石文广

(中铁十八局集团第六工程有限公司,天津　300222)



震后偏压坡积体免刷坡进洞施工力学效应分析

石文广

(中铁十八局集团第六工程有限公司,天津300222)

摘要：结合震后四川某地特长高速公路隧道洞口施工的实际工程,针对其提出的免刷坡进洞施工技术,开展震后偏压坡积体免刷坡进洞施工力学效应的分析,通过FLAC 3D有限差分软件计算分析,结果表明：在施工过程要提前作好安全防护准备；左洞洞顶地表呈斜坡状,在剪切应力作用下导致初期支护外侧出现大范围受拉区；该工法可以有效地防止隧道上方坡积土体的滑动,保证施工安全且有效缩短进洞时间,对隧道周围地表植被破坏较小。

关键词：公路隧道；震后偏压坡积体；进洞施工；数值分析；力学效应

在山区隧道修建中，进洞施工的安全至关重要。由于自然因素和人类活动，隧道洞口处地质条件与洞身段相比更差一些。传统的刷坡进洞方法，工程量大，边坡稳定性差，对环境影响较大，同时易引发边坡失稳，产生落石、崩塌、滑坡等次生地质灾害。有时即使采用其他辅助工法能够成洞，隧道运营后也会出现山体滑坡、渗水、崩塌、衬砌裂缝和变形等问题，后期维修、养护费用大，这将极大地增加工程在全寿命期内的总成本[1-2]。因此，采用新的进洞施工工法是非常有必要的。

1工程概况

四川境内某高速特长公路隧道为分离式隧道，左洞长5 305 m，右洞长5 325 m，左右洞全长共计10 630 m。隧道所在山体受2008年汶川地震影响，洞口处于震后松散堆积体之上，洞顶高边坡段极易产生新的崩塌落石，松散堆积体主要为土石结合体，厚15～30 m，洞口正下方为地震后山体覆盖层堆积物，厚度约5 m。

洞口段由于震后松散堆积体，稳定性极差，且余震不断，由于震裂松动岩体与一般的松散岩土体存在差别，表现出更强的透水性、架空性及低速波动性等特征，造成成洞条件差，进洞难度大。由于特殊的地质原因，在松散体中进行大管棚施工，普通钻机不能成孔；且隧道左线存在严重的偏压，加大了施工难度。

边坡开挖过程中容易发生滑坍，且山顶不时有飞石滑落，洞口处呈明显偏压状态，如图1所示。且根据洞口开挖出露情况，判断其断面及断面以上部位均为块碎石夹杂大孤石，仰拱下部为震后山体覆盖层植被土夹杂块石土，岩体极其松散。

图1　隧道进口地质概貌

2进洞施工方案

2.1隧道进洞工序安排

由于洞口岩体松散、破碎，且山体较陡、仰坡较高、偏压明显，左洞位于松散堆积体外侧，为了避免震后松散堆积体二次滑塌，左右洞施工顺序是先左洞后右洞，左洞先行施作可为右洞开挖提供支挡结构，有效确保震后堆积体的稳定性。洞口段施工总体处理原则为“保安全、先加固、后施工、补注浆、强支护、勤测量”，针对震后偏压坡积体的特性，此隧道采用了免刷坡进洞技术，进洞施工顺序如下。

(1)边坡加固防护， 待坡面封闭施工完毕后，对暗洞进口ZK0+605处沿套拱拱圈3 m范围内进行注浆加固，具体措施为：交界面3 m范围内采用φ42 mm注浆小导管，长4.5 m，外插角30°～45°，间排距1.0 m，交错布置。

(2)套拱及管棚施工。

(3)首循环上、中、下台阶开挖及施作初期支护,采用正台阶预留核心土开挖法施工，分上中下三台阶，每层台阶留核心土分布开挖，钢架支撑初期支护紧跟。

(4)侧墙及明洞基础处理，明洞及侧墙基底处理采用基底注浆和基底换填方式加固地基。

(5)明洞段混凝土浇筑，明洞仰拱及边墙基础混凝土采用组合钢模板人工立模浇筑，边墙及拱部混凝土施工采用12 m长整体液压钢模台车作内模，外模采用整体式可变钢模板。

(6)隧洞开挖。

隧道洞口施工前要对边坡进行加固防护，清除陡壁上的危石，坡面采用主动网防护、被动网防护及锚喷防护组合方案，对部分地段采用地表注浆加固处理[3-4]。

隧道进洞超前支护采用超前管棚注浆，在洞口护拱施作之前，采用在隧道洞口设置抗滑桩挡墙的支护措施，并与护拱形成共同的受力结构。采用明洞进洞，明洞仰拱及边墙基础采用组合钢模板浇筑，边墙及拱部施工采用整体液压钢模台车作内模，外模采用整体式可变钢模板。对明洞地基和明暗洞交界面做加固处理[5-8]。

2.2隧道洞口开挖工序

隧道洞口段按“新奥法”施工，分上中下三台阶，上面两个台阶留核心土分布开挖，钢架支撑初支紧跟[9]。上台阶预留核心土高度为2.5～3 m，长度3～4 m；环形部分采用人工风镐配合挖机开挖，每循环进尺0.5 m；核心土部分采用挖掘机进行开挖，隧道洞口段具体开挖工序见图2。

图2　隧道洞口开挖工序示意

3施工力学效应分析

采用FLAC3D大型有限差分软件建立山体及隧道模型，对隧道进洞施工过程力学效应进行数值模拟分析。

3.1计算模型

考虑到隧道的影响范围，计算模型左右各取60 m，仰拱下取为60 m，拱顶以上为覆土厚按照实际埋深考虑(0～30 m)；考虑到单元数量太多影响计算速度，纵向计算范围取50 m。围岩土体的本构模型采用Mohr-coulomb理想弹塑性模型；隧道拱部3 m范围[10]内为超前管棚注浆加固区域，超前管棚用Beam单元单独模拟；洞口明洞、套拱和初期支护混凝土采用实体弹性单元模拟，计算模型如图3所示。

图3　进洞工法计算模型

3.2计算参数

洞口段围岩主要以碎石、砂卵石及花岗闪长岩为主，围岩较为破碎按Ⅴ级围岩考虑，注浆加固后按Ⅵ级围岩考虑，结合《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)、现场地勘资料及以往工程经验，选取围岩及支护参数如表1所示。

表1　围岩及支护物理力学参数

注：初期支护厚度为25 cm，超前管棚直径φ108 mm。

3.3施工过程模拟

图4　施工过程模拟示意

根据隧道洞口围岩地质条件，确定隧道的施工方案为：先对右洞进口进行施工，然后对左洞进口进行施工。进洞施工过程数值模拟步骤为:(1)施做套拱；(2)施做管棚注浆；(3)机械开挖进洞；(4)施做明洞。施工过程模拟如图4所示。

3.4计算结果分析3.4.1支护受力分析

根据计算结果做出初期支护的主应力云图和进洞后初期支护拱顶主应力沿隧道纵向变化曲线，如图5、图6所示。

图5　初期支护主应力云图

图6　初期支护拱顶主应力沿隧道纵向变化曲线

由图5和图6可知，右洞初期支护最大压应力为3.2 MPa，主要分布在暗挖段拱顶部位，且压应力随着埋深的增加逐渐增大；最大拉应力为1.0 MPa，分布范围较小，主要分布在套拱与暗挖段的交接处，但当隧道进入暗挖段衬砌所受拉应力均较小。左洞初期支护最大压应力为2.2 MPa，主要分布在暗挖段拱顶部位，且压应力随着埋深的增加逐渐增大；左洞初期支护外侧拱部出现较大范围的拉应力区，最大拉应力为1.3 MPa，这是由于左洞洞顶地表呈斜坡状，在自然状态下坡体具有剪切滑移的趋势，在剪切应力作用下导致初期支护外侧出现大范围受拉区，因此施工时要注意减小对坡体扰动，此外还要做好坡体上面的排水工作[9]。也正是由于偏压原因，左洞所受的剪切应力远远大于右洞，致使左洞最小主应力以拉应力为主，而右洞以压应力为主，致使图6(b)中两曲线特征明显不同。

3.4.2支护变形分析

根据计算结果做出洞口段初期支护位移云图和初期支护位移沿隧道纵向变化曲线，如图7和图8所示。

图7　洞口段初期支护位移云图

图8　初期支护位移沿隧道纵向变化曲线

由图7和图8可知，隧道支护位移随着埋深的增加而逐渐增大，右洞拱顶最大沉降为16 mm，最大水平收敛为1.8 mm，左洞拱顶最大沉降为27 mm，最大水平收敛为7.8 mm。由于超前管棚注浆加固作用使进洞段支护位移减小，但是由于左洞洞顶地表呈斜坡状，在自然状态下坡体具有剪切滑移的趋势，导致左洞受到剪切应力作用，故使左侧初期支护位移较大。

3.4.3地表沉降分析

根据计算结果做出地表位移云图如图9所示。

图9　地表位移云图

由图9可以看出，随着埋深的逐渐增加，地表沉降逐渐变小，最大地表沉降出现在左洞上部覆土处，此处埋深为12 m，最大地表沉降值为16 mm，且沉降呈不对称分布，由于受地形影响，左侧沉降大于右侧沉降。

3.4.4仰坡稳定性分析

仰坡稳定是进洞施工的重点，为确保进洞技术的可行性，必须针对进洞之后的仰坡稳定性进行评价。本文应用强度折减法，计算进洞之前及进洞之后的仰坡安全系数，其计算结果见表2。

表2　仰坡稳定性计算结果

由表2的计算结果可以得出：进洞前后仰坡安全系数分别为1.7、1.5，均大于《建筑边坡工程技术规范》[11]规定的1.3，仰坡稳定性符合安全要求；进洞前后仰坡的滑移面位置基本一致[12]，但是进洞后的滑移面范围更大，边仰坡位置均产生了滑移面，安全系数减小12%，达到1.5，但是依旧处于较为稳定的状态。

根据数值模拟结果做出进洞前和进洞后在临界状态下仰坡体滑移面分布见图10和图11。

图10　进洞前仰坡滑移面分布

图11　进洞后仰坡滑移面分布

4结论

(1)隧道工程所处地域受汶川8级地震影响，洞口山坡坡面松散，在扰动、雨水或者风的作用下，仍有发生落石、崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害的危险，在施工过程要提前作好安全防护准备。

(2)左洞洞顶地表呈斜坡状，在自然状态下坡体具有剪切滑移的趋势，在剪切应力作用下导致初期支护外侧出现大范围受拉区，因此施工时要注意减小对坡体扰动，此外还要做好坡体上面的排水工作。

(3)通过对进洞前后仰坡稳定性分析可知，免刷坡进洞施工工法可以有效地防止隧道上方坡积土体的滑动，确保明洞衬砌结构及仰坡的稳定，保证隧道支护结构的安全。

(4)免刷坡快速进洞施工方法加强了边坡稳定性，有效缩短进洞时间，对隧道周围地表植被破坏较小甚至不破坏生态，具有环保，安全可靠的特点，经济和社会效益明显。

参考文献：

[1]贾明辉，王民，丁文其，等.不同进洞方式对隧道边坡稳定性影响的研究[J].公路，2007(10):220-223.

[2]马烨.偏压隧道半明半暗进洞施工技术[J].隧道建设，2009(S2):199-201.

[3]贾明辉.隧道洞口边坡稳定性与控制技术研究[D].上海：同济大学，2007.

[4]王新明.浅埋公路隧道洞口段施工技术[J].铁道标准设计，2005(8):68-69.

[5]贾明辉.隧道洞口边坡稳定性与控制技术研究[D].上海：同济大学，2007.

[6]郭红军.浅埋软岩铁路隧道洞口施工技术[J].铁道标准设计，2008(5):81-83.

[7]李怀鉴，马志富.高速铁路隧道复杂地质条件下浅埋偏压洞口设计研究[J].铁道标准设计，2013(5):94-97.

[8]伍毅敏，王飞，邹正明，等.半明半暗隧道洞口段力学特征分析与现场监测[J].岩石力学与工程学报，2008(S1):2873-2882.

[9]陈小勇，陈绪文，刘旸，等.浅埋偏压隧道进洞施工技术[J].现代隧道技术，2009(3):89-92.

[10]骆文学.构造节理偏压对隧道结构安全性影响研究[J].国防交通工程与技术，2013(5):21-24.

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50330—2013建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[12]叶辉权.隧道进洞与边坡相互作用机理及控制[J].国防交通工程与技术，2012(S1):32-35.

Mechanics Analysis of Tunnel Portal Construction without Treatment to Biasing Slope after Earthquake SHI Wen-guang

(China Railway 18 Bureau Group Co., LTD, Tianjin 300222， China)

Abstract：With reference to the practices in portal construction of a highway tunnel in Sichuan where tunnel portal construction without treatment to biasing slope after earthquake, a mechanics analysis is conducted with finite difference software FLAC 3D of such tunnel portal construction. The results show that protective measures must be taken before the construction and a wide tensile zone is created outside the primary support due to shear stress generated by the tilted surface above the tunnel top and the method can effectively prevent the soil above the tunnel from sliding, which not only ensures safe construction and but also shortens the time to get into the tunnel with less destruction to the vegetation around the tunnel.

Key words：Highway tunnel; Biasing slope after earthquake; Portal construction; Numerical analysis; Mechanical effect

中图分类号：U452.2+7

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.026

文章编号：1004-2954(2015)05-0115-04

作者简介：石文广(1967—)，男，高级工程师，工学博士，E-mail:kong4340124@163.com。

收稿日期：2014-07-25； 修回日期：2014-08-19