公路掛壁隧道圍巖穩(wěn)定性研究

黃康

重慶交通大學(xué)，中國·重慶 400074

1 引言

20世紀60年代中國山區(qū)勞動人民為走出深山，在無現(xiàn)代機械的情況下，僅憑鋼釬和鐵錘在太行山近90°峭壁上開鑿出了30 多個“窗口”，由此形成工作面人工開挖長達數(shù)公里的掛壁公路。曾經(jīng)的“窗口”目的在于形成工作面、自然通風(fēng)及采光、傾倒挖出的石渣；如今這些“窗口”成為各地游客游覽的觀景臺。其修建沒有國家規(guī)范作為指導(dǎo)，也缺乏詳盡的工程地質(zhì)與水文資料，更沒有科學(xué)研究作為基礎(chǔ)。目前國際上對此類結(jié)構(gòu)研究較少，論文將對此類結(jié)構(gòu)進行研究，為未來的相似工程提供參考。

2 研究背景

中國山區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)一側(cè)緊鄰山體，另一側(cè)是河流深谷的路段，多以路基的形式修建，在建設(shè)期間需要大面積刷坡，形成多級高邊坡，此種方式建設(shè)成本高，對環(huán)境保護不利，運營期間落石掉落導(dǎo)致交通中斷[1]。中國西南地區(qū)多為厚層石灰?guī)r，巖質(zhì)堅硬，山中村民為解決出行煩惱，在沒有國家規(guī)范和標準的指導(dǎo)，缺乏詳細的工程地質(zhì)、地貌和水文資料的情況下，僅憑對家鄉(xiāng)的了解，對掛壁隧道進行選線，在沒有施工機械、不敢大規(guī)模使用炸藥的情況下，利用繩索懸掛在巖壁，用鐵鍬鑿開巖壁制造施工平臺，進入到山體內(nèi)部后再利用鐵錘和鋼釬慢慢掘進，最終形成在臨空側(cè)間隔開洞的半山洞路基和類棚洞相結(jié)合的掛壁隧道[2,3]。

3 數(shù)值模型建立

針對掛壁隧道的特殊位置、開窗位置及圍巖條件，利用FLAC3D 有限差分軟件對掛壁隧道在不同傾斜度下位移、圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)等方面進行數(shù)值模擬，分析其變化規(guī)律。

3.1 計算模型及邊界條件

隧道寬7.2m，高度為7m；側(cè)壁窗口為寬5m，高6m 的矩形，厚2m。在水平方向上取60m；在垂直方向上取120m；在縱深方向上，模型長度取50m。傾斜度為80°和90°。

3.2 計算參數(shù)

圍巖按照實際掛壁隧道情況未進行支護，圍巖材料按照JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》第一冊土建工程選取，見表1。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 開挖圍巖應(yīng)力分析

拱頂最大主應(yīng)力隨巖壁傾斜度i 的增加變化較小，開挖完成后最大主應(yīng)力值均為正值，表現(xiàn)為拉應(yīng)力；拱頂最小主應(yīng)力隨掌子面推進呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在第一個側(cè)壁開洞完成后，由于開挖卸荷的原因?qū)е伦钚≈鲬?yīng)力減小約800KPa，最終為負值，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，開挖結(jié)束后的應(yīng)力值相差較小，表明崖壁傾斜度對拱頂最小主應(yīng)力的影響較小。當(dāng)i ＝90°時，臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力值為-3.8MPa，靠山側(cè)邊墻為-2.4MPa，由于臨空面的存在，使得臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力比靠山側(cè)邊墻大（見圖1）。

圖1 不同巖壁傾斜度圍巖最大主應(yīng)力云圖

4.2 開挖圍巖位移分析

由圖2可知，隨巖壁傾斜度的增大，主隧道拱頂沉降區(qū)域和側(cè)壁洞頂沉降區(qū)域由孤立的兩個區(qū)域逐漸聯(lián)通為一個整體，表明這一區(qū)域有整體下移的趨勢，數(shù)值也與巖壁傾斜度正相關(guān)；巖壁傾斜度的增加對靠山側(cè)邊墻橫向位移區(qū)域有明顯增大趨勢。靠山側(cè)邊墻橫向位移與巖壁傾斜度呈正向關(guān)系，巖壁傾斜度為90°時位移達最大值，為0.74mm；臨空側(cè)邊墻位移隨開挖進尺增加逐漸增大，在前兩個側(cè)壁開挖時位移有所減小，后繼續(xù)增大，第二個側(cè)壁開挖后位移逐漸穩(wěn)定，最大值為i=90°時，為0.66mm。

圖2 不同側(cè)壁洞寬圍巖橫向位移云圖

巖柱的橫向位移受巖壁傾斜度的影響不大，側(cè)壁開洞對其位移增大有減緩趨勢。側(cè)壁洞頂位移在開挖至24m 時位移大幅增加，后變化速率逐漸減小，且與巖壁傾斜度正相關(guān)，不同工況下側(cè)壁洞頂位移值分別為-2.19mm、-2.44mm，增長率分別為側(cè)壁洞頂位移增長率先增大，后趨于平穩(wěn)。

4.3 圍巖塑性區(qū)對比分析

由圖3可知，巖壁傾斜度對圍巖的塑性區(qū)分布影響較小，主要集中在拱頂、底板和側(cè)壁洞頂和洞底，塑性區(qū)范圍主要在拱頂以上2.5m，底板以下2.8m，側(cè)壁洞頂1m，底板1m。，當(dāng)i=80°時，側(cè)壁洞底塑性區(qū)深度與拱頂塑性區(qū)深度之比在40%起伏，說明此范圍內(nèi)巖壁傾斜度的改變對拱頂與側(cè)壁洞頂塑性區(qū)深度的影響不大，當(dāng)i=90°時，拱頂塑性區(qū)深度增大，使得比值減小9%，應(yīng)關(guān)注隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性。

圖3 不同工況下塑性區(qū)分布圖

5 結(jié)語

論文針對影響掛壁隧道圍巖穩(wěn)定的兩個因素，采用有限差分軟件FLAC3D 建立了不同側(cè)壁開洞寬度和巖壁傾斜度的掛壁隧道圍巖穩(wěn)定三維模型，分析了不同工況下掛壁隧道應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分布規(guī)律，主要結(jié)論如下：

①拱頂最大主應(yīng)力受巖壁傾斜度改變的影響較小，底板最大主應(yīng)力與巖壁傾斜度呈正向關(guān)系。

②巖壁傾斜度改變對拱頂最小主應(yīng)力影響較小，對臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力影響較大。

③巖壁傾斜度改變所有工況下，側(cè)壁洞頂位移均大于拱頂位移，實際工程中應(yīng)加強對側(cè)壁洞頂位移的監(jiān)控量測。由于未設(shè)支護和靠近巖壁臨空面，隧道兩側(cè)邊墻位移沒有出現(xiàn)水平收斂現(xiàn)象，側(cè)壁開洞兩側(cè)位移趨勢表現(xiàn)為洞周收斂。

④巖壁傾斜度對隧道周邊塑性區(qū)深度影響較小。