不良地質(zhì)堆積體隧道洞口段穩(wěn)定性分析

摘要：文章以某公路隧道穿越不良地質(zhì)堆積體為依托，采用數(shù)值分析方法模擬隧道開挖支護(hù)過程，對不良地質(zhì)堆積體隧道洞口段進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，通過對比不良地質(zhì)堆積體隧道處治前后的模擬結(jié)果，獲得了泥質(zhì)粉砂巖堆積體隧道襯砌的應(yīng)力變形規(guī)律。相關(guān)研究成果對類似不良地質(zhì)隧道工程建設(shè)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：堆積體；隧道；數(shù)值模擬；微型樁注漿；穩(wěn)定性分析

U452.2+7A391223

0 引言

為了實現(xiàn)交通強(qiáng)國目標(biāo)，補(bǔ)齊西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施短板，近年來西部省區(qū)公路得到快速發(fā)展，大量的隧道被設(shè)計建造。受限于路線走廊、地形地貌、地質(zhì)水文、投資規(guī)模等控制因素的影響，隧道不可避免地穿越一些不良地質(zhì)地段。

堆積體成因復(fù)雜，國內(nèi)一些學(xué)者［1-3］對堆積體邊坡成因機(jī)制和破壞機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。雖然在天然狀態(tài)下堆積體是處于平衡狀態(tài)，但是堆積體組成物質(zhì)不均且堆積體接觸面材料差異，在工程擾動時極易出現(xiàn)滑動風(fēng)險。為了攻克建設(shè)瓶頸，國內(nèi)一些學(xué)者研究分析了隧道邊仰坡穩(wěn)定性規(guī)律。譚昌榮、董永、曹亮宏等［4-6］采用強(qiáng)度折減法分析了堆積體邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)理，并提出了治理措施。唐小富等［7］采用極限分析上限法對隧道邊仰坡的自重做功功率與內(nèi)能耗散功率進(jìn)行推導(dǎo)，得出了臨界高度公式，分析了不同土體參數(shù)對邊仰坡穩(wěn)定性的影響。張梅等［8］依托安徽某隧道洞口山體滑坡工程案例，通過最危險滑動面穩(wěn)定系數(shù)計算，分析了隧道洞口滑坡產(chǎn)生的主要原因。彭富強(qiáng)等［9］則研究了樹根樁在隧道進(jìn)出口松散堆積體加固中的應(yīng)用。

針對泥質(zhì)粉砂巖不良地質(zhì)堆積體隧道，本文采用有限元分析方法對隧道開挖支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不良地質(zhì)堆積體隧道洞口段穩(wěn)定性規(guī)律，相關(guān)研究結(jié)果對類似不良地質(zhì)堆積體隧道工程建設(shè)具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

某高速公路隧道穿越地質(zhì)為強(qiáng)～中風(fēng)化三疊系上統(tǒng)平垌組泥質(zhì)粉砂巖。隧道出口處為舌狀堆積體，走向約為70°，地面坡度約為10°，約1 000 m2，最大揭露厚度約為25 m，成分主要為黏性土和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖碎石，呈稍密狀。距離隧道洞口42～68 m為堆積體與中風(fēng)化交界區(qū)段，地表未發(fā)現(xiàn)裂縫。堆積體南、西、北側(cè)山坡較陡，坡度為40°～60°，堆積體兩側(cè)為沖溝。施工開挖會破壞原有的應(yīng)力狀態(tài)，若處治不當(dāng)，極易導(dǎo)致大面積的崩塌。見圖1。

隧道設(shè)計時速為100 km/h，采用三心圓設(shè)計，拱部圓半徑為5.8 m，內(nèi)輪廓最大寬度為11.6 m，內(nèi)輪廓高為9.0 m。設(shè)計型式為小凈距隧道，左線長1 090 m，右線長1 110 m，設(shè)計高程約為405～431 m，最大埋深為110 m。洞身采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，明洞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

隧道ZK77+640～ZK77+692/K77+660～K77+720區(qū)段采用微型樁注漿加固。微型樁設(shè)計為89 mm×5 mm鋼花管，管壁鉆8 mm出漿孔，出漿孔間距為25 cm，鋼花管端部加工成錐形。微型樁采用梅花形布置，布設(shè)間距為1.5 m×1.5 m。

2 數(shù)值分析

2.1 模型的建立

本次研究采用Midas NX有限元軟件模擬泥質(zhì)粉砂巖堆積體隧道開挖支護(hù)。結(jié)合堆積體勘測及穩(wěn)定性影響范圍，模型尺寸擬定為650 m（長）×530 m（寬）×395 m（最高）。模型地層為四面體實體單元，隧道襯砌結(jié)構(gòu)為殼單元。見圖2。

邊界條件：地表頂部為自由面；X=-265 m、X=265 m面約束單元X方向位移；Y=0 m、Y=650 m約束Y方向位移；Z=0 m采用固定端約束。

2.2 模型參數(shù)

模擬地層從上到下依次為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，堆積體為黏性土和風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖碎石。模型通過在計算過程中改變巖土性質(zhì)模擬微型樁注漿，微型樁注漿模擬寬度范圍為洞口段K77+720～K77+670隧道輪廓線左側(cè)6 m至ZK77+692～ZK77+6400隧道輪廓線右側(cè)6 m。模型單元物理性質(zhì)如表1所示。隧道開挖支護(hù)以15 m步距分段模擬。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 變形分析

通過建立微型樁注漿處治與未采用微型樁注漿處治兩個模型進(jìn)行計算，分別提取距離隧道洞口0 m、25 m、50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、175 m、200 m、225 m、250 m、275 m、300 m、325 m、350 m、375 m隧道斷面拱頂變形數(shù)據(jù)，得到如圖3、圖4所示左右線隧道洞口段襯砌頂部變形曲線。

由圖3、圖4可知，未注漿狀況下，受邊仰坡開挖影響，隧道洞口25 m范圍影響最明顯；在距離隧道洞口50～125 m區(qū)段受堆積體影響形成襯砌變形波峰，在距離隧道洞口90 m位置達(dá)到區(qū)段峰值；往洞身方向大于125 m，隧道襯砌變形趨于穩(wěn)定。隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形受堆積體影響范圍約為堆積體長度的2倍。對比微型樁注漿處治與未處治兩種狀況隧道的變形曲線可知，未進(jìn)行處治時，左線隧道洞口段最大變形量達(dá)到390.3 mm，右線隧道洞口段最大變形達(dá)到542.5 mm；采用微型樁注漿處治后，左線隧道洞口段最大變形量下降為6.2 mm，右線隧道洞口段最大變形量則下降為16.8 mm。隧道洞口區(qū)段邊仰坡變形得到較好的控制，受堆積體段影響，在距離隧道洞口50～125 m區(qū)段仍然形成襯砌變形波峰。

2.3.2 應(yīng)力分析

隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小與隧道結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)，可反映微型樁注漿對堆積體隧道的處治效果。通過數(shù)值模擬分析微型樁注漿處治與未處治兩種狀況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，得到如圖5、圖6所示襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。由圖5～6可知，未采用微型樁注漿處治時，左線隧道襯砌最大應(yīng)力達(dá)到7 492.19 kN/m2，右線隧道襯砌最大應(yīng)力達(dá)到9 598.76 kN/m2；采用微型樁注漿處治時，左線隧道襯砌最大應(yīng)力降低為6 224.17 kN/m2，右線隧道襯砌最大應(yīng)力達(dá)到7 954.50 kN/m2，微型樁注漿處治使隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低約17%。

2.4 結(jié)果對比

整理隧道拱頂變形現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬結(jié)果，繪制得到襯砌變形數(shù)值模擬-現(xiàn)場監(jiān)測對比曲線如下頁圖7、圖8所示。從變形總體分布規(guī)律上分析可發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌變形數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果一致，較大變形出現(xiàn)在洞身區(qū)段，隧道洞口區(qū)段變形得到較好的控制?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，洞身區(qū)段襯砌變形較大，左線拱頂最大變形量達(dá)到225.2 mm，右線拱頂最大變形量達(dá)到201.3 mm。由于隧道開挖支護(hù)各工序存在時間間隔，隧道仰拱初期支護(hù)成環(huán)快速完成，因此隧道中部沉降變形量較數(shù)值模擬更大。

3 結(jié)語

本文以某高速公路隧道穿越不良地質(zhì)堆積體為依托，通過數(shù)值分析方法模擬隧道開挖支護(hù)全過程，對不良地質(zhì)堆積體隧道洞口段進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，研究了洞口不良地質(zhì)堆積體段隧道結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力變化，形成以下結(jié)論。

（1）泥質(zhì)粉砂巖堆積體不良地質(zhì)對隧道的影響范圍約為堆積體長度的2倍；在堆積體區(qū)段影響范圍內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)形成兩端大中間小的變形規(guī)律。

（2）采用微型鋼管樁注漿處治可較好控制洞口堆積體段隧道襯砌內(nèi)力及變形，微型鋼管樁注漿處治后隧道變形較大區(qū)段位于堆積體與中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖交界區(qū)段。

（3）隧道變形數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果數(shù)值上存在一定差別，但是總體分布規(guī)律基本一致，對于后續(xù)類似隧道工程處治及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)具有一定的參考價值。

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