傍山陡崖隧道洞口施工工序模擬與設(shè)計優(yōu)化

尹俊濤， 蔣勝波， 任 會

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 湖南 長沙 410200)

0 引言

我國是一個多山的國家，在山區(qū)修建隧道難免會遇到傍山陡崖地段。在這樣的地段修建隧道，往往會遇到洞口偏壓以及高大邊坡處理問題[1-3]。隨著鐵路和高速公路建設(shè)的發(fā)展，特別是近年來山嶺隧道的修建，偏壓隧道洞口越來越常見。對于偏壓隧道洞口建設(shè)，設(shè)計和施工中已積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗。本文依托城北隧道項目，研究對比分析隧道陡崖大開挖方案和斜交進洞方案的優(yōu)劣勢，并提出隧道洞口設(shè)計方案優(yōu)化建議。

1 工程背景

1.1 工程概況

城北隧道位于磁浮高鐵站至城北游客中心站區(qū)間，全長約274 m。城北隧道出口鄰近城北客運站，且位于客運站北側(cè)陡崖邊坡之上，邊坡為城北客運中心建設(shè)時開挖的人工高陡邊坡。城北隧道出口如圖1所示。

圖1 城北隧道出口工程圖

1.2 原狀陡崖坡體整體穩(wěn)定性

本隧道出口陡崖系人工開挖的礦坑邊坡，呈一坡到頂(無分級)形態(tài)，坡面角度為78°～82°，最高位置正對應(yīng)出洞位置，最高63 m，屬巖質(zhì)邊坡，由寒武系清虛洞組中層狀泥質(zhì)灰?guī)r組成，為硬質(zhì)巖；除正洞口10～30 m寬褶皺破碎段完整性為破碎外，其余段完整性均為較完整-完整。構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育，優(yōu)勢節(jié)理基本為陡傾角、剛性、密閉或充填、跡線較為平直的剪節(jié)理，結(jié)合程度為良好-一般。

根據(jù)調(diào)查，該邊坡已形成多年(由1995至今)，形成以來沒有出現(xiàn)過較大規(guī)模影響整體穩(wěn)定性的失穩(wěn)情況；勘察調(diào)查也未見任何明顯的失穩(wěn)痕跡，坡上及坡面也未見任何變形位移開裂等失穩(wěn)前兆性跡象;唯一發(fā)現(xiàn)坡壁上有零星可見很小的塌落新鮮面，褶皺破碎段坡表面有變形、破碎、松離,之前垮塌面和坡下部及坡腳有垮塌堆積。地勘表明該陡崖邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 建設(shè)方案對比分析與優(yōu)化

2.1 原建設(shè)方案

根據(jù)工程地質(zhì)情況及隧道出口處巖層的褶皺及破碎情況，雖然現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定，但具有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),存在安全隱患。原方案采用大開挖方案，即洞口兩側(cè)分別采用三級邊坡開挖，坡度為1∶1。考慮到邊坡巖層順層特點，采用了錨索加固。同時，采用1∶0.75的隧道仰坡刷坡線，對隧道頂?shù)膸r層進行清除(如圖2所示)。

圖2 原建設(shè)大開挖方案模型

該設(shè)計方案基本消除了隧道出口的安全隱患，但以下問題值得商榷：

1) 大開挖方案破壞了原邊坡的自然景觀，不符合磁浮文化旅游項目的人文景觀要求。

2) 隧道出口處邊坡西側(cè)的巖層整體性和穩(wěn)定性良好，邊坡形成以來一直處于整體穩(wěn)定性狀態(tài)，最西側(cè)的開挖邊坡在沒有任何支護的情況下具有較好的穩(wěn)定性。由于對邊坡進行開挖的角度大，極有可能影響到西側(cè)原有邊坡的穩(wěn)定性；而東側(cè)開挖該邊坡容易產(chǎn)生順層滑坡，人為造成不穩(wěn)定邊坡。

3) 方案過于保守造成較大的工程浪費。該邊坡整體穩(wěn)定，雖有褶皺破碎的特征，但褶皺構(gòu)造范圍以淺層或表面居多，且該褶皺層距坡頂約 30～40 m ，不存在地下高應(yīng)力問題。

4) 從勘探結(jié)果來看，該地層范圍雖存在巖溶及地下暗河等的可能性不大，但湖南湘西卡斯特巖溶地貌分布較為普遍，對山體進行大面積開挖，有可能誘發(fā)地下涌水的極端情況發(fā)生，加劇施工難度。

基于以上分析，原方案在環(huán)保、造價、工期等方面具有一定的缺陷，因此，有必要對其進行合理優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化方案

大開挖方案洞口兩側(cè)邊坡開挖高度約40 m，仰坡開挖高度約42 m，洞口開挖量大、邊坡防護費用高，且洞口鄰近城北客運站，邊坡開挖過程需采取有效的防落石措施，安全風(fēng)險較大。根據(jù)勘探情況，該邊坡整體穩(wěn)定，雖有褶皺破碎的特征，淺層或表面居多，且該褶皺層距坡頂約30～40 m，不存在地下高應(yīng)力問題。若施工采用反進洞并結(jié)合機械開挖施工工藝，基本上可以滿足隧道施工的要求。這樣不僅能保留原有自然景觀，也能減小對原有山體的擾動和破壞。因此，優(yōu)化方案建議采取斜交進洞的微開挖方案，保留原陡崖地形不進行邊仰坡開挖，并且采取以下處理措施[4]： ① 對陡崖剖面不穩(wěn)定巖層進行清理；② 對受褶皺影響的不穩(wěn)定圍巖進行加固處理；③ 隧道兩邊30 m及隧道以上采用主動防護網(wǎng)防落石；④考慮安全冗余的原則，在隧道頂部設(shè)置被動防護網(wǎng)防落石。

2.3 微開挖方案安全性分析

通過FLAC3D對城北隧道出口山體建立模型，并進行數(shù)值模擬分析。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，本隧道圍巖主要由中-微風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r組成。建立隧道洞口三維數(shù)值模型如圖3所示。各地層參數(shù)見表1，支護參數(shù)見表2。

圖3 整體數(shù)值模型設(shè)置圖

表1 數(shù)值模擬參數(shù)取值表巖層重度/(kN·m-2 )黏聚力 c/kPa 內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/MPa 拉伸強度/kPa 素填土18101050 0中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r24200401 00020微風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r25280452 00028節(jié)理面0500 0隧道襯砌25——40 000—

表2 支護參數(shù)表材料厚度/m彈性模量/GPa泊松比v管棚0.35100.25

2.4 微開挖方案數(shù)值計算及結(jié)果分析

將三維地質(zhì)模型導(dǎo)入有限差分軟件FLAC3D中進行計算分析，考慮到巖層層理的影響，中風(fēng)化灰?guī)r及淺層風(fēng)化帶的本構(gòu)模型采用層理巖體本構(gòu)模型，褶皺核部破碎帶的本構(gòu)模型則采用摩爾庫倫模型[5]，支護采用殼單元模擬。施工過程模擬中：① 三維模型在自重應(yīng)力下初始平衡，形成初始地應(yīng)力場。② 在隧道內(nèi)壁設(shè)置低剛度的殼單元模擬超前加固的長度為30 m的管棚。③ 第1次開挖進尺為7 m，待隧道內(nèi)部的豎向應(yīng)力小于初始自重應(yīng)力一半時，將該段殼單元的剛度設(shè)置成正常隧道管壁剛度，該過程模擬了隧道開挖過程中受開挖擾動等因素造成的隧道周圍應(yīng)力釋放以及先開挖后支護的施工過程。④ 第2次開挖進尺為13 m，通過增加殼單元剛度實現(xiàn)隧道管壁的支護過程。⑤ 第3次開挖進尺為19 m，通過增加殼單元剛度實現(xiàn)隧道管壁的支護過程。⑥ 第4次開挖進尺為25 m，通過增加殼單元剛度實現(xiàn)隧道管壁的支護過程。

施工過程模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 原始坡體破壞時安全系數(shù)

圖5 隧道開挖后邊坡安全系數(shù)

根據(jù)開挖后的邊坡穩(wěn)定性分析，可得出如下結(jié)論：隧道開挖后坡體破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼纻?cè)上方層狀巖體的局部垮塌，安全系數(shù)為1.55。計算結(jié)果與層狀洞室典型破壞模式一致。坡體外部整體滑動形式以及滑裂面保持不變。由計算結(jié)果可知，開挖

過程的山體縱橫斷面穩(wěn)定性安全系數(shù)均為1.55，滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)一級邊坡安全系數(shù)不小于1.35的要求，表明采用合適的施工工序和防護措施，可保證開挖過程中邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與建議

1) 城北隧道出口邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，且從人工開挖施工起一直處于穩(wěn)定，穩(wěn)定時間長。

2) 原城北隧道出口邊坡防護設(shè)計方案為大開挖方法，過于保守且不利于環(huán)境保護，采用調(diào)整明暗分界樁號和洞門樁號以及零仰坡反進洞的方案，可盡量減小對山體的擾動和破壞。

3) 城北隧道出口邊坡的穩(wěn)定性主要取決于施工工藝及方法，采用“異形套拱，斜交進洞”的施工方式，局部位置套拱及導(dǎo)向管加長緊貼洞口原狀仰坡巖面，可避免仰坡大開挖時造成洞口失穩(wěn)。

4) 為進一步明確設(shè)計方案，需對隧道出口處的地質(zhì)構(gòu)造進行進一步勘探，確定褶皺分布深度、節(jié)理斷層分布情況，以便更為準確和精細地進行有限元模擬分析。

5) 建議對隧道出口處破碎褶皺進行試探性表層處理，確定開挖難度及褶皺破碎程度，為明確施工方案提供依據(jù)。

6) 加強施工監(jiān)控，制定詳細的施工監(jiān)控與量測方案，包括巖土體變形及應(yīng)力觀測、地質(zhì)超前預(yù)報等。