震后偏壓坡積體免刷坡進洞施工力學效應分析

石文廣

(中鐵十八局集團第六工程有限公司,天津　300222)

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震后偏壓坡積體免刷坡進洞施工力學效應分析

石文廣

(中鐵十八局集團第六工程有限公司,天津300222)

摘要：結合震后四川某地特長高速公路隧道洞口施工的實際工程,針對其提出的免刷坡進洞施工技術,開展震后偏壓坡積體免刷坡進洞施工力學效應的分析,通過FLAC 3D有限差分軟件計算分析,結果表明：在施工過程要提前作好安全防護準備；左洞洞頂?shù)乇沓市逼聽?在剪切應力作用下導致初期支護外側出現(xiàn)大范圍受拉區(qū)；該工法可以有效地防止隧道上方坡積土體的滑動,保證施工安全且有效縮短進洞時間,對隧道周圍地表植被破壞較小。

關鍵詞：公路隧道；震后偏壓坡積體；進洞施工；數(shù)值分析；力學效應

在山區(qū)隧道修建中，進洞施工的安全至關重要。由于自然因素和人類活動，隧道洞口處地質條件與洞身段相比更差一些。傳統(tǒng)的刷坡進洞方法，工程量大，邊坡穩(wěn)定性差，對環(huán)境影響較大，同時易引發(fā)邊坡失穩(wěn)，產生落石、崩塌、滑坡等次生地質災害。有時即使采用其他輔助工法能夠成洞，隧道運營后也會出現(xiàn)山體滑坡、滲水、崩塌、襯砌裂縫和變形等問題，后期維修、養(yǎng)護費用大，這將極大地增加工程在全壽命期內的總成本[1-2]。因此，采用新的進洞施工工法是非常有必要的。

1工程概況

四川境內某高速特長公路隧道為分離式隧道，左洞長5 305 m，右洞長5 325 m，左右洞全長共計10 630 m。隧道所在山體受2008年汶川地震影響，洞口處于震后松散堆積體之上，洞頂高邊坡段極易產生新的崩塌落石，松散堆積體主要為土石結合體，厚15～30 m，洞口正下方為地震后山體覆蓋層堆積物，厚度約5 m。

洞口段由于震后松散堆積體，穩(wěn)定性極差，且余震不斷，由于震裂松動巖體與一般的松散巖土體存在差別，表現(xiàn)出更強的透水性、架空性及低速波動性等特征，造成成洞條件差，進洞難度大。由于特殊的地質原因，在松散體中進行大管棚施工，普通鉆機不能成孔；且隧道左線存在嚴重的偏壓，加大了施工難度。

邊坡開挖過程中容易發(fā)生滑坍，且山頂不時有飛石滑落，洞口處呈明顯偏壓狀態(tài)，如圖1所示。且根據(jù)洞口開挖出露情況，判斷其斷面及斷面以上部位均為塊碎石夾雜大孤石，仰拱下部為震后山體覆蓋層植被土夾雜塊石土，巖體極其松散。

圖1　隧道進口地質概貌

2進洞施工方案

2.1隧道進洞工序安排

由于洞口巖體松散、破碎，且山體較陡、仰坡較高、偏壓明顯，左洞位于松散堆積體外側，為了避免震后松散堆積體二次滑塌，左右洞施工順序是先左洞后右洞，左洞先行施作可為右洞開挖提供支擋結構，有效確保震后堆積體的穩(wěn)定性。洞口段施工總體處理原則為“保安全、先加固、后施工、補注漿、強支護、勤測量”，針對震后偏壓坡積體的特性，此隧道采用了免刷坡進洞技術，進洞施工順序如下。

(1)邊坡加固防護， 待坡面封閉施工完畢后，對暗洞進口ZK0+605處沿套拱拱圈3 m范圍內進行注漿加固，具體措施為：交界面3 m范圍內采用φ42 mm注漿小導管，長4.5 m，外插角30°～45°，間排距1.0 m，交錯布置。

(2)套拱及管棚施工。

(3)首循環(huán)上、中、下臺階開挖及施作初期支護,采用正臺階預留核心土開挖法施工，分上中下三臺階，每層臺階留核心土分布開挖，鋼架支撐初期支護緊跟。

(4)側墻及明洞基礎處理，明洞及側墻基底處理采用基底注漿和基底換填方式加固地基。

(5)明洞段混凝土澆筑，明洞仰拱及邊墻基礎混凝土采用組合鋼模板人工立模澆筑，邊墻及拱部混凝土施工采用12 m長整體液壓鋼模臺車作內模，外模采用整體式可變鋼模板。

(6)隧洞開挖。

隧道洞口施工前要對邊坡進行加固防護，清除陡壁上的危石，坡面采用主動網防護、被動網防護及錨噴防護組合方案，對部分地段采用地表注漿加固處理[3-4]。

隧道進洞超前支護采用超前管棚注漿，在洞口護拱施作之前，采用在隧道洞口設置抗滑樁擋墻的支護措施，并與護拱形成共同的受力結構。采用明洞進洞，明洞仰拱及邊墻基礎采用組合鋼模板澆筑，邊墻及拱部施工采用整體液壓鋼模臺車作內模，外模采用整體式可變鋼模板。對明洞地基和明暗洞交界面做加固處理[5-8]。

2.2隧道洞口開挖工序

隧道洞口段按“新奧法”施工，分上中下三臺階，上面兩個臺階留核心土分布開挖，鋼架支撐初支緊跟[9]。上臺階預留核心土高度為2.5～3 m，長度3～4 m；環(huán)形部分采用人工風鎬配合挖機開挖，每循環(huán)進尺0.5 m；核心土部分采用挖掘機進行開挖，隧道洞口段具體開挖工序見圖2。

圖2　隧道洞口開挖工序示意

3施工力學效應分析

采用FLAC3D大型有限差分軟件建立山體及隧道模型，對隧道進洞施工過程力學效應進行數(shù)值模擬分析。

3.1計算模型

考慮到隧道的影響范圍，計算模型左右各取60 m，仰拱下取為60 m，拱頂以上為覆土厚按照實際埋深考慮(0～30 m)；考慮到單元數(shù)量太多影響計算速度，縱向計算范圍取50 m。圍巖土體的本構模型采用Mohr-coulomb理想彈塑性模型；隧道拱部3 m范圍[10]內為超前管棚注漿加固區(qū)域，超前管棚用Beam單元單獨模擬；洞口明洞、套拱和初期支護混凝土采用實體彈性單元模擬，計算模型如圖3所示。

圖3　進洞工法計算模型

3.2計算參數(shù)

洞口段圍巖主要以碎石、砂卵石及花崗閃長巖為主，圍巖較為破碎按Ⅴ級圍巖考慮，注漿加固后按Ⅵ級圍巖考慮，結合《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003—2005)、現(xiàn)場地勘資料及以往工程經驗，選取圍巖及支護參數(shù)如表1所示。

表1　圍巖及支護物理力學參數(shù)

注：初期支護厚度為25 cm，超前管棚直徑φ108 mm。

3.3施工過程模擬

圖4　施工過程模擬示意

根據(jù)隧道洞口圍巖地質條件，確定隧道的施工方案為：先對右洞進口進行施工，然后對左洞進口進行施工。進洞施工過程數(shù)值模擬步驟為:(1)施做套拱；(2)施做管棚注漿；(3)機械開挖進洞；(4)施做明洞。施工過程模擬如圖4所示。

3.4計算結果分析3.4.1支護受力分析

根據(jù)計算結果做出初期支護的主應力云圖和進洞后初期支護拱頂主應力沿隧道縱向變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖5　初期支護主應力云圖

圖6　初期支護拱頂主應力沿隧道縱向變化曲線

由圖5和圖6可知，右洞初期支護最大壓應力為3.2 MPa，主要分布在暗挖段拱頂部位，且壓應力隨著埋深的增加逐漸增大；最大拉應力為1.0 MPa，分布范圍較小，主要分布在套拱與暗挖段的交接處，但當隧道進入暗挖段襯砌所受拉應力均較小。左洞初期支護最大壓應力為2.2 MPa，主要分布在暗挖段拱頂部位，且壓應力隨著埋深的增加逐漸增大；左洞初期支護外側拱部出現(xiàn)較大范圍的拉應力區(qū)，最大拉應力為1.3 MPa，這是由于左洞洞頂?shù)乇沓市逼聽?，在自然狀態(tài)下坡體具有剪切滑移的趨勢，在剪切應力作用下導致初期支護外側出現(xiàn)大范圍受拉區(qū)，因此施工時要注意減小對坡體擾動，此外還要做好坡體上面的排水工作[9]。也正是由于偏壓原因，左洞所受的剪切應力遠遠大于右洞，致使左洞最小主應力以拉應力為主，而右洞以壓應力為主，致使圖6(b)中兩曲線特征明顯不同。

3.4.2支護變形分析

根據(jù)計算結果做出洞口段初期支護位移云圖和初期支護位移沿隧道縱向變化曲線，如圖7和圖8所示。

圖7　洞口段初期支護位移云圖

圖8　初期支護位移沿隧道縱向變化曲線

由圖7和圖8可知，隧道支護位移隨著埋深的增加而逐漸增大，右洞拱頂最大沉降為16 mm，最大水平收斂為1.8 mm，左洞拱頂最大沉降為27 mm，最大水平收斂為7.8 mm。由于超前管棚注漿加固作用使進洞段支護位移減小，但是由于左洞洞頂?shù)乇沓市逼聽?，在自然狀態(tài)下坡體具有剪切滑移的趨勢，導致左洞受到剪切應力作用，故使左側初期支護位移較大。

3.4.3地表沉降分析

根據(jù)計算結果做出地表位移云圖如圖9所示。

圖9　地表位移云圖

由圖9可以看出，隨著埋深的逐漸增加，地表沉降逐漸變小，最大地表沉降出現(xiàn)在左洞上部覆土處，此處埋深為12 m，最大地表沉降值為16 mm，且沉降呈不對稱分布，由于受地形影響，左側沉降大于右側沉降。

3.4.4仰坡穩(wěn)定性分析

仰坡穩(wěn)定是進洞施工的重點，為確保進洞技術的可行性，必須針對進洞之后的仰坡穩(wěn)定性進行評價。本文應用強度折減法，計算進洞之前及進洞之后的仰坡安全系數(shù)，其計算結果見表2。

表2　仰坡穩(wěn)定性計算結果

由表2的計算結果可以得出：進洞前后仰坡安全系數(shù)分別為1.7、1.5，均大于《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[11]規(guī)定的1.3，仰坡穩(wěn)定性符合安全要求；進洞前后仰坡的滑移面位置基本一致[12]，但是進洞后的滑移面范圍更大，邊仰坡位置均產生了滑移面，安全系數(shù)減小12%，達到1.5，但是依舊處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

根據(jù)數(shù)值模擬結果做出進洞前和進洞后在臨界狀態(tài)下仰坡體滑移面分布見圖10和圖11。

圖10　進洞前仰坡滑移面分布

圖11　進洞后仰坡滑移面分布

4結論

(1)隧道工程所處地域受汶川8級地震影響，洞口山坡坡面松散，在擾動、雨水或者風的作用下，仍有發(fā)生落石、崩塌、滑坡、泥石流等次生地質災害的危險，在施工過程要提前作好安全防護準備。

(2)左洞洞頂?shù)乇沓市逼聽睿谧匀粻顟B(tài)下坡體具有剪切滑移的趨勢，在剪切應力作用下導致初期支護外側出現(xiàn)大范圍受拉區(qū)，因此施工時要注意減小對坡體擾動，此外還要做好坡體上面的排水工作。

(3)通過對進洞前后仰坡穩(wěn)定性分析可知，免刷坡進洞施工工法可以有效地防止隧道上方坡積土體的滑動，確保明洞襯砌結構及仰坡的穩(wěn)定，保證隧道支護結構的安全。

(4)免刷坡快速進洞施工方法加強了邊坡穩(wěn)定性，有效縮短進洞時間，對隧道周圍地表植被破壞較小甚至不破壞生態(tài)，具有環(huán)保，安全可靠的特點，經濟和社會效益明顯。

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Mechanics Analysis of Tunnel Portal Construction without Treatment to Biasing Slope after Earthquake SHI Wen-guang

(China Railway 18 Bureau Group Co., LTD, Tianjin 300222， China)

Abstract：With reference to the practices in portal construction of a highway tunnel in Sichuan where tunnel portal construction without treatment to biasing slope after earthquake, a mechanics analysis is conducted with finite difference software FLAC 3D of such tunnel portal construction. The results show that protective measures must be taken before the construction and a wide tensile zone is created outside the primary support due to shear stress generated by the tilted surface above the tunnel top and the method can effectively prevent the soil above the tunnel from sliding, which not only ensures safe construction and but also shortens the time to get into the tunnel with less destruction to the vegetation around the tunnel.

Key words：Highway tunnel; Biasing slope after earthquake; Portal construction; Numerical analysis; Mechanical effect

中圖分類號：U452.2+7

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.026

文章編號：1004-2954(2015)05-0115-04

作者簡介：石文廣(1967—)，男，高級工程師，工學博士，E-mail:kong4340124@163.com。

收稿日期：2014-07-25； 修回日期：2014-08-19