒頂塌陷風險,及時施作襯砌可起到明顯支護作用,大幅度提升洞頂安全性。

當隧道埋深為洞高的1.5倍時,隧道在淺埋側開挖階段,邊坡潛在破壞面仍會貫穿隧洞,但邊坡滑出位置從坡腳轉移到坡中處,且當隧道襯砌支護完成后,邊坡剪切滑動面不再經過隧道,而是分布于淺埋側拱頂上方。

4.3 隧道-邊坡加固措施

淺埋偏壓連拱隧道洞口段破壞模式主要包括邊坡剪切滑動破壞和隧道冒頂塌陷破壞。盡管施作襯砌后可明顯降低隧道拱頂塌陷風險,但在隧道開挖階段,洞口段邊坡-隧道安全性仍較差,因此需采用坡表注漿等方式對隧道開挖影響范圍內的邊坡土體進行加固處理,防止坡體大變形產生。由前述小節(jié)分析可知,邊坡角度與隧道埋深不同時,洞口段邊坡-隧道破壞模式或滑出位置會發(fā)生變化,因此注漿加固區(qū)域及強度也應做出改變。本小節(jié)針對不同工況分別討論相應的加固方案,具體如下。

1)不同坡角的加固 對于30°和45°的邊坡而言,邊坡的滑動面較長,針對淺埋側隧道應采取坡表注漿方式將隧道周圍土體進行加固,其注漿范圍應自坡腳至中隔墻上部,注漿深度應達到淺埋側拱腰位置;而深埋側隧道施工主要產生拱頂大變形,影響隧道自身穩(wěn)定性,因此需加強隧道圍巖注漿;當坡角為60°時,無論淺埋側還是深埋側隧道施工,邊坡均在淺埋側隧道拱頂-拱腰處產生剪切滑移,其中當深埋側施工時還將產生拱頂大變形,因此深埋與淺埋側隧道均需采取地表注漿方式進行加固,注漿深度應不低于隧道拱腰位置。此外,施工時應采取減小水泥粒徑、摻加復合改性材料和外加劑等方式提高注漿強度,保證注漿加固效果。

2)不同埋深的加固 當隧道洞頂埋深為洞高的0.5倍和1倍時,洞口段邊坡-隧道破壞模式相對類似,淺埋側隧道施工階段宜對坡腳以上的坡體進行坡表注漿加固;深埋側隧道施工階段重點對深埋側拱頂附近圍巖進行加固。當埋深為洞高的1.5倍時,淺埋側隧道開挖階段的坡體滑動面不再從坡腳滑出,隧道位于邊坡潛在滑動面以下。此時深埋側與淺埋側隧道施工階段均只需加強對隧道圍巖的加固,不再需要坡表注漿加固。

5 結語

1)軟弱土層淺埋偏壓連拱隧道洞口段邊坡的安全系數(shù)會隨邊坡角度的增加或隧道埋深的減小而降低,當邊坡角度為60°時,隧道各埋深下淺埋側開挖階段的邊坡安全系數(shù)均在1以下,不滿足相關規(guī)范要求,及時施作隧道的襯砌結構能有效提高邊坡安全系數(shù),但坡角減小或隧道埋深增大時,安全系數(shù)的提升幅度會有所降低,尤其是當隧道洞頂埋深達到洞高的1.5倍以后,隧道深埋側施工期間的安全系數(shù)比淺埋側更低,此時襯砌結構對坡體穩(wěn)定性的提升效果相對有限。

2)洞口段隧道-邊坡破壞模式與隧道埋深有較強的關聯(lián)性,當隧道埋深為洞高的0.5倍和1倍時,坡體與隧道相互間的擾動效應十分明顯,其開挖階段的破壞模式主要為邊坡滑動破壞與隧道冒頂塌陷破壞,支護階段的破壞模式主要為邊坡及淺埋側隧道拱頂剪切滑移破壞;而待洞頂埋深達到洞高的1.5倍以上后,隧道施工后邊坡潛在滑移面位于隧道上方,隧道施工對坡體穩(wěn)定性影響較小。

3)不同邊坡角度下隧道洞口段的破壞模式發(fā)展規(guī)律相對類似,但邊坡破壞區(qū)域有所不同,整體而言,邊坡角度越大,坡體破壞面分布位置越靠近坡段上部。當邊坡角度為30°和45°時,隧道施工完成后坡體剪切滑動面均從坡腳處滑出;而在坡角達到60°以上時,邊坡滑動面沿隧道淺埋側拱頂附近產生。

4)淺埋偏壓連拱隧道開挖期間洞口段邊坡-隧道安全穩(wěn)定性較差,應根據(jù)不同的邊坡角度與隧道埋深采取相應的注漿加固方案。當邊坡角度<60°或隧道埋深<1.5倍洞徑時,淺埋側隧道施工前應進行地表注漿加固,加固范圍為自坡腳至中隔墻,加固深度應不小于隧道拱腰埋深,而深埋側隧道施工時僅需加強隧道圍巖加固;當邊坡角度>60°時,無論深埋側與淺埋側隧道,地表均需進行注漿加固,加固深度不應低于隧道拱腰位置;當隧道埋深>1.5倍洞徑時,隧道位于邊坡潛在滑裂面以下,僅需進行圍巖注漿加固。