內(nèi)外組合施工擾動(dòng)下隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析

宋開(kāi)忠，侯哲生，劉媛媛

(煙臺(tái)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264000)

在山區(qū)修建隧道工程時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到在隧道洞口處大面積開(kāi)挖或修建涵洞、路基等其它建筑設(shè)施的情況。結(jié)果，不可避免地會(huì)對(duì)隧道洞口處的邊坡圍巖造成擾動(dòng)，并容易引起滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，這是山區(qū)隧道建設(shè)過(guò)程中不容忽視的工程地質(zhì)問(wèn)題[1-2]。在整個(gè)隧道施工過(guò)程中，洞口段的施工一直以來(lái)又是一個(gè)難點(diǎn)、重點(diǎn)。尤其是在復(fù)雜地質(zhì)地形條件下，再加上內(nèi)外組合施工對(duì)土體的擾動(dòng)，隧道洞口施工會(huì)變得更加的困難。雖然不少學(xué)者[3-7]已經(jīng)對(duì)隧道洞口的邊坡穩(wěn)定性做了很多研究與討論，但對(duì)在內(nèi)外組合施工擾動(dòng)下隧道洞口邊坡穩(wěn)定性研究還比較少。因此本文在這些研究的基礎(chǔ)上，以清家溝隧道作為依托，通過(guò)MIDAS/GTS NX有限元分析軟件真實(shí)模擬其地形地質(zhì)條件和動(dòng)態(tài)施工過(guò)程，得到了隧道洞口段圍巖變形特征以及擾動(dòng)影響的范圍，為今后相似工程項(xiàng)目提供一定的參考建議。

1 工程概況

1.1 隧道概況

邢汾高速公路所轄路段全長(zhǎng)87.193 km，東部起點(diǎn)與邢臨高速、京港澳高速公路連接，終點(diǎn)位于冀晉省界。清家溝隧道是邢汾高速公路項(xiàng)目的重點(diǎn)控制性工程之一，位于清家溝村東側(cè)的山體斜坡上，地形起伏變化大，地質(zhì)條件復(fù)雜。該隧道為左右雙向六車(chē)道分離式隧道，左線長(zhǎng)850 m，起訖樁號(hào)ZK68+010—ZK68+860，設(shè)計(jì)縱坡2.4%；右線長(zhǎng)885 m，起訖樁號(hào)YK68+005—YK68+890，設(shè)計(jì)縱坡2.0%。隧道內(nèi)建筑界限凈寬14 m，限制高度5 m，最大埋深138 m。

1.2 工程地質(zhì)概況

1.3 隧道洞口坍塌具體情況

隧道右線出口段連接高填方路堤，下面鋪設(shè)鋼筋混凝土涵洞。隧道出口的開(kāi)挖和修建涵洞基礎(chǔ)的施工過(guò)程中，在出口位置開(kāi)挖邊坡以形成一個(gè)臨空面，從而改變了原始的平衡狀態(tài)，再加上施工過(guò)程中對(duì)土體造成的擾動(dòng)，加劇了邊坡的失穩(wěn)，導(dǎo)致隧道出口的邊坡產(chǎn)生緩慢的滑移并出現(xiàn)裂縫。滑塌裂縫位置大概在YK68+860處，距離出口明暗交界線約為15 m，距離掘進(jìn)的掌子面約為14 m?；麦w的水平裂縫寬度約為20 cm～35 cm，局部垂直滑移距離50 cm，坡底局部隆起量約為25 cm，涵洞基礎(chǔ)出現(xiàn)大約3 cm～5 cm的后移現(xiàn)象，裂縫的延伸長(zhǎng)度約為50 m，現(xiàn)場(chǎng)整體概況和具體情況如圖1—圖4所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)整體塌陷圖

圖2 局部水平裂縫寬度約為20 cm

圖3 局部垂直滑移距離約為50 cm

圖4 坡體底部局部隆起量約為20 cm～30 cm

1.4 隧道施工設(shè)計(jì)

隧道施工采用分部開(kāi)挖法開(kāi)挖，開(kāi)挖之后應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)的施工，必要時(shí)采取加固措施。隧道的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)是以噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、中空注漿錨桿等組成的初期支護(hù)和二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌。其中初期支護(hù)包括Φ25 mm中空注漿錨桿(間距100 cm×50 cm)，Φ8 mm鋼筋網(wǎng)(間距20 cm×20 cm)，I22b鋼拱架(縱向間距50 cm)，鋼架采用HRB335鋼筋連接，噴射28 cm厚C25早強(qiáng)混凝土；二次襯砌為60 cm～100 cm厚的C25鋼筋混凝土。本工程中分部開(kāi)挖法的具體施工工序?yàn)椋孩瘢荷习攵蚊婀安块_(kāi)挖；Ⅱ：上半斷面拱部初期支護(hù)(掛鋼筋網(wǎng)，安裝錨桿，噴混凝土)；Ⅲ：上半斷面兩側(cè)開(kāi)挖；Ⅳ：上半斷面兩側(cè)初期支護(hù)；Ⅴ：下半斷面左側(cè)開(kāi)挖；Ⅵ：下半斷面左側(cè)初期支護(hù)；Ⅶ：下半斷面右側(cè)開(kāi)挖；Ⅷ：下半斷面右側(cè)初期支護(hù)；Ⅸ：全斷面模筑二次襯砌鋼筋混凝土，每次開(kāi)挖以3 m一個(gè)進(jìn)尺，具體襯砌設(shè)計(jì)及開(kāi)挖方法如圖5所示。

圖5 隧道襯砌設(shè)計(jì)及開(kāi)挖工序斷面圖

2 隧道建模

2.1 建立模型

為了能夠真實(shí)模擬其地形地質(zhì)條件，本次建模采用MIDAS/GTS NX有限元分析軟件中特有的地形數(shù)據(jù)生成器。通過(guò)清家溝隧道右線出口段真實(shí)地形圖建立了原始地形地貌。由圣維南原理[8]和有限元離散誤差可知，隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷩鷰r的應(yīng)力和應(yīng)變影響一般不超過(guò)3倍～5倍洞跨外的范圍，因此本模型的邊界范圍取為100 m×222 m×124 m。模型邊界條件采用自動(dòng)約束條件，上表面為自由邊界，與坐標(biāo)軸Y軸互相垂直的兩平面采用Y方向約束，與坐標(biāo)軸X軸互相垂直的兩平面為X方向約束，與坐標(biāo)軸Z軸垂直的底面為完全約束[9-10]。具體三維模型如圖6所示。

圖6 有限元計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

巖土體材料模型采用Mohr-Coulomb[11-12]本構(gòu)模型，通過(guò)3D實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)和二襯采用彈性本構(gòu)模型，使用2D板單元模擬，錨桿采用1D植入式桁架模擬，數(shù)值計(jì)算方法用Newton-Simpson方法進(jìn)行迭代計(jì)算。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[13](JTG D70/2—2014)和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[14](JTG/T D70—2010)，再結(jié)合工程地質(zhì)勘察報(bào)告來(lái)選取模型參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果

在此次建模分析中，依次模擬了清家溝隧道右線出口洞口段邊坡在自然狀態(tài)下、外部施工(坡腳開(kāi)挖)、內(nèi)部施工(隧道開(kāi)挖)以及內(nèi)外組合施工(坡腳開(kāi)挖+隧道開(kāi)挖)四種工況下的穩(wěn)定性。為了進(jìn)行比較分析，計(jì)算了四種工況的穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)得出的不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、邊坡剪應(yīng)變以及洞口周邊圍巖的變形情況，分析了剪切應(yīng)變的變化特征和圍巖變形范圍。

3.1 不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

采用MIDAS/GTS NX軟件中內(nèi)置的強(qiáng)度折減系數(shù)法(SRM)[15-16]來(lái)分析四種工況的邊坡穩(wěn)定性，得到其安全穩(wěn)定性系數(shù)(見(jiàn)表2)和土體剪應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

表2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

由表2可以看出在自然狀態(tài)下，清家溝隧道洞口邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。其中外部施工(坡腳開(kāi)挖)比內(nèi)部施工(隧道開(kāi)挖)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響更大，那是因?yàn)槠履_開(kāi)挖在坡腳處形成臨空面，洞口段巖體又破碎，完整性較差，更容易在坡腳處形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)行內(nèi)外組合施工(坡腳開(kāi)挖+隧道開(kāi)挖同時(shí)進(jìn)行)，此時(shí)對(duì)邊坡的擾動(dòng)影響變?yōu)樽畲螅⒓觿×诉吰庐a(chǎn)生滑坡失穩(wěn)，產(chǎn)生較大裂縫，這也符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

3.2 不同工況下邊坡剪應(yīng)變對(duì)比分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可以得到不同工況下邊坡剪應(yīng)變圖，如圖7所示。從圖中可以看出，四種工況下邊坡的剪應(yīng)變都形成一個(gè)圓弧狀的曲面，而且都集中于從邊坡坡腳開(kāi)挖處一直延伸至邊坡坡頂這樣一個(gè)范圍。從剪應(yīng)變數(shù)值上分析，在邊坡坡頂處最小，在坡腳開(kāi)挖處達(dá)到最大。其次可以看出在自然狀態(tài)下和坡腳開(kāi)挖時(shí)，最大剪應(yīng)變范圍集中在坡腳，這也驗(yàn)證了在坡腳處容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著隧道開(kāi)挖和坡腳+隧道開(kāi)挖，最大剪應(yīng)變范圍也從坡腳向坡頂延伸，并在坡腳開(kāi)挖+隧道開(kāi)挖時(shí)貫通。基于強(qiáng)度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)判據(jù)：當(dāng)出現(xiàn)潛在滑移面貫通，就可以判定該邊坡失穩(wěn)。因此可以判斷在坡腳開(kāi)挖+隧道開(kāi)挖時(shí)邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，這也說(shuō)明了內(nèi)外組合施工對(duì)隧道洞口邊坡的擾動(dòng)最大?；谝陨咸卣鳎梢耘卸ㄟ吰滤纬傻膱A弧面就是邊坡失穩(wěn)時(shí)所產(chǎn)生的滑動(dòng)曲面。這和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況邊坡破壞所產(chǎn)生的裂縫曲線相差不大，也驗(yàn)證了在邁達(dá)斯有限元軟件中，采用強(qiáng)度折減系數(shù)法來(lái)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性也是正確的。

圖7 各種工況下剪應(yīng)變圖

3.3 開(kāi)挖完成后圍巖變形分析

根據(jù)以上分析，知道內(nèi)外組合施工擾動(dòng)下對(duì)隧道洞口邊坡的穩(wěn)定性影響最大。為了比較直觀的了解內(nèi)外組合施工對(duì)邊坡擾動(dòng)的影響，所以本次模擬了隧道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)洞口邊坡的影響范圍。選取了開(kāi)挖掌子面距離隧道洞口10 m、19 m、28 m、37 m處的洞口表面和坡腳整體位移情況，如圖8—圖11所示。

圖8 隧道開(kāi)挖距離洞口37 m位移圖

圖9 隧道開(kāi)挖距離洞口28 m位移圖

從圖8—圖11可知：剛開(kāi)始隧道向前掘進(jìn)，由于處于巖質(zhì)較好的巖層，距離洞口較遠(yuǎn)，隧道開(kāi)挖對(duì)洞口上方邊坡的影響很小。當(dāng)開(kāi)挖至洞口距離為37 m、28 m、19 m、10 m時(shí)，隧道洞口正上方5 m的位置分別發(fā)生了15.90 cm、18.3 cm、22.74 cm、33.23 cm的滑移，坡腳涵洞基礎(chǔ)處分別發(fā)生了26.62 cm、27.65 cm、28.63 cm、28.99 cm的隆起；每向前開(kāi)挖9 m，洞口處分別增加了2.40 cm、4.44 cm、10.49 cm，坡腳處分別增加了1.03 cm、0.99 cm、0.35 cm。由此可得：隨著隧道開(kāi)挖掌子面距離洞口越來(lái)越近，對(duì)隧道洞口處的位移影響范圍越來(lái)越大，并且沿洞口周邊向四周逐漸減小，對(duì)坡腳涵洞基礎(chǔ)位置的位移影響速率也在逐漸減小。

圖10 隧道開(kāi)挖距離洞口19 m位移圖

圖11 隧道開(kāi)挖距離洞口10 m位移圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)清家溝隧道洞口邊坡進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，并進(jìn)行其不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算，再對(duì)比了不同工況下邊坡剪應(yīng)變，最后分析了內(nèi)外組合施工擾動(dòng)下隧道洞口圍巖的變形情況，得出以下結(jié)論：

(1) 采用強(qiáng)度折減系數(shù)法(SRM)對(duì)清家溝隧道不同工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算表明：在自然狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.24，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。分別進(jìn)行坡腳開(kāi)挖和隧道開(kāi)挖對(duì)邊坡的穩(wěn)定性都產(chǎn)生了影響，但是邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)都大于1，邊坡還處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)在進(jìn)行坡腳和隧道同時(shí)開(kāi)挖時(shí)，其洞口邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.97，邊坡已經(jīng)發(fā)生了破壞，說(shuō)明內(nèi)外組合施工對(duì)隧道洞口處的擾動(dòng)最大。

(2) 經(jīng)過(guò)MIDAS/GTS NX三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，并結(jié)合邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽孔兓闆r分析，得到隧道邊坡剪應(yīng)變呈圓弧狀分布，沿邊坡滑移面從坡頂向下依次增大，并在坡腳處達(dá)到最大值。最大剪應(yīng)變從邊坡坡腳一直延伸至邊坡坡頂，并在內(nèi)外組合施工擾動(dòng)下形成貫通區(qū)。

(3) 清家溝隧道邊坡在隧道開(kāi)挖過(guò)程中最不穩(wěn)定部分為隧道洞口處，并且沿洞口附近向四周逐漸減小。因此，為保證隧道洞口在施工過(guò)程中的順利進(jìn)行，需要在施工時(shí)時(shí)刻監(jiān)測(cè)隧道洞口處的圍巖變形，尤其是洞口正上方的滑坡和坡腳處的拱起，并針對(duì)這種情況采取必要的加固處理措施。