基于有限元分析的公路隧道塌方處治對策研究

歐陽璐，唐明亮，王 剛，苑文博

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國交通總體發(fā)展水平的不斷提升，公路隧道工程建設(shè)也得到了長足發(fā)展，可有效節(jié)省地面建筑空間，有利于促進經(jīng)濟發(fā)展。然而在各類錯綜復(fù)雜的地質(zhì)地形條件下，隧道施工過程中可能會遭遇塌方事件，有針對性的處治方案能夠很大程度上減少二次塌方的可能性，并減輕塌方損失、保障生命財產(chǎn)安全。

針對公路隧道塌方產(chǎn)生的原因及處治對策方面，已有諸多研究成果：侯艷娟等[1]統(tǒng)計總結(jié)了多次隧道塌方事故，系統(tǒng)分析隧道塌方的具體演化過程以及產(chǎn)生的內(nèi)在原因，分別從環(huán)境原因、結(jié)構(gòu)原因以及圍巖原因三方面對其進行界定，提出了對應(yīng)的安全控制措施；張建軍等[2]利用有限元數(shù)值分析軟件對隧道施工過程中發(fā)生的塌方事件進行分析，回溯事故發(fā)生的演化過程，并結(jié)合模擬結(jié)果分析塌方原因、提出相應(yīng)整治措施；劉艷明[3]針對公路隧道施工中發(fā)生的地表塌陷事件進行數(shù)據(jù)分析，提出地表及地下水是此次塌方發(fā)生的主要原因，并擬定了針對性處治方案；曾波存等[4]針對滲水引起的隧道塌方進行研究，認(rèn)為巖體穩(wěn)定性不足等是其發(fā)生的內(nèi)在緣由，從而進行有效處治；吳永波等[5]利用有限元數(shù)值分析法，模擬得出了隧道塌方產(chǎn)生的原因，得出避免塌方發(fā)生所須重點關(guān)注的要點；張旭等[6]結(jié)合砂卵石地層公路隧道實體施工工程，提出了一種結(jié)合注漿、支撐、管棚等要素在內(nèi)的綜合處治方案，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)論證了其高效性。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中于公路隧道塌方產(chǎn)生機理方面，在論證公路隧道塌方處治相關(guān)措施有效性方面則主要依靠現(xiàn)場相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)。也有學(xué)者將有限元分析法引入了隧道塌方相關(guān)事件，但主要是用于回溯事故發(fā)生的演化過程，未能將其與相關(guān)處治方案的處治結(jié)果相結(jié)合。因此，本文依托某高速公路隧道施工工程，以施工過程中發(fā)生的塌方事件為例，提出了有效的公路隧道塌方處治對策；采用了有限元數(shù)值分析軟件以及現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測，對處治后的工程分別進行模擬與驗證。研究成果可為公路隧道施工避免塌方發(fā)生、減輕塌方損失、保障生命財產(chǎn)安全方面提供一定的經(jīng)驗參考。

1 工程背景

本文依托的公路隧道施工項目屬于分離式隧道結(jié)構(gòu)，全線分布Ⅲ級、Ⅳ級以及Ⅴ級圍巖。發(fā)生隧道塌方事件的地點位于右線隧道，設(shè)計為單向四車道，全長615 m。該隧道施工項目圍巖主要為破碎花崗軟巖、粉質(zhì)黏土，剖面圖如圖1所示。

圖1 項目地質(zhì)剖面圖

2 塌方過程簡介

在隧道塌方發(fā)生前進行了爆破施工，爆破完成后并沒有產(chǎn)生塌方先兆。后期出碴工序中施工人員發(fā)現(xiàn)拱頂處發(fā)生流砂現(xiàn)象，項目組要求立刻停止施工，并安排作業(yè)人員和機械及時撤離到安全區(qū)域。施工人員嘗試封堵流砂孔口，但因土質(zhì)疏松，未能取得預(yù)期成果。待流砂現(xiàn)象結(jié)束后，采用噴射混凝土方案對流砂區(qū)域范圍進行加固支護。在噴射混凝土過程第65 min左右，發(fā)生隧道塌方事件。經(jīng)現(xiàn)場評測估算，塌方體體積約為950 m3，上部坍塌腔體深度約為12 m。

3 原因分析及處治對策

3.1 塌方原因分析

塌方發(fā)生后，項目組立即組織力量對事件進行調(diào)查分析，并將塌方的原因歸結(jié)為三個主要方面：

3.1.1 塌方處土體下層硬上層軟

塌方事件發(fā)生處地質(zhì)條件相對較差，土體下層硬上層軟。在挖掘過程中，支護措施不完善、支護方案不適用以及支護未及時跟進等均可能引起圍巖應(yīng)力短時間內(nèi)集中驟增，直接引發(fā)塌方事件。

3.1.2 爆破進尺偏深

事故發(fā)生前隧道施工中導(dǎo)洞的上臺階已接近貫通，因此選取了一排炮的爆破方案進行處理，爆破進尺偏深，產(chǎn)生的爆破振動也相對更明顯，加之周邊土體下層硬上層軟，更加容易引發(fā)土體不穩(wěn)，最終引起塌方事件。

3.1.3 管棚注漿效果不理想

施工過程中的進洞大管棚長為30 m，但在挖掘時監(jiān)測到在15 m長度處發(fā)生侵限現(xiàn)象。此外，管棚注漿效果并不理想，無法很好地加固周圍的不穩(wěn)定土體。將發(fā)生侵限現(xiàn)象的部分管棚切除，直接導(dǎo)致棚架作用發(fā)揮不充分，從而無法保證周邊土體穩(wěn)定性。

3.2 塌方處治對策

在初步分析塌方事件發(fā)生原因后，項目組及時提出了對應(yīng)的處置對策，提出塌方洞口填土澆筑混凝土護拱、徑向注漿補強并配合掌子面法向注漿補強的綜合方案。具體的方案說明如圖2所示。

圖2 處治對策示意圖

其中砂袋回填高度與拱頂持平，在其上回填1 m厚填土并仔細(xì)夯實。塌方腔體進行錨噴網(wǎng)加固前須清除壁面松動土體，在上方地表處做好封閉并設(shè)置合理的排水措施。

4 有限元分析

4.1 模型搭建

結(jié)合公路隧道施工項目實際所處地形地質(zhì)條件，將塌方事件發(fā)生處周邊相關(guān)信息考慮在內(nèi)，建立二維有限元數(shù)字模型?？紤]到邊界條件問題，模型左右兩側(cè)方向跨度參照3倍隧道寬度，下側(cè)深度參照3倍隧道高度，最終確定有限元模型，如圖3所示。模型左右兩側(cè)邊界約束其橫向位移，模型下側(cè)邊界約束其豎向位移，只將重力作用納入計算過程，除了支護點處選擇梁單元外，其他處都選擇平面應(yīng)變單元。二次襯砌結(jié)構(gòu)的計算分析選取荷載-結(jié)構(gòu)模型方案。為了減少模擬分析計算量，徑向及法向注漿補強均以直接提升周邊土體相關(guān)參數(shù)等效替換。

圖3 有限元二維模型示意圖

4.2 參數(shù)確定

依照規(guī)范并結(jié)合工程地勘數(shù)據(jù)確定了相關(guān)土體及設(shè)施的參數(shù)，如表1所示。其中支護設(shè)施選取彈性本構(gòu)模型，隧道周邊土體則選取了Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。二次襯砌的荷載設(shè)定為設(shè)計荷載的0.7倍，側(cè)向壓力系數(shù)取值為0.4。

表1 參數(shù)確定結(jié)果表

4.3 施工步設(shè)置

模型設(shè)置的初始狀態(tài)為前文處治對策處治后的狀態(tài)，后續(xù)設(shè)定有7個施工步，如圖4所示。

圖4 施工步設(shè)置示意圖

4.4 模擬結(jié)果分析

4.4.1 位移分析

將各施工步對應(yīng)的拱頂沉降位移、水平凈空位移的模擬計算結(jié)果進行統(tǒng)計，如圖5、圖6所示。

圖5 拱頂沉降位移變化曲線圖

分析可以發(fā)現(xiàn)，二者位移均隨著施工步的推進呈現(xiàn)出先驟變后穩(wěn)定的趨勢，分界點為第4施工步，這說明下臺階開挖支護步驟對隧道穩(wěn)定性情況有著決定性作用，需要進行重點關(guān)注并加強監(jiān)測。

4.4.2 應(yīng)力分析

分析隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力情況，如下頁圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，在隧道兩側(cè)邊墻處存在最大拉應(yīng)力，數(shù)值為0.45 MPa，并不會造成防護錨噴網(wǎng)的破壞，這說明前文所述處治方案能有效保證隧道整體的穩(wěn)定性。

圖7 最大主應(yīng)力分布云圖

4.4.3 二次襯砌分析

處治后的隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)軸力及彎矩分布情況如圖8、圖9所示。

圖8 拱頂沉降位移變化云圖

圖9 水平凈空位移變化云圖

可以發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)，其中最大處位于仰拱下部，兩側(cè)分布有一定的負(fù)彎矩。其中安全系數(shù)最小值位于墻角處，為2.2，大于規(guī)范要求的2.0，這說明處治加固后的二次襯砌結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求，具有足夠的穩(wěn)定性。

5 現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測

對塌方進行針對性處治的同時對拱頂沉降和水平凈空收斂情況進行現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測，為期40 d的監(jiān)測結(jié)果匯總?cè)鐖D10所示。

圖10 現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測曲線圖

可以發(fā)現(xiàn)，處治完成15 d后，拱頂沉降和水平凈空收斂均達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，不再產(chǎn)生明顯變化，與前文有限元模擬結(jié)果高度吻合，說明處治對策對此次公路隧道塌方事件有著很好的適用性。

6 結(jié)語

本文依托某高速公路隧道施工工程，以施工過程中發(fā)生的塌方事件為例，提出了有效的公路隧道塌方處治對策；采用了有限元數(shù)值分析軟件以及現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測，對處治后的工程分別進行模擬與驗證，得出如下主要結(jié)論：

(1)事件發(fā)生的主要原因包括塌方處土體下層硬上層軟、爆破進尺偏深以及管棚注漿效果不理想等。

(2)下臺階開挖支護步驟對隧道穩(wěn)定性情況有著決定性作用，需要重點關(guān)注并加強監(jiān)測。

(3)塌方洞口填土澆筑混凝土護拱、徑向注漿補強并配合掌子面法向注漿補強的綜合方案能夠有效處治公路隧道塌方事件。