營爾嶺隧道淺埋段連續(xù)坍塌原因分析及預(yù)防

顧 洋，侯哲生，韓吉

(煙臺大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 煙臺 264000)

營爾嶺隧道淺埋段連續(xù)坍塌原因分析及預(yù)防

(煙臺大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 煙臺 264000)

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是現(xiàn)有大斷面隧道施工方法中最為理想的一種方法。以某隧道淺埋段連續(xù)坍塌為例，通過MIDAS/GTS NX有限元軟件對較大斷面?zhèn)缺趯?dǎo)坑上臺階開挖時出現(xiàn)連續(xù)坍塌事故進(jìn)行了分析，并對添加臨時仰拱這一措施對改善支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及預(yù)防坍塌發(fā)生的效果進(jìn)行驗(yàn)證。淺埋條件下，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)未得到有效封閉連接是引起側(cè)壁導(dǎo)坑上臺階開挖時出現(xiàn)連續(xù)坍塌的主要原因，施做臨時仰拱能夠有效防止坍塌的發(fā)生，這一結(jié)論對具有相似條件的工程具有借鑒意義。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑；大斷面；淺埋；連續(xù)坍塌；臨時仰拱

為滿足我國快速增長的通行需求，高速公路建設(shè)活動蓬勃發(fā)展，為提高通行能力、縮短里程及優(yōu)化線形，長大公路隧道建設(shè)日益增多[1-5]，隧道斷面的增大為施工安全帶來了較大的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有的大斷面隧道施工方法中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法被證明是最為理想的方法[6-7]，但隧道斷面的擴(kuò)大必然引起側(cè)壁導(dǎo)坑斷面面積的相應(yīng)放大。在對處于淺埋段的較大斷面?zhèn)缺趯?dǎo)坑進(jìn)行開挖時，臺階法相較于全斷面法更易操作，但在原設(shè)計未給出針對性支護(hù)方案的情況下分段施做原支護(hù)結(jié)構(gòu)可能引起坍塌等安全問題。本文將以榮烏高速營爾嶺隧道為例，對添加臨時支撐結(jié)構(gòu)這一方案進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

營爾嶺隧道位于河北省保定市淶源縣境內(nèi)，是榮成—烏海高速公路(G18)徐水至淶源(晉冀界)LJSG-21合同段主要控制性工程，隧道左線起訖樁號ZK99+535—ZK105+191.0，全長5 656 m；隧道右線起止樁號YK99+523—YK105+200.3，全長5 677.3 m，為雙向六車道隧道。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕-中山丘陵地貌，洞體大部屬于分離式隧道，進(jìn)口向內(nèi)約140 m區(qū)段屬小凈距隧道，最大埋深825 m，單洞凈寬14.25 m，凈高5 m，開挖寬度15.72 m～17.421 m，設(shè)置仰拱開挖面積為122.58 m2，內(nèi)輪廓為三心圓。隧道出口洞口段處于中密實(shí)碎石土區(qū)段內(nèi)，圍巖類別為V類，圍巖無自穩(wěn)能力或自穩(wěn)能力差，對應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)為S5a襯砌，洞體襯砌及側(cè)壁導(dǎo)坑輪廓如圖1所示。

圖1 洞體襯砌及側(cè)壁導(dǎo)坑輪廓圖

隧址區(qū)地表水不發(fā)育，孔隙潛水及裂隙水為主要地下水類型，且出口段地層透水性、賦水性均較好，局部短時降水可能引起隧道圍巖惡化，施工難度較大。

2 淺埋段連續(xù)坍塌事故介紹

2015年5月中旬，營爾嶺隧道出口左洞ZK105+124.0處左側(cè)導(dǎo)坑發(fā)生坍塌事故，坍塌位置處于導(dǎo)坑上臺階外側(cè)拱角附近，支護(hù)結(jié)構(gòu)向洞內(nèi)有明顯的收斂變形，噴射混凝土部分脫落，鋼筋網(wǎng)撕扯斷裂，泥漿土體沿破壞孔洞大量涌出，堆積體封堵導(dǎo)洞斷面近1/3。

2015年6月上旬，出口左洞ZK105+103.5處左側(cè)導(dǎo)坑發(fā)生坍塌事故，坍塌位置與ZK105+124.0處一致，即導(dǎo)坑上臺階外側(cè)拱角附近，支護(hù)結(jié)構(gòu)向洞內(nèi)收斂，大量潮濕碎石土沿支護(hù)結(jié)構(gòu)自上方滑塌，堆積在拱角，坍塌事故平面素描圖見圖2。

圖2 坍塌事故平面素描圖

3 事故原因推斷

坍塌發(fā)生后，筆者與相關(guān)技術(shù)人員對兩次事故的現(xiàn)場分別進(jìn)行了勘察，發(fā)現(xiàn)以下問題：

(1) 因幾日前隧址區(qū)域有局部短時降雨，事故發(fā)生處對應(yīng)地表面有積水匯集下滲，坍塌體含水率大；坍塌附近圍巖局部有類似蜂窩狀結(jié)構(gòu)的土體出現(xiàn)，圍巖整體評價差；

(2) 鋼拱架拱角處向洞內(nèi)彎折變形，鎖腳錨桿完全變形并從土體中抽離，支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。

根據(jù)上述現(xiàn)場資料，筆者認(rèn)為引起連續(xù)兩次坍塌事故的原因，除了隧址區(qū)地質(zhì)條件差外，與導(dǎo)坑上臺階支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)拱角未得到有效連接并封閉成環(huán)的關(guān)聯(lián)性極大，需對此進(jìn)行分析驗(yàn)證。

4 有限元分析

根據(jù)營爾嶺隧道相關(guān)資料，采用MIDAS/GTS NX巖土工程通用有限元軟件建立了3D有限元計算模型。 MIDAS/GTS NX是國內(nèi)近幾年出現(xiàn)的新型有限元分析軟件，作為GTS的升級版本，該軟件對分析計算巖土工程問題具有較強(qiáng)的針對性設(shè)計，操作便捷，計算精度較高。

4.1 模型建立

計算選取ZK105+93.7—ZK105+136.0區(qū)間及其對應(yīng)的YK105+103.0—YK105+145.3區(qū)間。依據(jù)隧道開挖的影響范圍[8]及考慮洞口開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響[9]，模型尺寸設(shè)定為：隧道軸向長72 m；上邊界為地表面；下邊界為不小于3倍洞跨，即Z軸負(fù)向52 m；左右邊界不小于3倍洞跨，同時考慮隧道兩主洞33.4 m的凈距并不滿足規(guī)范[10]給出的分離式隧道最小凈距的要求，取X軸正向、負(fù)向各86 m；每一循環(huán)進(jìn)尺定為1.2 m；超前加固區(qū)按提高圍巖等級一級考慮。模型的地層力學(xué)參數(shù)按照細(xì)則[11]選取如表1所示。

表1 模型地層力學(xué)參數(shù)

為驗(yàn)證文中對事故原因的推斷，計算模型加入臨時仰拱作為臨時支撐機(jī)構(gòu)，選用20b工字鋼的材料參數(shù)，布置方式如圖3所示。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑臨時仰拱布置示意圖

由于圍巖的破壞一般認(rèn)為是塑性破壞[12]，因此計算準(zhǔn)則選用彈塑性本構(gòu)模型即德魯克-普拉格(Drucker-Prager)屈服準(zhǔn)則，模型網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格，模型單元共98863個。網(wǎng)格化分情況如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格化分

此外，錨桿采用植入式桁架單元模擬；臨時仰拱采用植入式梁單元模擬；初期支護(hù)采用板單元模擬，并對支護(hù)結(jié)構(gòu)中的噴射混凝土-鋼拱架的彈性模量做了等效計算[13]，公式如下：

(1)

其中：E0為原混凝土彈性模量，GPa；Eg為鋼材彈性模量，GPa；Sc為混凝土截面積，m2；Sg為鋼材截面積，m2。

其余參數(shù)根據(jù)規(guī)范[14-15]及設(shè)計圖紙選取，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果及分析

4.2.1 塌方斷面水平位移分析

為了便于分析計算左側(cè)導(dǎo)坑，將施工階段定義為只開挖左側(cè)導(dǎo)坑上部，并以無臨時仰拱和有臨時仰拱兩種情況分別進(jìn)行分析。

經(jīng)分析計算，得到了ZK105+103.5處在兩種工況下的X方向位移云圖(見圖5、圖6)，及ZK105+124處在兩種工況下的X方向位移云圖(見圖7、圖8)。

圖5 ZK105+103.5無臨時仰拱時X方向位移云圖

圖6 ZK105+103.5有臨時仰拱時X方向位移云圖

圖7 ZK105+124無臨時仰拱時X方向位移云圖

從水平位移折線圖可以看出，ZK105+103.5處于第37施工步開挖，開挖后外側(cè)拱角水平位移在不添加臨時仰拱穩(wěn)定在3.97 cm左右，添加臨時仰拱后穩(wěn)定在0.94 cm左右(見圖9)；而ZK105+124處于第20施工步開挖，開挖后外側(cè)拱角水平位移在不添加臨時仰拱時穩(wěn)定在3.61 cm左右，添加臨時仰拱后穩(wěn)定在0.86 cm左右(見圖10)。設(shè)置臨時仰拱前后水平位移值的顯著變化說明了這一做法對抑制拱腳處支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有明顯效果。

圖8 ZK105+124有臨時仰拱時X方向位移云圖

圖9 ZK105+103.5導(dǎo)坑上臺階外側(cè)拱角水平位移圖

圖10 ZK105+124導(dǎo)坑上臺階外側(cè)拱角水平位移圖

4.2.2 塌方斷面塑性區(qū)分析

從塑性區(qū)的計算結(jié)果來看，ZK105+124處在添加臨時仰拱前，左導(dǎo)坑上臺階拱角外側(cè)出現(xiàn)明顯的失效區(qū)域(見圖11)，在添加臨時仰拱后，拱角外側(cè)失效區(qū)域消失(見圖12)；ZK105+103.5處相同位置也有接近相同的結(jié)果(見圖13、圖14)。

圖11 ZK105+124無臨時仰拱時塑性區(qū)示意圖

圖12 ZK105+124有臨時仰拱時塑性區(qū)示意圖

圖13 ZK105+103.5無臨時仰拱時塑性區(qū)示意圖

圖14 ZK105+103.5有臨時仰拱時塑性區(qū)示意圖

兩處塌方位置的塑性區(qū)結(jié)果直接反映出添加臨時仰拱對于穩(wěn)定支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，對坍塌事故有明顯地預(yù)防效果。

5 結(jié) 論

對處于淺埋地段的大斷面隧道來說，為便于施工，選擇臺階法替代全斷面法開挖側(cè)壁導(dǎo)坑是合理的。在原有設(shè)計對于這一情況未做出應(yīng)對方案時，添加臨時仰拱，將分段施做的原有支護(hù)結(jié)構(gòu)連接封閉成環(huán)，能夠顯著改善支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍巖土體的受力情況，有效預(yù)防坍塌災(zāi)害，這對于今后類似條件下的隧道施工具有很好的借鑒意義。

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Continuous Collapse Cause Analysis and Prevention for Shallow Buried Section of Yingerling Tunnel

GU Yang, HOU Zhesheng, HAN Jishen

(SchoolofCivilEngineering,YantaiUniversity,Yantai,Shandong264000,China)

Double side drift method as the most ideal method has always been applied to construction of large cross-section tunnel. Taking an example of continuous collapse in shallow buried section of a tunnel, by adopting Midas GTS NX finite element software this paper analyzed an accidence of continuous collapse which appeared during the excavation of a larger cross-section side drift and verified the stability improvement of the retaining structure and the effect of preventing the occurrence of the collapse by adding temporary inverted arch. The results show that under shallow burial conditions, the main reason leading to continuous collapse is considered that the initial supporting structure is not effectively closed when excavating side drift upper steps. The occurrence of collapse can be prevented effectively.by making temporary inverted arch .

double side drift; large cross-section; shallow buried; continuous collapse; temporary inverted arch

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.031

2017-02-14

2017-03-19

顧 洋(1990—)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗淼拦こ獭-mail:542481104@qq.com

U457+.5

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1672—1144(2017)03—0153—04