降雨條件下明挖隧道回填土的堆載穩(wěn)定性分析

陶祥令，黃梓宸，陳 超

(1. 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，徐州 221116； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221116；3. 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州 221116)

隧道建設(shè)會(huì)面臨多工況疊加、邊坡偏壓、巖土層超薄覆蓋等各種工程情況，這給隧道施工帶來(lái)較多不便。隧道施工方法包含礦山法、掘進(jìn)機(jī)法、盾構(gòu)法、明挖法、暗挖法等，其中明挖法是較常用的開(kāi)挖方式之一[1]。明挖隧道回填土的堆載穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)隧道整體穩(wěn)定性的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，臨坡施工的明挖隧道的回填土穩(wěn)定性受多種因素影響，其中降雨和地下水是常見(jiàn)的自然因素，因此本項(xiàng)目開(kāi)展降雨對(duì)明挖隧道回填土堆載穩(wěn)定性的影響分析、討論施工關(guān)鍵技術(shù)措施，且相關(guān)研究?jī)?nèi)容已受到眾多學(xué)者的關(guān)注[2]。馮儉華等[3]以重慶地鐵上灣路站至環(huán)山公園站區(qū)間隧道為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)暴雨降水前后該區(qū)段隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為變化情況進(jìn)行分析。俞文生等[4]采用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)黃土隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果表明降雨后隧道上方地表土體的塑性區(qū)擴(kuò)大并產(chǎn)生滑移，雨后隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受偏壓影響更加明顯，偏壓一側(cè)結(jié)構(gòu)破壞更為顯著。朱苦竹等[5]依托廣州龍頭山隧道工程，通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)隧道洞口段在降雨條件下開(kāi)挖產(chǎn)生的圍巖松動(dòng)區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)果表明考慮降雨滲流場(chǎng)后，隧道圍巖松動(dòng)區(qū)不對(duì)稱分布和雨水滲流作用加劇了隧道偏壓變形。喬俊[6]采用FLAC3D模擬降雨入滲對(duì)隧道的影響，結(jié)果表明降雨滲入圍巖將導(dǎo)致土體強(qiáng)度參數(shù)與非飽和區(qū)基質(zhì)大幅減少，降低隧道穩(wěn)定性，且在隧道頂部地表形成積水后，隧道穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

已有研究表明，降雨條件下臨坡明挖隧道回填土的施工，需要特別注意邊坡穩(wěn)定性、施工安全性等問(wèn)題，采取合理的設(shè)計(jì)依據(jù)和加固措施，可有效解決相關(guān)難題。以徐州某臨坡明挖隧道為研究對(duì)象，建設(shè)工程左段K0+358～K0+390屬邊坡偏壓地段，結(jié)構(gòu)斷面為回填棚洞結(jié)構(gòu)，施工期間處于夏季降雨期，通過(guò)計(jì)算明挖隧道與邊坡空間的尺度關(guān)系、降雨環(huán)境下覆土堆載穩(wěn)定性等得出相應(yīng)結(jié)論，研究成果具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況及回填土分析

1.1 工程概況

徐州某臨坡明挖隧道按單向雙車道+單個(gè)非機(jī)動(dòng)車道+單個(gè)人行道的城市主干道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車速度為 40 km/h，單車道寬為3.5 m，限界凈高為4.5 m；隧道縱向按單面坡設(shè)計(jì)，不設(shè)置泵房。該施工段東西端起伏較大，地面標(biāo)高為39～67 m，地形較復(fù)雜，人工填土較厚，橫向坡度為10°～40°。該工程位于道路K0+358～K0+475段，其中K0+358～K0+390段為明挖半折板拱形結(jié)構(gòu)，K0+390～K0+475段為明挖單箱雙室結(jié)構(gòu)。邊坡支護(hù)采取錨桿掛網(wǎng)防護(hù)，錨桿為4 m或8 m的砂漿錨桿，長(zhǎng)短錨桿間隔150 cm進(jìn)行布設(shè)，直徑為25 mm。表面采用直徑為6 mm、間距為200 mm×200 mm的鋼筋網(wǎng)，并噴射150 mm厚的C20混凝土。明挖隧道斷面示意如圖1所示。

圖1 明挖隧道斷面示意(單位：mm)

邊坡開(kāi)挖支護(hù)完成后，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)體進(jìn)行施工，明挖隧道主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，結(jié)構(gòu)澆筑完成后順作底、側(cè)墻及其他結(jié)構(gòu)。工程勘察報(bào)告揭示，場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)土層分為7層，各巖層巖土性狀描述如表1所示。

表1 各巖層巖土性狀描述

1.2 回填土分析

受限于隧道用地屬性的特殊性，原地形較復(fù)雜，人工填土較厚，其中K0+358～K0+390段斷面為回填棚洞結(jié)構(gòu)，明挖隧道主體結(jié)構(gòu)施工完畢后進(jìn)行回填。因施工期處于夏季雨期，開(kāi)挖土體含水率較高，且周邊均為土質(zhì)邊坡，開(kāi)挖土體回填前不能進(jìn)行有效風(fēng)干晾曬，導(dǎo)致土體難以分層碾壓密實(shí)。

工程勘察報(bào)告揭示隧道表層存在人工雜填土，降雨因素下地形的平整度和壓實(shí)度均難以按照設(shè)計(jì)要求施工到位，須充分考慮降雨量對(duì)回填土堆載穩(wěn)定性的影響，同時(shí)可在地面線以上保留一定的土層作為后期沉降預(yù)留，抵消坡面出現(xiàn)的固結(jié)沉降。

1.3 數(shù)值建模

數(shù)值建模時(shí)將土體材料簡(jiǎn)化為連續(xù)均質(zhì)的理想彈性體，實(shí)際地層共分7層，為降低復(fù)雜模擬損失，將模型地層簡(jiǎn)化為5層，土體自上而下分別為人工填土、黏土、細(xì)砂、泥灰?guī)r和石灰?guī)r。明挖隧道主體使用鋼筋混凝土材料，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)為錨桿，隧道回填時(shí)采用土石和片石混凝土，數(shù)值模型中土層計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模型中土層計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算建模范圍為水平方向臨邊坡側(cè)模型邊界的3～6倍明挖隧道斷面寬度，根據(jù)實(shí)際圖紙按1∶1尺寸建立二維平面圖，縱向尺寸約為70 m、橫向尺寸約為150 m，數(shù)值計(jì)算建模示意如圖2所示。模型的邊界條件為限制左右兩側(cè)和底部土體的法向位移，上表面取至地表，設(shè)置為自由表面，劃分網(wǎng)格時(shí)主要以四邊形為主。

圖2 數(shù)值計(jì)算建模示意

2 隧道與坡腳空間優(yōu)化距離分析

2.1 計(jì)算工況模型

為優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案中明挖隧道與邊坡空間的尺度關(guān)系，模擬隧道與坡腳在不同空間間距下、不同厚度回填土堆載情況下的位移變化。

隧道與坡腳存在不同空間間距變化時(shí)，原邊坡與明挖隧道結(jié)構(gòu)體之間為填土堆載，考慮選取開(kāi)挖隧道左輪廓線與坡腳距離為0 m(初始)、5 m、10 m和15 m 進(jìn)行模擬。左輪廓線與坡腳距離變化時(shí)的水平位移模擬結(jié)果如圖3所示。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，回填土一般不超過(guò)5 m，選取不同厚度回填土堆載變化時(shí)隧道上增加覆蓋人工填土厚度為0 m(初始)、1 m、2 m和3 m進(jìn)行模擬，覆土厚度變化時(shí)的豎向位移模擬結(jié)果如圖4所示。

(a) 距離坡腳0 m

(b) 距離坡腳5 m

(c) 距離坡腳10 m

(d) 距離坡腳15 m圖3 左輪廓線與坡腳距離變化時(shí)的水平位移模擬結(jié)果(單位：mm)

(a) 覆蓋土體增加1 m

(b) 覆蓋土體增加2 m

(c) 覆蓋土體增加3 m圖4 覆土厚度變化時(shí)的豎向位移模擬結(jié)果(單位：mm)

2.2 不同空間間距的結(jié)果分析

明挖隧道與邊坡空間尺度關(guān)系中，隧道與邊坡坡腳直線距離的變化會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性。隧道在距坡腳不同位置處進(jìn)行開(kāi)挖，使得邊坡水平和豎向位移變化呈線性規(guī)律，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到不同空間距離下隧道邊坡典型點(diǎn)位的位移量，距離坡腳不同距離時(shí)邊坡節(jié)點(diǎn)位移變化曲線如圖5所示。

(a) 水平位移

(b) 豎向位移圖5 距離坡腳不同距離時(shí)邊坡節(jié)點(diǎn)位移變化曲線

邊坡節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1～25，從小到大依次表示明挖隧道開(kāi)挖從坡腳到坡頂?shù)木幪?hào)。距離坡腳15 m時(shí)隧道的最大水平位移發(fā)生在邊坡中部，最大值為14.6 mm(邊坡節(jié)點(diǎn)編號(hào)為18)。整體而言，距離坡腳0 m、5 m、10 m和15 m開(kāi)挖隧道對(duì)邊坡水平位移的影響趨勢(shì)一致，距離開(kāi)挖坡腳越遠(yuǎn)，邊坡水平和豎向位移變形越大，邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)越低。不同間距變化時(shí)，距離坡腳越遠(yuǎn)，坡頂水平位移量越大，但坡腳處的水平位移量變化幅值為非均勻值。由圖5(b)可知，邊坡土體的豎向位移從坡腳到坡頂?shù)母?dòng)在22.7～25.9 mm。距離坡腳5 m、10 m 和15 m開(kāi)挖隧道的邊坡豎向位移曲線整體變化趨勢(shì)一致，豎直方向位移曲線開(kāi)口向上、呈凹形，最小豎向位移皆發(fā)生在邊坡中部，坡頂與坡腳的豎向位移量比較大。在坡腳處隨著距離的增大，豎向位移量相應(yīng)增大；在坡頂處隨著距離的增大，豎向位移呈先增大后減小的趨勢(shì)。距離坡腳15 m時(shí)邊坡中部豎向位移增加幅度顯著降低。

由圖5可知，在邊坡中部水平位移量比較大，而豎向位移量比較小。整體上，距離坡腳較遠(yuǎn)處開(kāi)挖施工，邊坡的水平位移量較大；在坡腳和坡頂處的邊坡豎向位移量與坡中部相比也均較大。

2.3 不同厚度回填土的結(jié)果分析

隧道覆蓋回填土厚度不同會(huì)導(dǎo)致隧道邊坡位移量的改變，根據(jù)設(shè)計(jì)覆土極限厚度(5 m)，選取覆蓋土層厚度增加1 m、2 m和3 m的工況進(jìn)行模擬，根據(jù)已有模擬結(jié)果分析，得到增加不同覆蓋土層厚度時(shí)隧道邊坡土體的位移量，增加不同覆蓋土層厚度時(shí)隧道邊坡位移變化曲線如圖6所示。

(a) 水平位移

(b) 豎向位移圖6 增加不同覆蓋土層厚度時(shí)隧道邊坡位移變化曲線

由圖6可知，隨著覆蓋土層厚度的增加，隧道邊坡土體的水平位移和豎向位移都相應(yīng)變大，覆蓋土層厚度越大，邊坡土體位移量變化越大，水平位移最大值為9.64 mm，豎向位移最大值為27.5 mm。增加土層厚度，邊坡土體的水平位移和豎向位移變化的趨勢(shì)大致一樣，最大位移發(fā)生在節(jié)點(diǎn)15～20范圍。

3 降雨條件下覆土堆載穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算模型

在降雨入滲的條件下，含水量增加，堆載的回填土摩擦角減小、黏聚力降低，且黏聚力下降幅度明顯。通過(guò)改變黏聚力和內(nèi)摩擦角值來(lái)模擬小降雨(降雨強(qiáng)度為3 mm/d)和大降雨(降雨強(qiáng)度為15 mm/d)對(duì)隧道覆蓋土層的影響，計(jì)算時(shí)參考文獻(xiàn)[7-8]中的模擬計(jì)算取值。巖土層材料參數(shù)如表3所示。

表3 巖土層材料參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

不同降雨程度下隧道覆蓋土層位移變化曲線如圖7所示，與初始隧道覆蓋土層的邊坡位移類似，在大降雨和小降雨情況下，隧道覆蓋土層的水平位移隨著覆蓋土層節(jié)點(diǎn)編號(hào)的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而豎向位移則隨著覆蓋土層節(jié)點(diǎn)編號(hào)的增大呈減小的趨勢(shì)。

(a) 水平位移

(b) 豎向位移圖7 不同降雨程度下隧道覆蓋土層位移變化曲線

覆蓋土層節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1～16，水平位移曲線呈凸形，隨著降雨量的增大，土層的水平位移量相應(yīng)增大，水平位移最大值為21.2 mm，降雨后覆蓋土層的水平位移整體上大于初始覆蓋土層的水平位移。豎向位移比較中，曲線變化相差較小，豎向位移最大值為46.1 mm(位于坡腳處)，豎向位移最小值為30.2 mm(位于坡頂處)，降雨后土體的豎向位移普遍大于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的初始土體的豎向位移。

降雨時(shí)長(zhǎng)的增加也會(huì)擴(kuò)大雨水潤(rùn)濕的土體范圍，在臨邊坡明挖隧道開(kāi)挖時(shí)尤其要重視雨季施工回填土堆載的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，做好相應(yīng)防護(hù)措施。

4 結(jié)論

以徐州某臨坡明挖隧道為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值建模明確明挖隧道與邊坡的空間尺度關(guān)系、覆蓋填埋土體的厚度關(guān)系以及降雨對(duì)覆土堆載穩(wěn)定性的影響等，結(jié)論如下：

(1) 距離坡腳越遠(yuǎn)處進(jìn)行明挖隧道開(kāi)挖，隧道結(jié)構(gòu)的水平位移量越大，其在坡腳和坡頂處的邊坡豎向位移量與坡中部相比也均較大；在邊坡中部水平位移量較大，而豎向位移量則較小。

(2) 施工隧道上覆蓋土層厚度不同時(shí)，水平位移曲線和豎向位移曲線變化的方向大致保持不變。隨著覆蓋土層厚度的增加，邊坡土體的水平位移和豎向位移皆變大，水平位移最大值為9.64 mm，豎向位移最大值為27.5 mm。

(3) 降雨后土層的水平位移和豎向位移皆變大，水平位移最大值為21.2 mm(在覆蓋土層中部)，豎向位移最大值為46.1 mm(在覆蓋土層坡腳處)。降雨對(duì)回填土堆載的影響較大，在施工時(shí)應(yīng)重視雨季施工回填土的堆載穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，做好相應(yīng)防護(hù)措施。