高邊坡下穿隧道施工應(yīng)力分布及抗滑樁優(yōu)化研究*

張巧明,付 雄,劉冬東,楊果林,徐明煌

(1.中建五局土木工程有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

1 工程地質(zhì)概況

本文依托長(zhǎng)沙市某隧道工程K2+330—K2+440段,此段形成了深挖路塹高邊坡,該高邊坡植被覆蓋層較薄,其下為粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)板巖及中風(fēng)化泥質(zhì)板巖,巖體節(jié)理、裂隙極發(fā)育～發(fā)育,巖體極破碎～破碎,隧道進(jìn)洞口走向約180°,基巖產(chǎn)狀292°～330°∠55～72°,傾向隧道洞口,須加強(qiáng)邊坡防護(hù)及洞內(nèi)支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)狀調(diào)查結(jié)果,巖層產(chǎn)狀150°～169°∠50°～61°,節(jié)理主要為30°～85°∠68～50°,150°∠50°,185°～190°∠26°～28°,238°～365°∠74°～90°,密閉性較差,節(jié)理間距5～20mm。擬研究開(kāi)挖隧道為本工程偏壓大跨隧道群中的東人非隧道,其采用三臺(tái)階開(kāi)挖法,外徑7.7m,內(nèi)徑6.7m,詳細(xì)截面尺寸如圖1所示。

圖1 東人非隧道設(shè)計(jì)尺寸

隧道開(kāi)挖中初支鋼拱架采取V形復(fù)合式襯砌鋼架,鋼架布置如圖2所示。

圖2 東人非隧道初支襯砌鋼拱架布置

2 數(shù)值分析模型建立

2.1 模型范圍及邊界條件設(shè)置

模型范圍的確定是根據(jù)均勻初始應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)深埋圓截面隧道彈性解(Kirsch解)而進(jìn)行確定,理由如下:在無(wú)支護(hù)情況下,距離隧道中心在3B(B為圓形隧道直徑,或非圓形隧道較大尺寸)處絕對(duì)應(yīng)力與初始應(yīng)力間相差約為初始應(yīng)力的2.8%;在距離隧道中心5B處絕對(duì)應(yīng)力與初始應(yīng)力間相差約為初始應(yīng)力的1%。因此,計(jì)算模型取東西向(x軸)長(zhǎng)71.74m,南北向(z軸)寬34m,自地表向下(y軸)厚25m,自地表向上取實(shí)際尺寸高38.99m,故模型總高63.99m。模型如圖3所示,單元形狀采用四面體。模型底部施加3個(gè)方向的約束,上邊界為自由面,在x軸方向上,左、右邊界施加x方向約束;在z軸方向上,前、后邊界施加z方向約束。

圖3 有限元模型

2.2 材料物理力學(xué)參數(shù)

模型的物理力學(xué)參數(shù)由工程地質(zhì)勘察報(bào)告等進(jìn)行確定,包括邊坡各巖土體厚度及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù);隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、樁等的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行確定,模型中材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)取值

2.3 模擬工況設(shè)置

考慮到下穿隧道施工過(guò)程及抗滑樁加固前后對(duì)多級(jí)風(fēng)化巖高邊坡穩(wěn)定性的影響,本研究設(shè)定以下6種工況分別對(duì)不同工況下的高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析,其中在工況3,4中,其抗滑樁設(shè)計(jì)長(zhǎng)10m,樁徑2m,樁中心間距4m。計(jì)算工況具體為:①工況1 多級(jí)高邊坡,未加固高邊坡,隧道未開(kāi)挖;②工況2 多級(jí)高邊坡,未加固高邊坡,隧道開(kāi)挖;③工況3 多級(jí)高邊坡,抗滑樁加固高邊坡,隧道未開(kāi)挖;④工況4 多級(jí)高邊坡,抗滑樁加固高邊坡,隧道開(kāi)挖;⑤工況5 多級(jí)高邊坡,不同樁長(zhǎng)及樁中心間距的抗滑樁加固高邊坡,隧道開(kāi)挖;⑥工況6 多級(jí)高邊坡,抗滑樁加固高邊坡,不同隧道施工方法開(kāi)挖。

通過(guò)工況1,2探究未進(jìn)行抗滑樁加固的高邊坡在隧道開(kāi)挖與未開(kāi)挖下的應(yīng)力規(guī)律、位移規(guī)律。通過(guò)工況3,4探究經(jīng)抗滑樁加固后的高邊坡在隧道開(kāi)挖與未開(kāi)挖時(shí)的位移規(guī)律及穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)工況5探究在不同參數(shù)的抗滑樁下的應(yīng)力、位移規(guī)律及穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)抗滑樁進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)工況6探究在不同隧道施工方法下的邊坡應(yīng)力、位移規(guī)律及穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)隧道施工方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 工況1,2下穿隧道高邊坡應(yīng)力規(guī)律

邊坡在工況1,2下,邊坡僅受自重作用時(shí)的垂直和水平應(yīng)力分布(拉正壓負(fù))如圖4,5所示。

圖4 工況1,2邊坡垂直應(yīng)力分布

豎直方向上,坡體表現(xiàn)為受壓狀態(tài),壓應(yīng)力大小隨深度增加而增加,方向與重力方向相同。隧道開(kāi)挖后未支護(hù)的邊坡在自重作用下的豎向應(yīng)力分布如圖4b所示,對(duì)比圖4a可知,隧道開(kāi)挖后,邊坡整體豎向應(yīng)力分布未發(fā)生太大變化,但在隧道內(nèi)部開(kāi)挖區(qū)域頂部及右拱腳位置出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象,故開(kāi)挖后該部分有出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象的可能。

水平方向上,邊坡深部巖體水平應(yīng)力均處于壓應(yīng)力較大狀態(tài),從邊坡內(nèi)部到邊坡表面應(yīng)力大多逐漸減小。圖5b為隧道開(kāi)挖后未支護(hù)的邊坡在自重作用下的水平應(yīng)力分布圖,對(duì)比圖5a可知,邊坡上部區(qū)域出現(xiàn)較大范圍的水平拉應(yīng)力區(qū)域,最大拉應(yīng)力達(dá)123.7kPa,易引起坡體表層土體滑移,故在施工中應(yīng)及時(shí)采取坡面支護(hù)等措施,減小其發(fā)生滑移的可能。

圖5 工況1,2邊坡水平應(yīng)力分布

除此之外,由于隧道開(kāi)挖,隧道拱頂和仰拱處圍巖出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象,隧道左側(cè)拱墻與右側(cè)拱腳處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,且隧道右側(cè)拱腳處應(yīng)力集中更嚴(yán)重,故當(dāng)圍巖變形基本穩(wěn)定后應(yīng)及時(shí)施加初襯支護(hù),減少事故發(fā)生的可能。

3.2 工況1,2下風(fēng)化巖質(zhì)高邊坡應(yīng)力及位移規(guī)律

工況2邊坡水平位移分布如圖6a所示,工況2邊坡豎向位移分布如圖6b所示,工況2邊坡局部位移與矢量圖如圖7所示。

圖6 工況2邊坡水平與豎向位移分布

圖7 工況2邊坡局部位移與矢量圖

如圖6a所示,正向水平位移集中在隧道仰拱上方,負(fù)向水平位移出現(xiàn)在仰拱周圍。結(jié)合圖7所示位移矢量圖可知,邊坡在隧道開(kāi)挖后,邊坡巖體會(huì)向臨空面移動(dòng),可能產(chǎn)生滑坡。由圖6b可知,受偏壓作用影響,隧道豎向位移主要產(chǎn)生于隧道拱頂左側(cè)及仰拱左側(cè)間的區(qū)域,最大下沉量位于左側(cè)拱肩處,達(dá)到13.95cm,超過(guò)隧道的一般預(yù)留變形量100mm,易發(fā)生重大坍塌事故,故在圍巖開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)施加初襯支護(hù)。

3.3 工況1,2下風(fēng)化巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

運(yùn)用ABAQUS強(qiáng)度折減法計(jì)算出邊坡在工況1,2的安全系數(shù)分別為1.365,1.202。依據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》可知,此五級(jí)高邊坡的安全系數(shù)應(yīng)≥1.35,可知邊坡在工況1時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài),但在工況2時(shí)僅處于基本穩(wěn)定狀態(tài),為保證工程安全,不滿足對(duì)五級(jí)高邊坡穩(wěn)定要求,故采取抗滑樁加固措施。

3.4 工況3,4下高邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

對(duì)高邊坡坡角處設(shè)置抗滑樁后,經(jīng)計(jì)算,邊坡在工況3,4時(shí)的安全系數(shù)分別為1.467,1.421,2個(gè)工況下邊坡的安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值1.35,說(shuō)明設(shè)置抗滑樁后,邊坡穩(wěn)定性有了較大提高。

在數(shù)值模擬分析過(guò)程中,為更好反映出隧道施工對(duì)抗滑樁加固高陡邊坡洞口段穩(wěn)定性(即工況4)的影響程度,選取距隧道洞口段5m處(即z=29m)斷面,將隧道斷面的部分關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析。如圖8所示,選取1～7號(hào)為邊坡位移觀測(cè)的指標(biāo)點(diǎn),其中1～5號(hào)點(diǎn)位于圖示平臺(tái)的中央,6號(hào)測(cè)點(diǎn)是隧道拱頂在坡面上的投影點(diǎn),7號(hào)為坡腳測(cè)點(diǎn)。提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隧道開(kāi)挖后豎向及水平位移值,繪制成圖9。

圖8 邊坡位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖9 邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向與水平位移曲線

如圖9所示,越靠近隧道正上方巖體,水平位移及豎向沉降越大,同時(shí)由圖9a可看出,坡腳位置7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處發(fā)生6.39mm隆起,這是由于左側(cè)高邊坡產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力使坡腳處地表產(chǎn)生側(cè)向擠壓,由于坡腳處受抗滑樁支擋,側(cè)向應(yīng)力無(wú)法向遠(yuǎn)方區(qū)域釋放,該處土體產(chǎn)生變形向上隆起。

提取z=29m斷面處隧道拱頂上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)5號(hào)的水平及豎向位移值,繪制成圖10。

圖10 5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向與水平位移變化曲線

隨著隧道遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在斷面,水平位移及豎向位移的增長(zhǎng)速率都越來(lái)越慢。不同的是,當(dāng)隧道掌子面過(guò)監(jiān)測(cè)斷面8m約1倍洞徑時(shí),豎向位移已達(dá)最終豎向位移的61.1%,而當(dāng)隧道掌子面過(guò)監(jiān)測(cè)斷面15m約2倍洞徑時(shí),水平位移才達(dá)到此比例,說(shuō)明在洞口段同一時(shí)間豎向位移的發(fā)展要快于水平位移。

除此之外,將現(xiàn)場(chǎng)5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在隧道施工期間豎向位移的數(shù)據(jù)與模擬所得的5號(hào)測(cè)點(diǎn)豎向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)值與實(shí)測(cè)值比較

可看出在豎向位移上,模擬值要略偏大于實(shí)測(cè)值,這可能是因?yàn)檫吰略谒淼朗┕で鞍l(fā)生過(guò)滑塌,對(duì)邊坡采取了有效加固措施,減小了隧道開(kāi)挖對(duì)邊坡的位移影響,在模擬中未考慮滑塌段加固對(duì)邊坡位移的影響,所以模擬值要大于實(shí)測(cè)值。但易從圖11中看出兩者趨勢(shì)一致,在隧道進(jìn)尺10.5m時(shí),模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的累積位移值分別達(dá)到各自穩(wěn)定位移值的73.5%,66.7%,證明模型的合理性。

3.5 工況5下抗滑樁參數(shù)變化對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律

在3.4節(jié)中,分析得到邊坡在工況4時(shí)的安全系數(shù)為1.421,大于規(guī)范規(guī)定值1.35較多,說(shuō)明此類情況下的抗滑樁設(shè)計(jì)還存在優(yōu)化空間,可更加合理地進(jìn)行改善。

首先通過(guò)改變抗滑樁樁中心間距,其他條件不變,分析樁中心間距變化對(duì)高邊坡安全系數(shù)(即工況5)的影響,得出最優(yōu)樁距,其中樁距參數(shù)值為5,6,7m。

然后,分別通過(guò)數(shù)值建模求出不同樁中心間距下邊坡的安全系數(shù),并繪制成圖12,邊坡的安全系數(shù)隨著樁中心間距的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì),當(dāng)樁中心間距從6m變化到7m時(shí),邊坡安全系數(shù)變化到1.345,小于規(guī)范規(guī)定值,故抗滑樁最優(yōu)樁中心間距為6m,此時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.381,能減少樁數(shù)量,經(jīng)濟(jì)上更合理。

圖12 樁中心間距-安全系數(shù)曲線

在最優(yōu)樁中心間距6m條件下,改變抗滑樁樁長(zhǎng),設(shè)置7,8,9m這3種工況,其他條件不變,分析樁長(zhǎng)變化對(duì)高邊坡安全系數(shù)(即工況5)的影響。

通過(guò)數(shù)值模擬,計(jì)算出不同樁長(zhǎng)下邊坡的安全系數(shù),如圖13所示,隨著樁長(zhǎng)的減小,邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢(shì),當(dāng)樁長(zhǎng)從8m變化到7m時(shí),邊坡安全系數(shù)變化到1.343,小于規(guī)范規(guī)定值,故抗滑樁最優(yōu)樁長(zhǎng)為8m,此時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.364。

圖13 樁長(zhǎng)-安全系數(shù)曲線

綜上所述,本工程中抗滑樁最優(yōu)樁中心間距為6m、最優(yōu)樁長(zhǎng)為8m,在工程中能減少樁數(shù)量和長(zhǎng)度,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.6 工況6下隧道開(kāi)挖方法變化對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律

隧道洞口段穩(wěn)定性包括洞口段邊坡穩(wěn)定性及隧道穩(wěn)定性,在此對(duì)洞口段邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行探究,由于其受隧道開(kāi)挖影響較大,采取適宜的隧道開(kāi)挖方法可大大降低隧道施工對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響,因此有必要對(duì)不同隧道開(kāi)挖方法對(duì)洞口段穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。

本節(jié)將應(yīng)用數(shù)值模擬軟件研究全斷面法、上下臺(tái)階法、環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法這3種隧道施工方法下邊坡及隧道洞身的穩(wěn)定性變化規(guī)律。

隧道采用各施工方法后高邊坡的水平位移云圖如圖14所示。

圖14 不同施工方法下高邊坡水平位移云圖

由圖14可知,隧道采用不同施工方法后,各邊坡水平位移總體上基本一致,僅當(dāng)采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工時(shí),邊坡底部負(fù)向水平位移區(qū)范圍及最大負(fù)向水平位移有所減小。

隧道采用不同施工方法后高邊坡的豎向位移云圖如圖15所示。

圖15 不同施工方法下高邊坡豎向位移云圖

由圖15可知,當(dāng)隧道施工方法從全斷面法變化到上下臺(tái)階法再變化到環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法,襯砌結(jié)構(gòu)底部的隆起區(qū)域數(shù)值有所減小,在1mm左右。

邊坡平臺(tái)位移測(cè)線布置如圖16所示,分別提取隧道按3種施工方法施工后該測(cè)線上測(cè)點(diǎn)的水平位移及豎向位移,繪制成圖17。

圖16 邊坡平臺(tái)位移測(cè)線布置示意

圖17 不同施工方法下邊坡典型測(cè)線位移

由圖17a可知,上下臺(tái)階法及環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法下,邊坡坡面水平位移變化不大,但都比全斷面法要大,這主要是因?yàn)樵诠ば蜉^多的上下臺(tái)階法及環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法下,邊坡巖土體經(jīng)多次施工擾動(dòng)。由圖17b可知,豎向位移在不同施工方法下相差不多,大多僅0.5mm,小于水平位移的變化。

綜上所述,由于隧道斷面較小,3種隧道開(kāi)挖方法下邊坡水平及豎向位移變化均不是很大,所以從對(duì)邊坡的位移變化影響來(lái)看,這3種開(kāi)挖方案的影響程度相當(dāng)。

由于本隧道位于偏壓破碎圍巖條件下,其在施工時(shí)的圍巖很易發(fā)生坍塌,若架設(shè)鋼拱架不夠及時(shí),則易產(chǎn)生人員傷亡等重大安全事故,而環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法在施工時(shí)相對(duì)于其他2種施工方法會(huì)更為從容,擁有充足的時(shí)間搭設(shè)鋼拱架,使得隧道能安全開(kāi)挖,更能保持上方高邊坡的穩(wěn)定性。故綜合安全性、對(duì)邊坡影響程度、經(jīng)濟(jì)性和效率多因素來(lái)看,此類破碎圍巖高邊坡下隧道采取環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法為最優(yōu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

1)五級(jí)高邊坡在天然狀態(tài)下主要受到重力影響。坡體表現(xiàn)為受壓狀態(tài),在垂直方向上壓應(yīng)力隨深度增加而增加,在水平方向上邊坡深部巖體水平應(yīng)力均處于壓應(yīng)力狀態(tài),從邊坡內(nèi)部到邊坡表面應(yīng)力大多逐漸減小,呈現(xiàn)出明顯的偏壓特征。當(dāng)隧道開(kāi)挖后,邊坡上部區(qū)域出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)域,最大拉應(yīng)力達(dá)到123.7kPa,隧道存在“冒頂”破壞可能性,需加強(qiáng)觀測(cè),必要時(shí)采取防護(hù)措施。

2)由于隧道開(kāi)挖卸荷,在隧道內(nèi)部開(kāi)挖區(qū)域頂部及右拱腳位置出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,說(shuō)明這2個(gè)部位存在較大破壞可能性,故施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這2個(gè)部位的安全性,混凝土是否存在表面裂縫、剝落,拱架是否存在過(guò)量變形等。

3)隧道開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的不平衡應(yīng)力通過(guò)圍巖變形釋放,邊坡巖體向臨空面移動(dòng)。坡體豎向位移主要產(chǎn)生在隧道拱頂左側(cè)及仰拱左側(cè)之間,故在隧道施工中應(yīng)及時(shí)施作初襯支護(hù)。

4)經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算,邊坡在未加固、下穿隧道施工下的安全系數(shù)為1.202,小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)1.35,故需采取加固措施;確定邊坡加固措施為抗滑樁后,安全系數(shù)上升為1.421,大于規(guī)范規(guī)定值1.35,故對(duì)本工程中有一定安全儲(chǔ)備的抗滑樁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到樁最優(yōu)樁中心間距為6m、最優(yōu)樁長(zhǎng)為8m,可為類似工點(diǎn)的抗滑樁設(shè)計(jì)提供參考。

5)經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),3種施工方法下除個(gè)別部位,其產(chǎn)生位移基本保持一致,但同時(shí)考慮到3種開(kāi)挖方式時(shí)的施工安全性、施工效率和經(jīng)濟(jì)性,環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法的安全性都優(yōu)于其他2種,為此工程條件下的最優(yōu)方案。