反壓回填法在隧道明洞偏壓處治工程中的應(yīng)用

吳 桐，張 雙

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080; 2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110166)

0 引 言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸工程技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，在跨越海峽、河流、山嶺工程中，隧道結(jié)構(gòu)以其成熟的施工技術(shù)，超長(zhǎng)的貫通能力而被廣泛采用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)技術(shù)也得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1-2]。在隧道服役過(guò)程中，部分工程病害逐漸顯現(xiàn)，這些病害影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性[3-4]。

隧道偏壓現(xiàn)象是指隧道段兩側(cè)承受不均勻荷載而使襯砌結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象[5-6]。在隧道進(jìn)出口的明洞段，由于明洞一側(cè)是淺埋回填，另一側(cè)為山體，這種偏壓地形使明洞常受到偏壓荷載作用[7-8]。

本文結(jié)合遼寧省高速公路某隧道明洞段偏壓病害情況，對(duì)病害的成因進(jìn)行了詳細(xì)分析。根據(jù)病害情況選用反壓回填法作為處治方法，并通過(guò)Midas-GTS有限元分析模型驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

1 隧道病害情況

1.1 隧道概況

某雙洞分離式隧道位于遼寧省東南部丘陵地區(qū)，長(zhǎng)度為1 400 m，斷面凈寬為10.75 m；一般斷面形式為三心圓拱形曲墻式，洞門(mén)為削竹式，施工方法為“新奧法”。隧道入口側(cè)明洞段處于偏壓地形上，明洞左側(cè)為回填土，填土坡度為1∶1.3～1∶1.4，明洞右側(cè)為山體，山體高度為40～50 m，坡度為1∶2～1∶2.5，明洞段長(zhǎng)度為71 m。

1.2 病害情況

2015年9月中旬，工程日常養(yǎng)護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)距隧道入口側(cè)50 m、60 m處施工縫位置，襯砌拱頂及兩腰有施工縫開(kāi)裂及變形錯(cuò)臺(tái)跡象，見(jiàn)圖1(a)、圖1(b)；入口明洞段右側(cè)拱腰存在大量縱向裂縫，見(jiàn)圖1(c)。為防止襯砌脫落危害交通，及時(shí)清除可能脫落的防火涂層，然后對(duì)此病害進(jìn)行觀察監(jiān)測(cè)。當(dāng)年9月到次年3月，工作人員在觀察監(jiān)測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)變形錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象有進(jìn)一步發(fā)展的跡象。次年3月之后，并未發(fā)現(xiàn)此病害有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。病害的整體狀況見(jiàn)圖2。

圖1 洞口病害Fig.1 Tunnel portal section diseases

圖2 隧道病害整體情況(①～⑦為板塊編號(hào))Fig.2 Overall condition of tunnel diseases

1.3 病害原因分析

通過(guò)對(duì)隧道入口側(cè)現(xiàn)場(chǎng)檢查及對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行復(fù)查，分析病害產(chǎn)生原因：洞口淺埋段存在偏壓。明洞段襯砌病害出現(xiàn)在當(dāng)年9月到次年3月，這一時(shí)段經(jīng)歷秋雨和春融季節(jié)，秋季雨水及春季融水滲入到土體中，造成原土體黏聚力c，內(nèi)磨擦角φ變小，土體抗剪強(qiáng)度降低，存在蠕動(dòng)現(xiàn)象，增加明洞側(cè)向壓力；同時(shí)，明洞段人工填土與原始山體結(jié)合部位形成地表水下滲的通道，滲水通道加重土體的蠕動(dòng)趨勢(shì)，增大明洞段偏壓程度。隧道入口側(cè)地形較為復(fù)雜，明洞段左側(cè)為回填邊坡，坡度為1∶1.3～ 1∶1.4，無(wú)法阻擋明洞段右側(cè)的圍巖壓力，使明洞段產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、裂縫等病害。

2 處治方案

根據(jù)設(shè)計(jì)文件、現(xiàn)場(chǎng)勘查及連續(xù)觀測(cè)結(jié)果，為了隧道運(yùn)營(yíng)安全，保證一次修復(fù)、長(zhǎng)久使用并避免明洞段再次發(fā)生諸如偏壓、錯(cuò)臺(tái)等襯砌病害問(wèn)題，決定采取反壓回填方法對(duì)明洞段進(jìn)行處治。對(duì)明洞段左側(cè)邊坡進(jìn)行反壓回填處理，使原始坡度1∶1.3～1∶1.4變?yōu)?∶1.75。由于明洞邊坡坡腳位于封閉的中央分隔帶處，屬于低洼且排水不良地帶，應(yīng)增設(shè)邊坡、坡腳處的排水設(shè)施及中央分隔帶內(nèi)的蒸發(fā)池[9]。處治工程的平面布置見(jiàn)圖3(a)，反壓回填斷面見(jiàn)圖3(b)，排水設(shè)施斷面見(jiàn)圖3(c)～3(f)。

圖3 洞口處治方案(單位: cm)Fig.3 Maintenance project for tunnel portal section (unit: cm)

3 模擬計(jì)算

3.1 荷載結(jié)構(gòu)法

荷載結(jié)構(gòu)法將隧道圍巖作用力等效為地層壓力，并假設(shè)襯砌在等效的地層壓力下保持平衡和穩(wěn)定?；酒胶夥匠虨?/p>

[K]{δ}={P}

(1)

其中：[K]為襯砌整體剛度矩陣；{δ}為襯砌結(jié)點(diǎn)位移列向量，即{δ}=[δ1,δ2,…,δm]T；{P}為襯砌結(jié)點(diǎn)荷載列向量，即{P}=[P1,P2, …,Pm]T。

3.2 有限元模型

為了分析反壓回填方案能否達(dá)到處治效果，應(yīng)用Midas-GTS有限元分析軟件對(duì)隧道進(jìn)行受力計(jì)算。建立隧道襯砌的二維模型，根據(jù)荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算原則，假設(shè)圍巖荷載以地層壓力的方式施加到襯砌結(jié)構(gòu)物上。采用梁?jiǎn)卧M襯砌結(jié)構(gòu)，采用曲面彈簧模擬圍巖與襯砌間的相互作用。明洞段斷面見(jiàn)圖4，隧道有限元模型見(jiàn)圖5，襯砌及曲面彈簧相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。隧道在初始狀態(tài)下的受力情況見(jiàn)圖6。

表1 模型相關(guān)參數(shù)Table 1 Model parameters

圖4 明洞段斷面Fig.4 Tunnel portal cross-section

圖5 隧道有限元模型Fig.5 Finite element model of tunnel

圖6 隧道受力示意圖Fig.6 Tunnel force state under external load

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，明洞段各部位的初始豎直土壓力和水平土壓力計(jì)算結(jié)果為：q1=46 kN·m-2；q2=106 kN·m-2；e1=26.7 kN·m-2；e2=110.2 kN·m-2；e3=26.7 kN·m-2；e4=125.3 kN·m-2。隧道在初始荷載下的模型見(jiàn)圖7。

圖7 隧道在初始狀況下受力模型Fig.7 Tunnel force model in initial condition

3.3 計(jì)算結(jié)果

1)初始狀態(tài)模擬。通過(guò)計(jì)算，在初始狀態(tài)下，隧道襯砌由于偏壓作用產(chǎn)生了一定的橫向位移，最大值為5.5 mm。隧道在初始狀態(tài)下的位移見(jiàn)圖8。

圖8 隧道在初始狀態(tài)下的位移云圖Fig.8 Disp. nephogram under initial load

2)病害荷載模擬。分析假定：認(rèn)為在外部荷載的作用產(chǎn)生了30～80 mm的橫向位移(現(xiàn)場(chǎng)病害：5、6號(hào)襯砌板塊間的錯(cuò)臺(tái)值)。在隧道偏壓側(cè)增加外部荷載作用，使襯砌向左側(cè)產(chǎn)生30～80 mm的病害位移。經(jīng)計(jì)算得出：當(dāng)隧道左側(cè)拱腰相對(duì)位移值為84.5 mm時(shí)，隧道右側(cè)增加荷載值為隧道右側(cè)初始荷載e3、e4的3.4倍。此時(shí)e3=90.8 kN·m-2、e4=426 kN·m-2。隧道襯砌在求解的外部荷載作用下變形情況見(jiàn)圖9。

圖9 外部荷載作用下隧道位移云圖Fig.9 Disp. nephogram under external load

3)反壓回填土模擬。反壓回填產(chǎn)生的附加壓力為

F=γVsin(π/2-θ)

(2)

式中：γ為土體重度；v為土體體積；θ為原始坡角。本工程中，反壓回填土體重度為20 kN·m-3，原始坡角為36°。

土體作用在坡面上的垂直力為F1=1 275 kN。將力按梯度分布?jí)毫ψ饔迷谝r砌上，得到：Q下=145.5 kN·m-2；Q上=32.5 kN·m-2。施加反壓回填荷載后隧道變形情況見(jiàn)圖10。

由圖10可見(jiàn)，在反壓回填處治方法下，襯砌在反壓方向的最大位移值為51.2 mm。反壓回填能在一定程度上起到抑制襯砌變形。模型內(nèi)各點(diǎn)位移見(jiàn)表2。

表2 模型節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的位移Table 2 Disp. of model nodes under loads mm

圖10 反壓回填作用下隧道位移云圖Fig.10 Disp. nephogram under backpressure backfilling

當(dāng)作用在襯砌右側(cè)荷載為初始荷載的3.4倍時(shí)，明洞段最大產(chǎn)生84.5 mm的錯(cuò)位，采用反壓回填處治能抵消35%～68%的錯(cuò)位變形，說(shuō)明反壓回填能有效抑制明洞段錯(cuò)臺(tái)的發(fā)展。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)遼寧省高速公路某隧道明洞段偏壓現(xiàn)象進(jìn)行了病害原因分析、處治方案設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1)隧道明洞段位于偏壓地形上、回填土無(wú)法形成有效的支護(hù)、地下水的滲流造成土體抗剪強(qiáng)度降低是造成隧道明洞段偏壓病害形成的原因。在隧道的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，對(duì)于明洞段較長(zhǎng)的隧道，在秋雨和春融季節(jié)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)明洞的監(jiān)控。

2)反壓回填法是處治隧道明洞偏壓的有效方法。該方法中回填壓力與偏壓荷載達(dá)到新的平衡，可抵消明洞段襯砌偏壓所產(chǎn)生的錯(cuò)位，減緩明洞偏壓病害。在隧道設(shè)計(jì)和維修處治過(guò)程中，應(yīng)對(duì)隧道明洞段及偏壓荷載情況進(jìn)行模擬和分析，確定最優(yōu)的明洞段回填方式。