不同開挖工法下淺埋偏壓小凈距隧道及邊坡穩(wěn)定性研究

徐松

摘 要：【目的】隧道施工中常遇到小凈距偏壓隧道與邊仰坡相互作用的情況，可能導(dǎo)致隧道塌方及邊坡失穩(wěn)，因此在建設(shè)過程中應(yīng)及時(shí)對二者進(jìn)行加固，尤其是淺埋小凈距偏壓黃土隧道?！痉椒ā恳灾刑m客專引入蘭州樞紐配套工程白石一號隧道為工程背景，采用數(shù)值模擬的方法對不同開挖工法及施工順序下小凈距隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。【結(jié)果】淺埋偏壓小凈距隧道開挖形成的塑性區(qū)與邊坡潛在滑動(dòng)面貫通，極易使隧道坍塌，使隧道鄰近邊坡發(fā)生失穩(wěn)災(zāi)害。采用三臺階臨時(shí)橫撐法的開挖方式對圍巖的擾動(dòng)范圍最小，且先對靠近山體的隧道開挖所得的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)較大，更有利于小凈距隧道及邊坡的安全穩(wěn)定；三臺階臨時(shí)橫撐的開挖工法使得臨時(shí)橫撐與襯砌共同承擔(dān)荷載，可最大限度地抑制隧道拱頂和仰拱的圍巖變形，繼而保證施工安全。【結(jié)論】針對小凈距隧道中巖柱穩(wěn)定性問題提出了相應(yīng)的加固建議，為類似淺埋小凈距隧道施工提供參考。

關(guān)鍵詞：淺埋；小凈距隧道；偏壓；開挖工法；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

中圖分類號：U455? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0064-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.013

Study on the Stability of Shallow-Buried Bias Voltage Neighbourhood Tunnel and Slope Under Different Excavation Methods

XU Song

（China Railway 22nd Bureau Group Co.， Ltd.， Beijing 100043， China）

Abstract： [Purposes] The interaction between the neighbourhood bias tunnel and the side slope is often encountered in the construction of the tunnel， which may lead to tunnel collapse and slope instability. Therefore， it is necessary to reinforce the two in time during the construction process， especially the shallow buried neighbourhood bias loess tunnel. [Methods] Based on the project background of Baishi No.1 Tunnel， a supporting project of Lanzhou Hub introduced by Zhonglan Passenger Dedicated Line， the stability of small clear distance tunnel under different excavation methods and construction sequence is studied by numerical simulation. [Findings] The results show that the plastic zone formed by shallow-buried unsymmetrical tunnel excavation with small clear distance is connected with the potential sliding surface of the slope， which is easy to collapse the tunnel and cause landslide disaster near the slope. The excavation method of three-step temporary cross brace has the smallest disturbance range to surrounding rock， and the slope stability safety factor obtained by excavating the tunnel near the mountain is larger， which is more conducive to the safety and stability of the small clear distance tunnel and slope. The excavation method of three-step temporary cross brace makes the temporary cross brace and lining share the load， which can restrain the deformation of surrounding rock of tunnel vault and inverted arch to the maximum extent， and then ensure the construction safety. [Conclusions] The corresponding reinforcement suggestions are put forward for the stability of rock pillars in small clear distance tunnels. The research results can provide reference for similar shallow-buried tunnels with small clear distance.

Keywords： shallow burial; neighbourhood tunnel; bias voltage; excavation method; stability; numerical simulation

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了一些成就，鐵路建設(shè)也是其中重要一環(huán)，鐵路的建設(shè)不僅滿足了國民出行需求，且對我國國防事業(yè)安全至關(guān)重要。我國中西部地區(qū)山脈縱橫交錯(cuò)，尤其是黃土高原地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，在鐵路修建時(shí)常采用隧道的形式，在存在土地資源緊張和現(xiàn)有居民點(diǎn)的地方可采用小凈距隧道來進(jìn)行繞避。同時(shí)，在偏壓情況下開挖和支護(hù)的小凈距隧道由于形式特殊也備受關(guān)注。因此，為保證偏壓小凈距隧道及邊坡的施工安全，研究不同工法及施工順序下小凈距隧道開挖穩(wěn)定性具有重要意義。目前，已有眾多學(xué)者對該領(lǐng)域進(jìn)行了不同角度的研究。李華和彭文波［1］采用有限元方法對超淺埋小凈距隧道進(jìn)行了施工順序的模擬，表明先施工埋深較淺一側(cè)的隧道，可降低襯砌結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)力。李偉平等［2］采用有限元軟件Abaqus對偏壓小凈距隧道的三種不同施工方案進(jìn)行模擬，確定了單側(cè)壁導(dǎo)坑法為陡坡偏壓小凈距隧道的合理施工方案。王春國［3］利用FLAC3D有限差分軟件對大跨偏壓小凈距隧道施工過程中的受力變形規(guī)律與施工方案進(jìn)行對比分析，并與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)做了對比，表明先開挖靠近山體一側(cè)的隧道更穩(wěn)定。曹小平等［4］以某公路隧道為背景，通過建立偏壓小凈距隧道的圍巖壓力計(jì)算模型，并對隧道參數(shù)變化對圍巖壓力的敏感性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，后行洞施工會(huì)使先行洞拱部壓力增大，水平壓力與側(cè)壓力減小，同時(shí)圍巖側(cè)壓力系數(shù)也受摩擦角及偏壓坡角的影響。江學(xué)良等［5］設(shè)計(jì)了隧道物理模型，并開展了大型振動(dòng)臺試驗(yàn)，研究了不同地震波類型與加速度對偏壓小凈距隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)變動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的影響。騰俊洋等［6］根據(jù)淺埋偏壓小凈距隧道推導(dǎo)了其圍巖壓力計(jì)算公式，并分析了不同地形坡度及不同埋深對小凈距隧道豎向壓力與側(cè)向壓力的影響規(guī)律。孫振宇等［7］研究了小凈距隧道圍巖壓力的演變規(guī)律，分析了影響圍巖壓力的主要因素，討論了小凈距隧道中夾巖柱側(cè)向壓力與隧道圍巖參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而建立了相應(yīng)的計(jì)算模型來進(jìn)一步驗(yàn)證。劉佳［8］利用三塌落拱理論建立了隧道荷載計(jì)算模型，推導(dǎo)了隧道圍巖壓力的理論計(jì)算公式，研究了不同埋深與凈距對隧道圍巖壓力的影響規(guī)律，提出了小凈距隧道中夾巖柱的加固方式。李然等［9］基于普式理論提出了三種小凈距隧道圍巖壓力的計(jì)算方法，分析了凈距和跨度對圍巖壓力分布規(guī)律的影響，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了方法的合理性和有效性。王趕等［10］以極限平衡法原理為基礎(chǔ)，引入水平地震力系數(shù)推導(dǎo)出一種考慮后行洞施工對先行洞影響的淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力的計(jì)算方法，并分析了水平地震力對圍巖破裂角的影響規(guī)律。

基于淺埋小凈距偏壓黃土隧道穩(wěn)定性研究的研究現(xiàn)狀，本研究采用數(shù)值模擬和分析的方式對不同開挖工法及施工順序下的淺埋偏壓小凈距隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并針對偏壓小凈距隧道中巖柱的穩(wěn)定問題提出相應(yīng)的加固建議，以期為此類小凈距隧道施工提供參考。

1 工程背景

白石一號隧道地處蘭州市七里河區(qū)，全長350 m，地面高程為1 556～1 591 m，相對高差約35 m，最大埋深24 m，最小埋深13 m，屬典型的淺埋小凈距隧道。隧道開挖高度為11.54 m，開挖寬度為8.57 m，隧道凈空斷面面積為85.1 m2，屬于大斷面隧道。隧道起止里程為DK6+170～DK6+520，其中K6+224～DK6+513為暗挖段，凈距為2.52～8.61 m。隧道左線長350 m，右線長342 m，設(shè)計(jì)進(jìn)口61 m、出口60.66 m，明洞段共計(jì)121.66 m，圍巖等級均為Ⅴ、Ⅵ級。隧道地質(zhì)巖層主要為雜填土、砂質(zhì)黃土等，黃土具有大孔隙、強(qiáng)度低、濕陷性等特點(diǎn)，施工過程中易出現(xiàn)隧道拱頂沉降過大、邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象?，F(xiàn)場隧道設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

2 數(shù)值模型建立及參數(shù)選取

2.1 模型建立

本研究選用有限元軟件Abaqus建立二維小凈距隧道模型，只考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)自重，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，初支和二襯為彈性材料。選取隧道的某一截面進(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖2（a）所示。隧道埋深18 m，右線隧道距坡面8.5 m，開挖高度為11.5 m，跨度為8.5 m，屬于典型的淺埋偏壓小凈距隧道?？紤]模型的邊界效應(yīng)，左邊界距左線隧道取為4倍洞徑，底部邊界距隧道底部取為3倍洞徑，右線隧道右上側(cè)為邊坡，底部設(shè)置固定約束，左右兩側(cè)設(shè)置水平約束，上部為自由邊界。為分析隧道開挖過程中的邊坡的變形情況，在邊坡上設(shè)置了5個(gè)測點(diǎn)，如圖2（b）所示。

2.2 模型參數(shù)

參照地勘報(bào)告，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值見表1。

2.3 施工工況模擬

在數(shù)值模擬分析中，主要利用Abaqus軟件的生死單元功能實(shí)現(xiàn)隧道的開挖與支護(hù)。模擬的隧道開挖工況包括兩臺階法、三臺階法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階臨時(shí)橫撐法等4種，分別分析4種開挖工法下邊坡及圍巖的穩(wěn)定性，具體工況見表2。

3 邊坡及圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 隧道開挖過程中邊坡塑性區(qū)分布

淺埋偏壓小凈距隧道采用兩臺階法開挖，分析隧道開挖前、先左洞開挖后與雙洞開挖后未支護(hù)條件下邊坡塑性區(qū)分布，結(jié)果如圖3所示。由圖3（a）可知，邊坡已有失穩(wěn)趨勢，塑性區(qū)自坡腳延伸至坡體中上部，但還未貫通，邊坡暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖3（b）可知，在左洞開挖后形成了新的塑性區(qū)，左洞邊墻兩側(cè)產(chǎn)生的新塑性區(qū)一直往上延伸與邊坡塑性區(qū)相貫通，最終導(dǎo)致隧道左側(cè)土體的下滑和坡腳以上土體向隧道右側(cè)的塌陷。由圖3（c）可知，在小凈距隧道開挖完成后，中夾巖柱部位產(chǎn)生新的貫通塑性區(qū)，右洞拱頂部位產(chǎn)生的塑性區(qū)與邊坡塑性區(qū)相貫通，極易使右洞發(fā)生坍塌。因此，在隧道開挖前務(wù)必做好邊坡的預(yù)加固措施，否則將發(fā)生隧道坍塌和邊坡失穩(wěn)情況。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 不同施工順序下邊坡穩(wěn)定性分析。兩臺階開挖不同施工順序時(shí)，邊坡強(qiáng)度折減系數(shù)與坡面監(jiān)測點(diǎn)水平位移關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，各測點(diǎn)的水平位移起初隨折減系數(shù)的增加而線性增大，之后在一拐點(diǎn)處急劇增大。對于工況1水平位移在折減系數(shù)為1.43時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，故取邊坡安全系數(shù)為1.43；對于工況2水平位移在折減系數(shù)為1.45時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，故取邊坡安全系數(shù)為1.45。顯然，工況2的安全系數(shù)略大，故在淺埋偏壓小凈距隧道施工時(shí)應(yīng)先進(jìn)行靠山側(cè)洞室的開挖。

兩種工況下各施工階段對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。分析表3可知隧道施工過程中邊坡穩(wěn)定性的演化規(guī)律。由計(jì)算結(jié)果可看出，隨著隧道開挖面的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低，且第二個(gè)洞室的上臺階開挖會(huì)使得邊坡安全系數(shù)大幅降低；工況1和工況2中由開挖第二個(gè)洞室上臺階造成的安全系數(shù)降低值分別占總安全系數(shù)降低值的51.4%和54.6%，說明小凈距隧道的開挖會(huì)使圍巖擾動(dòng)區(qū)變大，不利于隧道側(cè)向邊坡穩(wěn)定。

3.2.2 不同工法下邊坡穩(wěn)定性分析。不同工法下土體強(qiáng)度折減系數(shù)與測點(diǎn)水平位移的關(guān)系曲線如圖5所示。可見工況3、工況4和工況5邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.54、1.56和1.62，另外由圖5（b）可知工況2邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.45，4種開挖方法都滿足邊坡穩(wěn)定的要求。通過對比不同開挖方法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)可知，采用工況5左洞先行三臺階臨時(shí)橫撐法開挖，可使邊坡安全系數(shù)較其他工況分別提高11.7%、5.2%和3.8%，因此優(yōu)先采用三臺階臨時(shí)橫撐法開挖。

3.3 圍巖穩(wěn)定性分析

3.3.1 不同施工順序?qū)鷰r穩(wěn)定性影響。以兩臺階法施工為例，對左右洞不同開挖順序下的隧道拱頂沉降進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖6所示。由圖6可知，先右洞兩臺階開挖法對圍巖造成的擾動(dòng)范圍較廣一些，最大豎向位移為25.96 mm，左洞先開挖造成的最大豎向位移為23.47 mm，較右洞減小9.6%。由此可知，先進(jìn)行左洞兩臺階開挖對邊坡及圍巖的影響較小，可有效降低圍巖的豎向沉降。

3.3.2 不同開挖工法對圍巖穩(wěn)定性的影響。根據(jù)上述分析所得結(jié)論，本研究采用左洞先行的開挖順序?qū)膳_階法、三臺階法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階臨時(shí)橫撐法等進(jìn)行對比分析不同開挖工法下的圍巖沉降變形，得到偏壓狀態(tài)下最優(yōu)的開挖工法。不同開挖工法下圍巖位移云圖如圖7所示。由圖7可知，在隧道開挖作用下，圍巖與邊坡均有不同程度的變形。對于豎向位移，拱頂沉降并非在中心處，而是向深埋側(cè)偏移，兩臺階開挖引起的沉降最大為23.47 mm，三臺階開挖引起的拱頂沉降最小為19.17 mm，環(huán)形預(yù)留核心土開挖與三臺階開挖引起的拱頂沉降基本一致，三臺階臨時(shí)橫撐法開挖引起的拱頂沉降比兩臺階法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階法減小了18.3%、8.4%和7.7%；類似地，兩臺階法開挖引起的仰拱隆起最大為21.29 mm，三臺階臨時(shí)橫撐法引起的仰拱隆起最小為20.18 mm，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階法引起的仰拱隆起也基本一致，三臺階臨時(shí)橫撐法引起的仰拱隆起較兩臺階法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法和三臺階法減小了5.2%、3.5%和2.9%，差別較小。整體對比拱頂沉降與仰拱隆起發(fā)現(xiàn)數(shù)值均不大，主要原因是隧道埋深較淺，上覆土壓力較小，并且地應(yīng)力較小，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖變形較小。對于水平位移，主要集中在隧道拱頂及右洞拱腳處。在隧道開挖工程中臨空面的產(chǎn)生，使得邊坡下滑，產(chǎn)生的下滑力進(jìn)而造成邊坡水平位移增大。采用三臺階開挖引起的水平位移最小為4.9 mm，最大為10.6 mm，分別比兩臺階法、三臺階法和環(huán)形開挖預(yù)留核心土法減小了15.3%、14.0%和3.0%。由此可知，三臺階臨時(shí)橫撐法開挖對隧道圍巖擾動(dòng)最小，引起的豎向位移和水平位移也最小。采用該種工法的臨時(shí)橫撐可和初期支護(hù)封閉成環(huán)，共同承擔(dān)土體荷載，顯著增強(qiáng)了圍巖的變形穩(wěn)定性。

3.4 中巖柱加固措施

在實(shí)際工程施工中，小凈距隧道施工勢必會(huì)對中巖柱造成多次擾動(dòng)，并且雙洞開挖造成的擾動(dòng)相互疊加，更加容易使中巖柱變形，不利于隧道的穩(wěn)定，因此應(yīng)對其進(jìn)行工程加固。目前，常用于小凈距隧道中巖柱加固方式有注漿加固、貫通長預(yù)應(yīng)力錨桿加固以及幾種方法組合的方式。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，單通過注漿加固的方式難以增強(qiáng)中巖柱區(qū)域土體的黏聚力，而單通過預(yù)應(yīng)力錨桿的方式則難以控制施工成本。本研究中白石一號小凈距隧道中巖柱采用注漿與預(yù)應(yīng)力錨桿相結(jié)合的方式進(jìn)行加固，從而保證了隧道施工的安全性。

4 結(jié)論

①淺埋偏壓小凈距隧道開挖形成的塑性區(qū)與邊坡潛在滑動(dòng)面貫通，極易使隧道坍塌，使小凈距隧道鄰近邊坡發(fā)生失穩(wěn)。

②采用三臺階臨時(shí)橫撐法的開挖方式對圍巖的擾動(dòng)范圍最小，且先對靠近山體的隧道開挖所得的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)較大，更有利于小凈距隧道及邊坡的安全穩(wěn)定。

③三臺階臨時(shí)橫撐的開挖工法使得臨時(shí)橫撐與襯砌結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載，可最大限度地抑制隧道拱頂和仰拱的圍巖變形，繼而保證施工安全。

④為避免小凈距隧道中巖柱塑性區(qū)貫通，可以采用注漿加固與預(yù)應(yīng)力錨桿相結(jié)合的方式對中巖柱區(qū)域進(jìn)行加固。

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