山嶺隧道洞口淺埋偏壓段施工平臺反壓作用效果探討

摘要：文章依托某山嶺高速公路隧道工程，利用Midas GTS NX有限元軟件數(shù)值模擬手段，分析了隧道淺埋偏壓段落填筑施工平臺的反壓作用效果。結果表明：淺埋偏壓段落隧道襯砌變形最大處位于外側拱肩，隧道襯砌受力最大處位于內側拱腳，填筑施工平臺對隧道襯砌受力及變形可起到一定的改善作用，同時可有效提升山體安全系數(shù)，減小塑性變形區(qū)。由此可見，采用填筑施工平臺等反壓措施處理山體偏壓應力是保障淺埋偏壓段落隧道安全進洞，減少工程造價，保護環(huán)境的重要手段和有效方法。

關鍵詞：山嶺隧道；淺埋偏壓段；施工平臺；反壓回填

U455.2A300953

0 引言

廣西山嶺區(qū)占比極大，地形、地質條件復雜。按廣西2019—2021年的隧道統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隧道座數(shù)平均每年增長18.4%，隧道長度每年增長28.8%。由此可見，廣西公路建設不斷向山區(qū)發(fā)展，同時山區(qū)高速公路往往受線位、線形指標、地形條件等因素限制，隧道洞口軸線不可避免地經(jīng)常出現(xiàn)與地形等高線小角度斜交甚至是平行的情況。隧道洞口段在較長區(qū)段的外側覆蓋層較薄，淺埋偏壓情況突出［1］。淺埋偏壓條件下，隧道開挖為滑坡的形成創(chuàng)造了良好的臨空條件，易引起邊仰坡坍塌、誘發(fā)山體滑坡、洞口襯砌變形開裂等地質災害，且隨著近年來極端天氣越來越多，淺埋偏壓段落隧道洞口段失穩(wěn)滑動病害屢見不鮮。

對于接近山腳處的隧道洞口，開挖進洞時通常通過回填土或者棄渣搭建施工平臺，填筑平臺高度接近路線設計標高，填筑平臺在滿足施工需求的同時，還可對偏壓洞口起到一定反壓作用。目前，眾多學者對淺埋偏壓隧道進洞開挖方法、襯砌受力、變形機理和處治措施進行了深入研究，張敏等［2］對淺埋偏壓隧道出口段高邊坡變形破壞機制進行了研究。劉小軍、石效民、石熊等［3-5］對淺埋偏壓隧道洞口段開挖工序及受力特征進行了研究。吳學智等［6］對淺埋偏壓隧道進洞口失穩(wěn)的處治措施進行了研究。但這些研究并未針對淺埋偏壓隧道填筑的施工平臺的作用效果進行探討。

本文現(xiàn)以廣西某山嶺隧道為研究對象，以勘察設計資料為基礎，采取數(shù)值模擬和理論分析，就施工平臺對淺埋偏壓洞口的反壓作用效果進行深入探討，研究結果可為淺埋偏壓隧道安全進洞措施提供一定的借鑒與參考。

1 工程概況

某高速公路雙車道隧道長1 460 m，隧址區(qū)為構造剝蝕丘陵、深丘地形，順地層走向溝脊相間，受砂泥巖軟硬巖類組合特征的影響，在流水作用、風化作用下總體表現(xiàn)為深谷、臺梁式地貌。地層由第四系覆蓋層坡殘積粉質黏土、震旦系南沱組粉砂巖及其風化層組成。

隧道進口段位于丘陵坡腳，山腳下方為平坦田地，進洞口前95 m屬于淺埋且偏壓嚴重段落。根據(jù)地質鉆孔資料，隧道洞頂及側壁圍巖為強風化粉砂巖，中厚層構造，節(jié)理裂隙極發(fā)育～發(fā)育，裂隙面有鐵錳質浸染，巖芯極破碎，巖芯多呈塊狀、碎石狀，上覆粉質黏土，粉質黏土厚度約為0.5 m，圍巖以強風化粉砂巖為主，隧道施工條件惡劣，極易出現(xiàn)安全事故，洞口段地質剖面如圖1所示。

2 風險分析

該山體在隧道未進行開挖之前，斜坡適應了原有的應力狀態(tài)并處于平衡狀態(tài)。隧道洞口明挖施工時需要放坡開挖，相當于對山體進行掏腳，掏腳后形成了較大較高的臨空面，破壞了坡體原有的平衡狀態(tài)，改變了坡體的天然應力狀態(tài)，使得坡體應力重分布，臨空面應力集中，為滑坡的形成創(chuàng)造了良好的臨空條件；前緣形成減載，減少了坡體前部的抗滑力，在遭遇強降雨時，雨水將沿空隙及裂隙入滲，使坡體下部的原狀巖土體自重增加、力學強度降低，在排水不暢的情況下，還產(chǎn)生較大的靜水壓力，山體可能沿臨空面方向出現(xiàn)張拉裂縫、蠕動變形甚至形成滑坡。

隧道暗洞開挖會進一步擾動山體，進一步削弱殘存的抗滑力，將誘發(fā)潛在滑體加速發(fā)展，而山體的偏壓力大部分作用在襯砌支護上；隧道支護結構無法承擔過大的偏壓力，在淺埋條件下，極可能導致隧道塌方、冒頂，初期支護變形、踢腳、侵限，二次襯砌開裂等重大地質災害，在不利工況下容易被山體壓垮，掩埋洞口，進而影響到隧道整體的安全和穩(wěn)定。

一旦發(fā)生這些地質災害，處理十分困難，風險大、費用高、耗時長，故當出現(xiàn)類似隧道長淺埋偏壓情況時，應考慮偏壓影響，并采取有力措施處理山體偏壓應力。

3 數(shù)值模型

3.1 現(xiàn)場施工情況

隧道設計采用“蓋挖法”進洞，通過偏壓擋墻及錨索抵抗偏壓應力，路線設計標高為511 m，山腳下方平坦田地標高為496 m，高差約為15 m。隧道施工開挖為雙向掘進，進洞前需在進口處施作施工平臺。由于隧道口距山腳平地高差較小，故而采用回填棄渣的方式搭建施工平臺。施工平臺施作后隧道剖面如圖2所示。隧道洞口處為橋隧相接，在隧道施工完成后，需對洞口施工平臺進行清理，為橋梁施工預留空間，所以填筑平臺并不是永久工程，回填作為臨時反壓考慮。

3.2 數(shù)值模型的建立

采用Midas GTS NX軟件進行建模分析，模擬比較山體原狀態(tài)與施工平臺施作后的安全系數(shù)，并采用地層結構法分別模擬未填筑施工平臺及填筑施工平臺2種工況條件下隧道邊仰坡安全系數(shù)、隧道開挖襯砌變形受力情況，以及施工平臺清理后襯砌變形受力發(fā)展趨勢。幾何模型如圖2所示。

計算材料參數(shù)如表1所示：

4 效果分析

4.1 邊坡安全系數(shù)分析

通過計算，邊坡原狀態(tài)下安全系數(shù)為1.05，在填筑施工平臺狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)為1.18。由此可見，通過填筑施工平臺對邊坡安全系數(shù)有較為顯著的提升。根據(jù)圖3～4分析，填筑施工平臺后山體塑性區(qū)范圍比邊坡原狀態(tài)下塑性區(qū)范圍有所減小，潛在滑動面穩(wěn)定性增大。

4.2 變形分析

根據(jù)圖5～8可知，在未進行施工平臺填筑的情況下開挖隧道，直接開挖后山體整體位移較大，最大位移位于隧道右拱肩處，與襯砌最大變形位置相同，變形值達2 cm。在施工平臺填筑后開挖隧道，山體最大變形亦發(fā)生在右拱肩處，與襯砌最大變形位置相同，變形值為1.7 cm。隧道完工后為橋梁施工預留空間，開挖部分施工平臺，山體變形增大至1.9 cm左右。

4.3 襯砌受力分析

分別取不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、仰拱底進行安全系數(shù)驗算，驗算結果如表2～5所示。根據(jù)表2～5計算結果可知，偏壓情況下襯砌不利受力位置主要為左拱肩、左拱腰以及左拱腳處，其中左拱腳受力最為集中，安全系數(shù)最低，有施工平臺情況下左拱腳安全系數(shù)較無施工平臺時有顯著提升。開挖部分施工平臺，左拱腳安全系數(shù)小幅下降，將施工平臺全部清除后，隧道左拱腳處襯砌安全系數(shù)大幅下降，并小于無施工平臺時左拱腳的安全系數(shù)。

5 結語

本文依托廣西某高速公路山嶺隧道，通過數(shù)值模擬和理論分析手段，對淺埋偏壓情況下填筑施工平臺作為進洞輔助措施的反壓效果進行了系統(tǒng)研究，得到結論如下：

（1）淺埋偏壓段落隧道洞口位于山腳附近，與山腳平地高差不大時，通過填筑施工平臺可以對隧道洞口段坡體起到回填反壓的作用，并可有效提升山體安全系數(shù)，減小塑性變形區(qū)。

（2）淺埋偏壓條件下，隧道進口段襯砌變形最大處位于外側拱肩，隧道襯砌受力最大處位于內側拱腳，填筑施工平臺對隧道襯砌受力及變形可起到一定的改善作用。

（3）隧道洞口施工結束后，清除填筑施工平臺會導致隧道襯砌安全系數(shù)大幅下降，在有條件的情況下，宜在完成隧道洞口淺埋偏壓段二次襯砌施工，監(jiān)控量測顯示穩(wěn)定后，再進行施工平臺的開挖清除。

參考文獻：

［1］JTG 3370.1-2018，公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程［S］.

［2］張 敏，黃潤秋，巨能攀.淺埋偏壓隧道出口變形機理及穩(wěn)定性分析［J］.工程地質學報，2008，16（4）：482-488.

［3］劉小軍，張永興.淺埋偏壓隧道洞口段合理開挖工序及受力特征分析［J］.巖石力學與工程學報，2011，30（1）：3 066-3 073.

［4］石效民，鄧洪亮，張宇華，等.淺埋偏壓隧道施工過程圍巖應力變化規(guī)律研究［J］.施工技術，2011，40（2）：57-59，66.

［5］石 熊，張家生，劉寶琛.大斷面淺埋偏壓隧道CRD法施工工序研究［J］.現(xiàn)代隧道技術，2015，52（3）：193-199.

［6］吳學智，王 建，楊保全，等.某強傾倒變形體內淺埋偏壓洞口段的隧道變形分析及處治技術研究［J］.隧道建設，2015，35（7）：721-726.