蒙山高邊坡隧道洞口施工抗滑樁承載機(jī)理研究

李 冉 張 帥 李兆琦 王永亮

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；3.青海省交通控股集團(tuán)有限公司，西寧 810003)

0 引 言

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，為克服地形高程和改善線路線形，在山嶺地區(qū)修建高速公路或者鐵路中，隧道工程往往成為橋隧比選的最佳方案[1-3].由于隧道工程數(shù)量越來越多，各類不良地質(zhì)隧道施工中存在著崩塌、涌水等施工風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)對(duì)人員及工程安全產(chǎn)生巨大威脅.為有效探明隧道施工中的風(fēng)險(xiǎn)源，往往使用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(TSP)和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)不良地質(zhì)進(jìn)行先行探測(cè)[4-6].針對(duì)山區(qū)隧道洞口處的不良地質(zhì)情況，用現(xiàn)有勘察技術(shù)手段無法完全探明高仰坡偏壓隧道施工的力學(xué)行為特征，故部分學(xué)者采用數(shù)值模擬軟件對(duì)山嶺隧道洞口高陡邊坡進(jìn)行數(shù)值分析，得出采用分布開挖法施工控制變形的結(jié)論[7-9].在這些研究的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者提出采用抗滑樁加固隧道出口處高陡邊坡的加固方式，并取得了明顯的治理成效[10-11].但當(dāng)前的研究，主要聚焦于洞口邊坡安全的穩(wěn)定性分析，很少能夠結(jié)合隧道水平旋噴樁超前支護(hù)與抗滑樁組合對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力影響進(jìn)行分析.

針對(duì)隧道洞口下穿高陡邊坡的難題，本文以宣績鐵路蒙山2號(hào)隧道洞口段為背景，基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(TSP)和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道節(jié)理發(fā)育、孔隙水發(fā)育的物探結(jié)果，采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)不同支護(hù)方式、抗滑樁間距下隧道開挖的力學(xué)模式進(jìn)行研究，最終選用旋噴樁注漿+單排抗滑樁的加固措施進(jìn)行綜合加固.分析結(jié)果表明，該種綜合加固措施能夠有效的減小隧道襯砌的受力與圍巖變形，且抗滑樁間距對(duì)加固效果有一定的影響，推薦抗滑樁間距設(shè)置為2m.本文研究的內(nèi)容可為此類工程的加固設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒.

1 工程概況

擬建蒙山隧道位于安徽省寧國市境內(nèi)，進(jìn)口位于寧國市河瀝溪鎮(zhèn)，出口位于霞西鎮(zhèn)，起訖里程為DK155+245.00～DK155+735.58，隧道全長4180.58m，進(jìn)口標(biāo)高約126.0m，出口標(biāo)高約176.3m，最大埋深257.1m.根據(jù)勘察設(shè)計(jì)結(jié)果以及地面地質(zhì)調(diào)查，隧址區(qū)DK155+245～DK155+550段為泥質(zhì)灰?guī)r、含炭質(zhì)灰?guī)r等，巖溶弱發(fā)育.物探結(jié)果反映，隧址區(qū)工程性質(zhì)差，施工中易產(chǎn)生突水突泥的現(xiàn)象，會(huì)造成很大的安全隱患.

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和地質(zhì)雷達(dá)

本文結(jié)合宣績鐵路蒙山2號(hào)隧道出口的實(shí)例，對(duì)TSP成果中各物理學(xué)參數(shù)分析，結(jié)合掌子面地質(zhì)素描及設(shè)計(jì)資料，對(duì)隧道開挖面前方的巖體中節(jié)理裂縫發(fā)育情況預(yù)報(bào)分析，蒙山2號(hào)隧道出口掌子面TSP探測(cè)成果圖如圖1所示.

TSP探測(cè)成果圖由圖1所示，在標(biāo)號(hào)DK155+255～DK155+292段，檢測(cè)到橫波與縱波密集出現(xiàn)并交錯(cuò)匯集，物探結(jié)果表明，隧道洞身附近總體為縱向貫通低阻帶，可總體判斷為受區(qū)域構(gòu)造、巖性炭質(zhì)及巖溶弱發(fā)育段等綜合導(dǎo)致的低阻段.巖溶異常帶需預(yù)防其為溶腔儲(chǔ)水的影響.該隧道地質(zhì)情況分級(jí)表如表1所示.

圖1 TSP探測(cè)成果圖

表1 掌子面地質(zhì)情況分級(jí)表

圖2 蒙山2號(hào)隧道出口掌子面雷達(dá)探測(cè)波形圖 圖3 蒙山2號(hào)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)圖

除超前地質(zhì)預(yù)報(bào)外，本次探測(cè)還采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行不良地質(zhì)探測(cè)，蒙山2號(hào)隧道出口DK155+414掌子面雷達(dá)探測(cè)波形圖如圖2所示，雷達(dá)探測(cè)剖面圖像縱坐標(biāo)表示探測(cè)深度(單位：m).根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)在隧道掌子面探測(cè)圖像分析，在掌子面前方30米(DK155+250～DK155+292).得到掌子面地質(zhì)情況是：對(duì)應(yīng)里程為DK154+250～DK150+292，強(qiáng)反射，連續(xù)性差，推斷圍巖強(qiáng)風(fēng)化，局部全風(fēng)化，破碎節(jié)理裂隙發(fā)育；蒙山2號(hào)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)圖見圖3，擬采用旋噴樁超前支護(hù)對(duì)隧道進(jìn)行加固.模型的物理力學(xué)參數(shù)參見表2.

表2 模型的物理力學(xué)指標(biāo)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立與參數(shù)確定

結(jié)合上述不良地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，為探明蒙山隧道洞口段模型開挖力學(xué)響應(yīng)，本文以蒙山隧道出口段高邊坡工程為例進(jìn)行數(shù)值分析.數(shù)值模擬采用FLAC3D軟件，根據(jù)隧道施工方案圖紙，建立如圖4所示的模型，模型范圍為：x方向0-60 m，y方向0 m-50 m，共有36027個(gè)單元和39375個(gè)節(jié)點(diǎn).土體采用Mohr-column本構(gòu)模型模擬，管棚采用pile結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬.根據(jù)等效轉(zhuǎn)化原則，將旋噴樁模型轉(zhuǎn)化為寬度為0.6 m的實(shí)體單元，并賦予網(wǎng)格較高的強(qiáng)度參數(shù)模擬旋噴樁加固.抗滑樁設(shè)置在邊坡上，樁身距隧道洞口5 m，使用C30混凝土澆筑制成，長度為25 m，其中懸臂端長10 m，嵌入端長15m，截面尺寸為：2 m×3 m，共布置6根.法向約束施加在數(shù)值模擬模型的周圍四個(gè)平面和底部平面上.

圖4 計(jì)算模型

3.2 開挖計(jì)算過程

根據(jù)表1所示超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)果，DK155+292-DK155+264標(biāo)號(hào)段圍巖等級(jí)為IV級(jí)，故需采用三臺(tái)階法進(jìn)行分布開挖有效控制圍巖變形與地表沉降.模擬臺(tái)階法開挖的步驟順序是：施工時(shí)上、下兩層臺(tái)階依次進(jìn)行開挖，上臺(tái)階先行開挖5m，開挖步距為1m，各層臺(tái)階的高度都設(shè)置為3m.

3.3 加固效果分析

共設(shè)置了三組工況進(jìn)行隧道施工過程的模擬，三種工況分別是：無超前支護(hù)、旋噴樁超前支護(hù)和抗滑樁+旋噴樁組合加固工況設(shè)計(jì)如表3所示.在施加施工荷載后，對(duì)加固后邊坡進(jìn)行施工開挖模擬，工況三采用6根單排抗滑樁進(jìn)行加固.

表3 支護(hù)設(shè)計(jì)工況表

a)工況一位移云圖 b)工況二位移云圖

c)工況三位移云圖

由圖5所示，工況一、工況二和工況三的最大沉降值分別為6.6mm和4.7mm和4.5mm，旋噴樁超前支護(hù)后相較無超前支護(hù)圍巖最大變形減小了28.9%，相較工況一采用抗滑樁和超前支護(hù)組合支護(hù)圍巖最大變形減小了31.8%，隧道計(jì)算模型的穩(wěn)定性得到有效增加.可知，采用旋噴樁或超前小導(dǎo)管注漿等超前支護(hù)措施對(duì)隧道對(duì)洞口高仰坡進(jìn)行預(yù)加固，會(huì)起到明顯的加固圍巖作用，可以一定程度減小滑面的產(chǎn)生.

為分析洞口處開挖支護(hù)應(yīng)力變化，圖6為蒙山隧道開挖至y=15m時(shí)，三種支護(hù)工況隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受的豎向應(yīng)力分布云圖.如圖6所示，當(dāng)隧道開挖至y=15m時(shí)，由于受到隧道上部坡積體擠壓作用，襯砌局部承受較大應(yīng)力集中.隧道拱頂與拱底受拉應(yīng)力為主，符號(hào)為正，拱腳與拱腳處受壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳.由圖6a)所示，工況一最大壓應(yīng)力為5.81MPa，最大拉應(yīng)力為0.27MPa；由圖6b)所示，采用水平旋噴樁支護(hù)后初支壓應(yīng)力最大為5.71MPa，與無超前支護(hù)相比最大壓應(yīng)力減小了1.7%，由圖6c)所示，工況三襯砌結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為5.63 MPa，與工況一相比最大應(yīng)力減小了3.4%.結(jié)果反映抗滑樁+水平旋噴樁組合支護(hù)對(duì)減小初支受力起到了一定的作用.

a)工況一支護(hù)應(yīng)力云圖 b)工況二支護(hù)應(yīng)力云圖

c)工況三支護(hù)應(yīng)力云圖

3.4 樁間距敏感性分析

圖7 不同樁間距加固下拱頂沉降曲線

為探究抗滑樁間距對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，對(duì)樁間距進(jìn)行敏感性分析，取抗滑樁間距分別為2m、4m和6m三組工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究隧道洞口處開挖至y=10m處斷面的拱頂沉降、拱底隆起與抗滑樁應(yīng)力分布大小.最終得到的不同間距抗滑樁加固下隧道洞口拱頂沉降曲線如圖7所示.

由圖7可知，隧道洞口段拱頂豎向沉降值隨設(shè)置抗滑樁的間距減小而減小.其中，抗滑樁間距2m、4m和6m時(shí)拱頂沉降分別為2.9mm、3.4mm和3.5mm，抗滑樁間距為2m相較4m和6m時(shí)，拱頂沉降最大值分別降低了14.7%和17.1%.得到結(jié)論，抗滑樁間距4m以上時(shí)對(duì)拱頂沉降影響較小，間距4m相較6m時(shí)最大拱頂位移值僅僅減小了2.8%，而對(duì)于2m-4m之間影響明顯，減小抗滑樁間距可以有效限制隧道洞口上方圍巖變形，對(duì)改善隧道受力狀態(tài)起到明顯的作用.

不同間距抗滑樁加固下蒙山隧道洞口隆起曲線如圖8所示.

圖8 不同樁間距加固下拱底隆起曲線

由圖8可知，隧底隆起值隨抗滑樁間距減小而減小.其中，抗滑樁間距為2m、4m和6m時(shí)拱底隆起最大值為9.57mm，10.24mm和10.34mm，拱頂沉降最大值分別降低了7.0%和7.4%.得到結(jié)論：施作板樁墻或抗滑樁能有效地減小隧道洞口上方圍巖變形，控制崩塌體堆積、滑坡不良地質(zhì)危害，控制減小抗滑樁間距對(duì)隧道洞口，達(dá)到"安全進(jìn)洞"的目的.當(dāng)抗滑樁間距設(shè)為2m時(shí)，與間距4m、6m時(shí)相比對(duì)仰拱隆起值控制效果最為突出，對(duì)洞口破碎圍巖的加固效果最為明顯.故在實(shí)際此類工程施工中，采用2m間距的單排抗滑樁對(duì)高仰坡隧道洞口進(jìn)行加固是十分合理的.

a)樁間距2m b)樁間距4m

c)樁間距6m

圖9為不同樁間距下抗滑樁mises應(yīng)力分布云圖.由圖9可得，最小應(yīng)力值處都出現(xiàn)在抗滑樁的頂部，應(yīng)力最大值處位于距樁頂6m左右的位置，樁間距為2m、4m和6m時(shí)抗滑樁應(yīng)力最大值分別為3.77MPa、3.3MPa和3.29MPa.樁的受力分布大致相同，均為“應(yīng)力中間大、兩端小，頂端最小”的豎向應(yīng)力分布模式.總體而言，抗滑樁上部應(yīng)力小于下部應(yīng)力，中間應(yīng)力值最大.每根樁的最大應(yīng)力值均在3 MPa左右，根據(jù)規(guī)范中C30混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3 MPa，遠(yuǎn)未達(dá)到極限強(qiáng)度，有一定的安全預(yù)留.

4 總 結(jié)

為探明隧道洞口高邊坡開挖物理力學(xué)規(guī)律，本文以蒙山隧道出口段工程為例，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，采用FLAC3D軟件對(duì)隧道洞門不同支護(hù)方式以及不同抗滑樁間距進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的分析結(jié)論如下：

1.采用抗滑樁+的綜合加固措施對(duì)洞口破碎帶起到了明顯的加固效果，加固后的最大豎向位移值減小了31.8%，最大圍巖應(yīng)力減小了4%，隧道計(jì)算模型的穩(wěn)定性得到有效增加.可知采用旋噴樁或超前小導(dǎo)管注漿等超前支護(hù)措施對(duì)隧道對(duì)洞口高仰坡進(jìn)行預(yù)加固，會(huì)起到明顯的加固圍巖作用，可以一定程度減小滑面的產(chǎn)生.

2.隨著抗滑樁間距增大，最大拱頂沉降和最大拱底隆起值都增大，抗滑樁間距對(duì)于4m以上時(shí)對(duì)最大位移值變化的影響較小，而對(duì)于抗滑樁間距2m-4m之間結(jié)果影響明顯.綜上，當(dāng)抗滑樁間距設(shè)為2m時(shí)對(duì)仰拱隆起值控制效果最為突出，對(duì)洞口破碎圍巖的加固效果最為明顯.故在實(shí)際此類隧道工程施工當(dāng)中，采用2m間距的單排抗滑樁對(duì)高仰坡隧道洞口進(jìn)行加固是較為合理的.

3.不同樁間距下抗滑樁的受力分布大致相同，均為“應(yīng)力中間大、兩端小，頂端最小”的豎向應(yīng)力分布模式，即上部應(yīng)力小于下部應(yīng)力，中間應(yīng)力值最大.