高邊仰坡下方隧洞群開挖施工的安全性分析

張安睿

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550009)

目前，對于地下洞室與邊坡之間的相互影響作用的研究主要集中在兩個方面，即地下洞室開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響、邊坡開挖對地下洞室穩(wěn)定性的影響，且現(xiàn)階段對這兩個方面的研究均取得了一些成果[1]。其中，在地下洞室開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響方面，目前的研究方法主要有極限平衡法和數(shù)值分析方法[2-3]，如朱合華等[4]通過有限元三維彈塑性模型，利用強度折減法對隧道施工過程中邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)坡體的穩(wěn)定性受隧道施工的影響較為明顯，但最終會趨于穩(wěn)定;徐衛(wèi)亞等[5]對邊坡巖體內(nèi)進(jìn)行地下洞室開挖后邊坡力學(xué)狀態(tài)的改變及洞室?guī)r體穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究;董慧明等[6]采用極限平衡法與格里菲斯強度理論，研究了地下洞室開挖對露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響；王建秀等[7]通過對隧道邊坡變形的三維監(jiān)測及隧洞內(nèi)變形的監(jiān)測，確定了隧道邊坡三維變形的基本模式；萬文[8]關(guān)于地下采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響研究較為系統(tǒng)，并采用加速混合遺傳算法分析了不同大小、位置的地下老采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響。

此外，地下洞室開挖對其他工程的影響研究也取得了相關(guān)成果[9-12]，這些成果所采用的理論與方法為研究地下洞室與邊坡之間的相互影響作用提供了新的思路。但關(guān)于地下洞室開挖對邊坡穩(wěn)定性影響的研究仍需進(jìn)一步深入，如地下洞室群的開挖對高邊仰坡穩(wěn)定性的影響等。

地下洞室群的開挖較單一隧道開挖情況更為復(fù)雜，相關(guān)施工工序的交叉作用及其對邊坡穩(wěn)定性的影響較為不明確。因此，為了明確地下洞室群開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響作用，本文針對國高網(wǎng)G8012彌勒至楚雄高速公路玉溪至楚雄段(即玉楚高速公路)綠汁江特大橋玉溪岸隧道錨及主線連拱隧道工程，采用三維有限元數(shù)值分析軟件對高邊仰坡下方隧洞群開挖施工的相互影響以及對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，旨在為類似工程建設(shè)提供一定的參考。

1 工程概況及施工順序確定

1.1 工程概況

玉楚高速公路綠汁江特大橋段為雙向四車道，設(shè)計車速為100 km/h。綠汁江特大橋為主跨780 m的單塔單跨鋼箱梁懸索橋，橋梁全長為798 m，兩岸均直接與隧道連接，僅在玉溪岸設(shè)置索塔，索塔高為156 m；兩岸錨碇均為隧道錨，玉溪岸隧道錨左右幅錨碇位于鳳凰隧道出口下方。

鳳凰隧道為分岔隧道(進(jìn)口段為分離式隧道，出口段為連拱隧道)，左幅長2 112.2 m，右幅長2 125 m。

玉溪岸左側(cè)高仰坡設(shè)計方案為8級坡，各級邊坡的坡率均為1∶0.3，中間設(shè)2 m寬平臺，采用框架錨索+掛網(wǎng)錨噴進(jìn)行防護(hù)，坡口線外2 m設(shè)截水溝;玉溪岸右側(cè)高邊坡設(shè)計方案為8級坡，第1級邊坡采用抗滑樁+冠梁+錨索進(jìn)行防護(hù)，第1級平臺設(shè)排水溝，第2級邊坡的坡率為1∶0.5，其余邊坡的坡率為1∶0.3，第2～7級邊坡采用框架錨索+掛網(wǎng)錨噴進(jìn)行防護(hù)，坡口線外2 m設(shè)截水溝，如圖1至圖3所示。

圖1 綠汁江特大橋橋型設(shè)計圖

圖2 邊坡及洞室分布圖

圖3 鳳凰隧道平面布置圖

1.2 高邊仰坡下方隧洞群開挖施工順序確定

多洞室開挖施工順序的確定是本工程的重難點，結(jié)合本工程實際，考慮的主要影響因素如下：

(1) 多洞室開挖對高邊仰坡擾動的影響。由于隧道錨位于高邊坡、高仰坡底部+“淺表層”，多洞室開挖卸載對上方高邊坡、高仰坡穩(wěn)定性的影響較大，故左、右幅隧道錨同時開挖施工的安全風(fēng)險較大，不宜同時施做。

(2) 施工工序的影響。由于右側(cè)洞室洞口位于高邊坡、高仰坡兩個高坡交點處，右側(cè)洞室開挖施工對右側(cè)高邊坡、高仰坡穩(wěn)定性的影響較大，而且右側(cè)洞室施工工序復(fù)雜、施工周期長，會導(dǎo)致后續(xù)作業(yè)不能快速開始，故不宜先施做右側(cè)洞室。

(3) 洞室交叉施工的影響。由于洞室交叉施工的影響，故隧道錨與上方隧道不宜同時進(jìn)洞。

(4) 場地條件的影響。受地形條件的限制，現(xiàn)場僅能提供2個洞室同時進(jìn)洞施工作業(yè)的場地條件。

(5) 工程工期的影響。隧道錨的工期節(jié)點會影響綠汁江特大橋工程的施工進(jìn)度，而鳳凰隧道同時也是該工程項目工期的控制節(jié)點。

為了減少隧洞群開挖施工對高邊仰坡的擾動，同時考慮橋隧施工的特點、洞室交叉施工和場地條件的影響以及控制工程工期的目標(biāo)，擬定高邊仰坡下方隧洞群開挖施工的順序如下：

(1) 主線隧道連拱段中導(dǎo)洞進(jìn)洞；

(2) 左幅隧道錨進(jìn)洞施工；

(3) 左幅隧道錨施做完成后，主線隧道左幅進(jìn)洞施工；

(4) 右幅隧道錨進(jìn)洞施工；

(5) 右幅隧道錨施做完成后，主線隧道右幅進(jìn)洞施工。

綜合分析，該開挖施工工序可較快地給橋、隧分別提供施工作業(yè)面，可有效降低橋隧交叉施工的影響，但尚需開展以下研究分析：

(1) 初步擬定的開挖施工工序是否安全？

(2) 左幅隧道進(jìn)洞施工進(jìn)尺多少時，右幅隧道錨可進(jìn)洞施工？

針對以上問題，通過建立數(shù)值模型開展了相應(yīng)的數(shù)值模擬計算，以為工程施工提供支撐。

2 高邊仰坡下方隧洞群計算模型建立

為了分析隧洞群開挖施工對高邊仰坡穩(wěn)定性及洞室自身穩(wěn)定性的影響開展了數(shù)值模擬計算，構(gòu)建了1～8級邊坡開挖體、隧道錨及連拱隧道等施工構(gòu)筑物網(wǎng)格模型，其中模型四周采用固端約束，頂面為自由面，網(wǎng)格數(shù)約15萬個(見圖4)，并將其與含灰?guī)r夾白云質(zhì)板巖和板巖夾白云質(zhì)灰?guī)r的山體模型組合，建立了含地表的三維數(shù)值模擬網(wǎng)格模型，見圖5。

圖4 工程主體施工構(gòu)筑物網(wǎng)格模型(包含中導(dǎo)洞)

圖5 含地表的三維數(shù)值模擬網(wǎng)格模型

由于工程區(qū)主要位于灰?guī)r夾白云質(zhì)板巖和板巖夾白云質(zhì)灰?guī)r內(nèi)，灰?guī)r夾白云質(zhì)板巖主要以白云質(zhì)灰?guī)r為主，板巖夾白云質(zhì)灰?guī)r主要以板巖為主，因此本文采用摩爾庫倫模型模擬灰?guī)r夾白云質(zhì)板巖，采用考慮層狀結(jié)構(gòu)面分布的層狀巖體彈塑性力學(xué)模型，即針對圍巖強度各向異性特點的遍布節(jié)理模型模擬板巖夾白云質(zhì)灰?guī)r。參考工程區(qū)勘察報告，本次數(shù)值模擬計算所采用的巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3 隧洞群開挖施工對高邊仰坡穩(wěn)定性的影響分析

由于中導(dǎo)洞斷面較小，左幅隧道錨施工對中導(dǎo)洞及邊坡的影響相對較小，故不做專門分析，本文主要針對以下關(guān)鍵工序或工況進(jìn)行分析：

(1) 左主洞隧道開挖施工對中隔墻、左幅隧道錨及高邊仰坡等的影響。

(2) 右幅隧道錨與左主洞隧道施工間距分析，分別計算了5 m、10 m、15 m三種工況。

(3) 右幅隧道錨開挖施工對高邊仰坡、左幅隧道錨等的影響。

(4) 右幅主洞隧道開挖施工對高邊仰坡、隧道錨、左主洞等的影響。

3.1 左主洞隧道開挖施工對中隔墻、左幅隧道錨及邊仰坡的影響

左主洞隧道開挖施工的影響模擬計算結(jié)果，見表2。

表2 左主洞隧道開挖施工的影響模擬計算結(jié)果

3.1.1 對隧道圍巖及中隔墻的影響分析

左主洞隧道開挖施工及二次襯砌支護(hù)后，典型斷面隧道圍巖的位移和塑性區(qū)分布云圖，見圖6。

圖6 左主洞隧道開挖施工后典型斷面隧道圍巖的位移和塑性區(qū)分布云圖

由圖6可見,左主洞隧道頂部及邊墻圍巖最大位移僅為24～25 mm，且圍巖塑性區(qū)分布只有少許單元，無連續(xù)或貫通性塑性區(qū)，而且開挖深度越深，圍巖發(fā)生塑性變形的單元越少，表明在左主洞隧道開挖施工5～15 m范圍內(nèi)圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

左主洞隧道開挖施工及二次襯砌支護(hù)后中隔墻的位移分布云圖，見圖7。

圖7 左主洞隧道開挖施工后中隔墻的位移分布云圖(上表面10 mm位移)

由圖7可見，中隔墻最大位移位于洞口中隔墻底部，洞口臨空處最大位移約為45 mm，其他部位位移均小于5 mm。

3.1.2 對左錨洞圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

左主洞隧道開挖支護(hù)5 m、10 m、15 m后，左錨洞圍巖累計位移、位移增量和塑性區(qū)、塑性區(qū)增量分布云圖，見圖8。

圖8 左主洞隧道開挖支護(hù)5 m、10 m、15 m后左錨洞圍巖累計位移、位移增量和塑性區(qū)、塑性區(qū)增量分布云圖

由圖8可見：左主洞隧道開挖支護(hù)5 m后，左錨洞拱頂及邊墻圍巖的累計位移約為5 mm，位移增量約為2.5～5 mm，兩者量值均較小，因此隧道左主洞開挖支護(hù)5 m時左錨洞圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；左主洞隧道開挖支護(hù)10 m后，左錨洞拱頂及邊墻圍巖的累計位移為5～7.5 mm，位移增量約為2～3 mm，兩者量值均較小，同時左錨洞圍巖僅在其底板部位產(chǎn)生局部塑性區(qū)，因此左主洞隧道開挖支護(hù)10 m時左錨洞圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；左主洞隧道開挖支護(hù)15 m后，左錨洞拱頂及邊墻圍巖的累計位移為2～7 mm，位移增量約為1～2 mm，兩者量值均較小，同時左錨洞圍巖未產(chǎn)生塑性區(qū)，因此左主洞隧道開挖圍巖15 m時左錨洞圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

上述模擬計算結(jié)果表明，左主洞隧道開挖支護(hù)5～15 m范圍內(nèi)對左錨洞圍巖的影響較小，左錨洞圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.3 對仰坡及右邊坡穩(wěn)定性的影響分析

左主洞隧道開挖施工及二次襯砌支護(hù)后引起的仰坡位移增量分布云圖見圖9。

圖9 左主洞隧道開挖支護(hù)后引起的仰坡位移增量分布云圖

由圖9可見，在左主洞拱頂一級仰坡處新增約10 mm位移，說明受左主洞隧道施工的影響，引起的仰坡變形很小，因此左主洞隧道開挖施工對仰坡的影響小。

左主洞隧道開挖施工及二次襯砌支護(hù)后引起的右側(cè)邊坡位移增量分布云圖，見圖10。

由圖10可見，左主洞隧道開挖施工引起的右側(cè)邊坡位移增量較小，均小于5 mm。因此，左主洞隧道開挖施工對右側(cè)邊坡的影響甚微，右側(cè)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 左主洞隧道開挖支護(hù)后引起的右側(cè)邊坡位移增量分布云圖

3.2 右幅隧道錨與左主洞隧道施工間距分析

由于右幅隧道錨施工時機控制著右幅主線隧道施工時機，因此期望在左幅隧道錨施工完成后要盡快施做右幅隧道錨，同時為了減小左右幅隧道錨交叉施工對洞室群圍巖穩(wěn)定性的影響，需對左主洞隧道先行于右幅隧道錨的距離進(jìn)行模擬計算分析。本文在考慮不利圍巖與初期支護(hù)條件下，對左主洞隧道先行右幅隧道錨的距離分別為5 m、10 m及15 m三種方案下橫斷面上圍巖位移進(jìn)行了模擬計算，得到y(tǒng)=5 m、y=10 m、y=15 m及y=20 m橫斷面上圍巖位移分布云圖，見圖11至圖14。

由圖11至圖14可見：隨著右幅隧道錨與左主洞隧道空間距離的增大，3種計算方案下圍巖位移分布基本一致，即在右幅隧道錨左側(cè)邊墻與左主洞隧道底板方向存在連通位移，其量值由y=5 m橫斷面上的20～25 mm至y=20 m橫斷面上的10～15 mm逐漸減??；但這一過程中，在y=15 m斷面上圍巖位移分布不同之處在于左主洞隧道與左右幅隧道錨之間的15～20 mm分布區(qū)域，左主洞隧道先行右幅隧道錨的距離為15 m計算方案比另外兩種計算方案該區(qū)域的范圍要明顯?。淮送?，由y=20 m橫斷面上圍巖位移分布云圖可知，3條洞室施工的圍巖位移連通已不顯著，表明在左主洞隧道與右幅隧道錨施工過程中應(yīng)重點關(guān)注入洞20 m范圍內(nèi)隧道施工的相互影響。

圖11 3種計算方案下y=5 m橫斷面上圍巖位移分布云圖

圖12 3種計算方案下y=10 m橫斷面上圍巖位移分布云圖

圖13 3種計算方案下y=15 m橫斷面上圍巖位移分布云圖

圖14 3種計算方案下y=20 m橫斷面上圍巖位移分布云圖

3.3 右幅隧道錨開挖施工對邊仰坡、左幅隧道錨等的影響

右幅隧道錨開挖施工的影響模擬計算結(jié)果，見表3。

由表3可知：右幅隧道錨開挖施工及二次襯砌支護(hù)后，開挖斷面處圍巖位移逐漸減小，在開挖5～40 m范圍內(nèi)，圍巖最大位移位于開挖斷面5 m處，拱頂最大位移為10～15 mm，邊墻最大位移為15～20 mm，整體位移量值均較小；隨著右幅隧道錨開挖，左主洞隧道5 m、10 m及15 m開挖斷面處圍巖位移增量為1～2 mm，整體位移增量較小，中隔墻、左幅隧道錨位移增量均小于1 mm，說明右幅隧道錨開挖施工對中隔墻、左幅隧道錨的影響較小，中隔墻、左幅隧道錨處于穩(wěn)定狀態(tài)；受右幅隧道錨開挖的影響，右側(cè)邊坡位移增量較小，均小于5 mm，表明右幅隧道錨開挖施工對右側(cè)邊坡的影響很小，右側(cè)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 右幅隧道錨開挖施工的影響模擬計算結(jié)果

3.4 右幅主洞隧道開挖施工對邊仰坡、隧道錨、左主洞等的影響

右幅主洞隧道開挖施工的影響模擬計算結(jié)果，見表4。

表4 右幅主洞隧道開挖施工的影響模擬計算結(jié)果

由表4可知：右幅主洞隧道開挖施工及二次襯砌支護(hù)后，隨著右幅主洞隧道開挖，開挖斷面處圍巖位移逐漸減小，在開挖5～15 m范圍內(nèi)，圍巖最大位移位于開挖斷面10 m處，拱頂最大位移為5～10 mm，邊墻最大位移為10～25 mm，整體位移量值均較小，因此右幅主洞隧道開挖10 m范圍內(nèi)右主洞右側(cè)邊墻及拱頂部位變形稍大，但在安全變形許可范圍內(nèi)，建議施工時加強觀測；隨著右幅主洞隧道開挖，中隔墻位移增量較小，僅在洞口5 m范圍內(nèi)產(chǎn)生2～3 mm位移，因此其施工對中隔墻的影響很??；隨著右幅主洞隧道開挖，左幅隧道錨及右幅隧道錨位移增量較小，分別小于1.5 mm、5 mm，說明右幅主洞隧道開挖施工對右幅隧道錨及左幅隧道錨的影響甚微；仰坡最大位移增量位于右主洞拱頂與一級邊坡交接處，位移增量約為15 mm，其他部位仰坡位移增量均小于5 mm，說明右幅主洞隧道施工對邊仰坡的影響小，仰坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；右側(cè)邊坡位移增量較小，均小于5 mm，說明右幅主洞隧道施工對右側(cè)邊坡的影響小，右側(cè)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 工程驗證

數(shù)值模擬計算分析結(jié)果顯示，采用本文提出的高邊仰坡下方隧洞群開挖安全控制技術(shù)，主洞、中隔墻、隧道錨、邊仰坡均處于安全狀態(tài)。為了安全起見，針對計算結(jié)果中出現(xiàn)的圍巖塑性區(qū)重點發(fā)展部位、結(jié)構(gòu)相對薄弱位置采取了注漿加固措施，即在右幅主洞隧道右側(cè)靠近邊坡、仰坡區(qū)域采用L=600～900 cm的Φ42小導(dǎo)管注漿加固，左幅主洞隧道下部及右幅主洞隧道部分下部采用L=450 cm的Φ42小導(dǎo)管注漿加固，具體加固措施見圖15。

圖15 加固措施

為了驗證上述數(shù)值模擬計算結(jié)果的合理性，對左幅主洞隧道開挖施工后圍巖的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，其結(jié)果見圖16。共選取3個斷面，分別為ZK102+436、ZK102+426、ZK102+421，其拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分別為27 mm、34 mm、36 mm，平均值為32 mm。數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示，左洞洞頂沉降量為24～25 mm，模擬計算結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為相近。但存在一定的誤差，且左幅主洞隧道初期支護(hù)并未出現(xiàn)開裂滲水等不良現(xiàn)象，邊坡也未出現(xiàn)較大變形。由此可以判斷圍巖變形均在安全控制范圍內(nèi)，處于安全狀態(tài)。

圖16 左幅主洞隧道開挖施工后圍巖的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

從目前工程實際情況分析，本文提出的高仰邊坡下方隧洞群開挖安全控制技術(shù)取得了顯著的工程控制效果，為多洞室的安全順利開挖施工提供了技術(shù)保證。

5 結(jié) 論

本文針對玉楚高速公路綠汁江特大橋玉溪岸高邊仰坡下方隧洞群施工的相互影響，采用數(shù)值模擬分析方法，模擬了主洞及隧道錨交叉施工全過程，對洞室群及邊仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價，得到如下結(jié)論：

(1) 主線左幅隧道開挖施工，對左幅隧道錨圍巖、邊仰坡以及右側(cè)邊坡的影響小，左幅隧道錨、邊仰坡及右側(cè)邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 洞口20 m范圍內(nèi)隧洞開挖施工的相互影響較為明顯，施工時應(yīng)重點關(guān)注右幅隧道錨左側(cè)邊墻與左幅主洞隧道底板方向位移的變化。左幅主洞隧道開挖15 m后，對左幅隧道錨、邊仰坡及右側(cè)邊坡的影響顯著減小，可開始右幅隧道錨施工。

(3) 右幅隧道錨開挖10 m范圍內(nèi)錨洞變形較大，但在安全變形許可范圍內(nèi)；右幅隧道錨開挖對左幅主洞隧道、左幅隧道錨以及邊仰坡、右側(cè)邊坡的影響小，隧洞群及邊仰坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4) 右幅主洞隧道開挖10 m范圍內(nèi)隧道右側(cè)邊墻及拱頂部位的變形稍大，但在安全變形許可范圍內(nèi)；右幅主洞隧道開挖施工對隧洞群及邊仰坡的影響小，隧洞群及邊仰坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(5) 工程實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗證了本文提出的高邊仰坡下方隧洞群開挖安全控制技術(shù)的合理性，可為該類施工工序復(fù)雜、多工序交叉影響較大的工程安全實施提供技術(shù)參考。