高边仰坡下方隧洞群开挖施工的安全性分析

2022-02-14张安睿

安全与环境工程 2022年1期

张安睿

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550009)

目前，对于地下洞室与边坡之间的相互影响作用的研究主要集中在两个方面，即地下洞室开挖对边坡稳定性的影响、边坡开挖对地下洞室稳定性的影响，且现阶段对这两个方面的研究均取得了一些成果[1]。其中，在地下洞室开挖对边坡稳定性的影响方面，目前的研究方法主要有极限平衡法和数值分析方法[2-3]，如朱合华等[4]通过有限元三维弹塑性模型，利用强度折减法对隧道施工过程中边坡的稳定性进行了分析，结果发现坡体的稳定性受隧道施工的影响较为明显，但最终会趋于稳定;徐卫亚等[5]对边坡岩体内进行地下洞室开挖后边坡力学状态的改变及洞室岩体稳定性进行了相关研究;董慧明等[6]采用极限平衡法与格里菲斯强度理论，研究了地下洞室开挖对露天矿边坡稳定性的影响；王建秀等[7]通过对隧道边坡变形的三维监测及隧洞内变形的监测，确定了隧道边坡三维变形的基本模式；万文[8]关于地下采空区对边坡稳定性的影响研究较为系统，并采用加速混合遗传算法分析了不同大小、位置的地下老采空区对边坡稳定性的影响。

此外，地下洞室开挖对其他工程的影响研究也取得了相关成果[9-12]，这些成果所采用的理论与方法为研究地下洞室与边坡之间的相互影响作用提供了新的思路。但关于地下洞室开挖对边坡稳定性影响的研究仍需进一步深入，如地下洞室群的开挖对高边仰坡稳定性的影响等。

地下洞室群的开挖较单一隧道开挖情况更为复杂，相关施工工序的交叉作用及其对边坡稳定性的影响较为不明确。因此，为了明确地下洞室群开挖对边坡稳定性的影响作用，本文针对国高网G8012弥勒至楚雄高速公路玉溪至楚雄段(即玉楚高速公路)绿汁江特大桥玉溪岸隧道锚及主线连拱隧道工程，采用三维有限元数值分析软件对高边仰坡下方隧洞群开挖施工的相互影响以及对边坡稳定性的影响进行了数值模拟研究，旨在为类似工程建设提供一定的参考。

1 工程概况及施工顺序确定

1.1 工程概况

玉楚高速公路绿汁江特大桥段为双向四车道，设计车速为100 km/h。绿汁江特大桥为主跨780 m的单塔单跨钢箱梁悬索桥，桥梁全长为798 m，两岸均直接与隧道连接，仅在玉溪岸设置索塔，索塔高为156 m；两岸锚碇均为隧道锚，玉溪岸隧道锚左右幅锚碇位于凤凰隧道出口下方。

凤凰隧道为分岔隧道(进口段为分离式隧道，出口段为连拱隧道)，左幅长2 112.2 m，右幅长2 125 m。

玉溪岸左侧高仰坡设计方案为8级坡，各级边坡的坡率均为1∶0.3，中间设2 m宽平台，采用框架锚索+挂网锚喷进行防护，坡口线外2 m设截水沟;玉溪岸右侧高边坡设计方案为8级坡，第1级边坡采用抗滑桩+冠梁+锚索进行防护，第1级平台设排水沟，第2级边坡的坡率为1∶0.5，其余边坡的坡率为1∶0.3，第2～7级边坡采用框架锚索+挂网锚喷进行防护，坡口线外2 m设截水沟，如图1至图3所示。

图1 绿汁江特大桥桥型设计图

图2 边坡及洞室分布图

图3 凤凰隧道平面布置图

1.2 高边仰坡下方隧洞群开挖施工顺序确定

多洞室开挖施工顺序的确定是本工程的重难点，结合本工程实际，考虑的主要影响因素如下：

(1) 多洞室开挖对高边仰坡扰动的影响。由于隧道锚位于高边坡、高仰坡底部+“浅表层”，多洞室开挖卸载对上方高边坡、高仰坡稳定性的影响较大，故左、右幅隧道锚同时开挖施工的安全风险较大，不宜同时施做。

(2) 施工工序的影响。由于右侧洞室洞口位于高边坡、高仰坡两个高坡交点处，右侧洞室开挖施工对右侧高边坡、高仰坡稳定性的影响较大，而且右侧洞室施工工序复杂、施工周期长，会导致后续作业不能快速开始，故不宜先施做右侧洞室。

(3) 洞室交叉施工的影响。由于洞室交叉施工的影响，故隧道锚与上方隧道不宜同时进洞。

(4) 场地条件的影响。受地形条件的限制，现场仅能提供2个洞室同时进洞施工作业的场地条件。

(5) 工程工期的影响。隧道锚的工期节点会影响绿汁江特大桥工程的施工进度，而凤凰隧道同时也是该工程项目工期的控制节点。

为了减少隧洞群开挖施工对高边仰坡的扰动，同时考虑桥隧施工的特点、洞室交叉施工和场地条件的影响以及控制工程工期的目标，拟定高边仰坡下方隧洞群开挖施工的顺序如下：

(1) 主线隧道连拱段中导洞进洞；

(2) 左幅隧道锚进洞施工；

(3) 左幅隧道锚施做完成后，主线隧道左幅进洞施工；

(4) 右幅隧道锚进洞施工；

(5) 右幅隧道锚施做完成后，主线隧道右幅进洞施工。

综合分析，该开挖施工工序可较快地给桥、隧分别提供施工作业面，可有效降低桥隧交叉施工的影响，但尚需开展以下研究分析：

(1) 初步拟定的开挖施工工序是否安全？

(2) 左幅隧道进洞施工进尺多少时，右幅隧道锚可进洞施工？

针对以上问题，通过建立数值模型开展了相应的数值模拟计算，以为工程施工提供支撑。

2 高边仰坡下方隧洞群计算模型建立

为了分析隧洞群开挖施工对高边仰坡稳定性及洞室自身稳定性的影响开展了数值模拟计算，构建了1～8级边坡开挖体、隧道锚及连拱隧道等施工构筑物网格模型，其中模型四周采用固端约束，顶面为自由面，网格数约15万个(见图4)，并将其与含灰岩夹白云质板岩和板岩夹白云质灰岩的山体模型组合，建立了含地表的三维数值模拟网格模型，见图5。

图4 工程主体施工构筑物网格模型(包含中导洞)

图5 含地表的三维数值模拟网格模型

由于工程区主要位于灰岩夹白云质板岩和板岩夹白云质灰岩内，灰岩夹白云质板岩主要以白云质灰岩为主，板岩夹白云质灰岩主要以板岩为主，因此本文采用摩尔库伦模型模拟灰岩夹白云质板岩，采用考虑层状结构面分布的层状岩体弹塑性力学模型，即针对围岩强度各向异性特点的遍布节理模型模拟板岩夹白云质灰岩。参考工程区勘察报告，本次数值模拟计算所采用的岩体力学参数，见表1。

表1 岩体力学参数

3 隧洞群开挖施工对高边仰坡稳定性的影响分析

由于中导洞断面较小，左幅隧道锚施工对中导洞及边坡的影响相对较小，故不做专门分析，本文主要针对以下关键工序或工况进行分析：

(1) 左主洞隧道开挖施工对中隔墙、左幅隧道锚及高边仰坡等的影响。

(2) 右幅隧道锚与左主洞隧道施工间距分析，分别计算了5 m、10 m、15 m三种工况。

(3) 右幅隧道锚开挖施工对高边仰坡、左幅隧道锚等的影响。

(4) 右幅主洞隧道开挖施工对高边仰坡、隧道锚、左主洞等的影响。

3.1 左主洞隧道开挖施工对中隔墙、左幅隧道锚及边仰坡的影响

左主洞隧道开挖施工的影响模拟计算结果，见表2。

表2 左主洞隧道开挖施工的影响模拟计算结果

3.1.1 对隧道围岩及中隔墙的影响分析

左主洞隧道开挖施工及二次衬砌支护后，典型断面隧道围岩的位移和塑性区分布云图，见图6。

图6 左主洞隧道开挖施工后典型断面隧道围岩的位移和塑性区分布云图

由图6可见,左主洞隧道顶部及边墙围岩最大位移仅为24～25 mm，且围岩塑性区分布只有少许单元，无连续或贯通性塑性区，而且开挖深度越深，围岩发生塑性变形的单元越少，表明在左主洞隧道开挖施工5～15 m范围内围岩处于稳定状态。

左主洞隧道开挖施工及二次衬砌支护后中隔墙的位移分布云图，见图7。

图7 左主洞隧道开挖施工后中隔墙的位移分布云图(上表面10 mm位移)

由图7可见，中隔墙最大位移位于洞口中隔墙底部，洞口临空处最大位移约为45 mm，其他部位位移均小于5 mm。

3.1.2 对左锚洞围岩及支护结构的影响分析

左主洞隧道开挖支护5 m、10 m、15 m后，左锚洞围岩累计位移、位移增量和塑性区、塑性区增量分布云图，见图8。

图8 左主洞隧道开挖支护5 m、10 m、15 m后左锚洞围岩累计位移、位移增量和塑性区、塑性区增量分布云图

由图8可见：左主洞隧道开挖支护5 m后，左锚洞拱顶及边墙围岩的累计位移约为5 mm，位移增量约为2.5～5 mm，两者量值均较小，因此隧道左主洞开挖支护5 m时左锚洞围岩处于稳定状态；左主洞隧道开挖支护10 m后，左锚洞拱顶及边墙围岩的累计位移为5～7.5 mm，位移增量约为2～3 mm，两者量值均较小，同时左锚洞围岩仅在其底板部位产生局部塑性区，因此左主洞隧道开挖支护10 m时左锚洞围岩处于稳定状态；左主洞隧道开挖支护15 m后，左锚洞拱顶及边墙围岩的累计位移为2～7 mm，位移增量约为1～2 mm，两者量值均较小，同时左锚洞围岩未产生塑性区，因此左主洞隧道开挖围岩15 m时左锚洞围岩处于稳定状态。

上述模拟计算结果表明，左主洞隧道开挖支护5～15 m范围内对左锚洞围岩的影响较小，左锚洞围岩处于稳定状态。

3.1.3 对仰坡及右边坡稳定性的影响分析

左主洞隧道开挖施工及二次衬砌支护后引起的仰坡位移增量分布云图见图9。

图9 左主洞隧道开挖支护后引起的仰坡位移增量分布云图

由图9可见，在左主洞拱顶一级仰坡处新增约10 mm位移，说明受左主洞隧道施工的影响，引起的仰坡变形很小，因此左主洞隧道开挖施工对仰坡的影响小。

左主洞隧道开挖施工及二次衬砌支护后引起的右侧边坡位移增量分布云图，见图10。

由图10可见，左主洞隧道开挖施工引起的右侧边坡位移增量较小，均小于5 mm。因此，左主洞隧道开挖施工对右侧边坡的影响甚微，右侧边坡整体处于稳定状态。

图10 左主洞隧道开挖支护后引起的右侧边坡位移增量分布云图

3.2 右幅隧道锚与左主洞隧道施工间距分析

由于右幅隧道锚施工时机控制着右幅主线隧道施工时机，因此期望在左幅隧道锚施工完成后要尽快施做右幅隧道锚，同时为了减小左右幅隧道锚交叉施工对洞室群围岩稳定性的影响，需对左主洞隧道先行于右幅隧道锚的距离进行模拟计算分析。本文在考虑不利围岩与初期支护条件下，对左主洞隧道先行右幅隧道锚的距离分别为5 m、10 m及15 m三种方案下横断面上围岩位移进行了模拟计算，得到y=5 m、y=10 m、y=15 m及y=20 m横断面上围岩位移分布云图，见图11至图14。

由图11至图14可见：随着右幅隧道锚与左主洞隧道空间距离的增大，3种计算方案下围岩位移分布基本一致，即在右幅隧道锚左侧边墙与左主洞隧道底板方向存在连通位移，其量值由y=5 m横断面上的20～25 mm至y=20 m横断面上的10～15 mm逐渐减小；但这一过程中，在y=15 m断面上围岩位移分布不同之处在于左主洞隧道与左右幅隧道锚之间的15～20 mm分布区域，左主洞隧道先行右幅隧道锚的距离为15 m计算方案比另外两种计算方案该区域的范围要明显小；此外，由y=20 m横断面上围岩位移分布云图可知，3条洞室施工的围岩位移连通已不显著，表明在左主洞隧道与右幅隧道锚施工过程中应重点关注入洞20 m范围内隧道施工的相互影响。

图11 3种计算方案下y=5 m横断面上围岩位移分布云图

图12 3种计算方案下y=10 m横断面上围岩位移分布云图

图13 3种计算方案下y=15 m横断面上围岩位移分布云图

图14 3种计算方案下y=20 m横断面上围岩位移分布云图

3.3 右幅隧道锚开挖施工对边仰坡、左幅隧道锚等的影响

右幅隧道锚开挖施工的影响模拟计算结果，见表3。

由表3可知：右幅隧道锚开挖施工及二次衬砌支护后，开挖断面处围岩位移逐渐减小，在开挖5～40 m范围内，围岩最大位移位于开挖断面5 m处，拱顶最大位移为10～15 mm，边墙最大位移为15～20 mm，整体位移量值均较小；随着右幅隧道锚开挖，左主洞隧道5 m、10 m及15 m开挖断面处围岩位移增量为1～2 mm，整体位移增量较小，中隔墙、左幅隧道锚位移增量均小于1 mm，说明右幅隧道锚开挖施工对中隔墙、左幅隧道锚的影响较小，中隔墙、左幅隧道锚处于稳定状态；受右幅隧道锚开挖的影响，右侧边坡位移增量较小，均小于5 mm，表明右幅隧道锚开挖施工对右侧边坡的影响很小，右侧边坡整体处于稳定状态。

表3 右幅隧道锚开挖施工的影响模拟计算结果

3.4 右幅主洞隧道开挖施工对边仰坡、隧道锚、左主洞等的影响

右幅主洞隧道开挖施工的影响模拟计算结果，见表4。

表4 右幅主洞隧道开挖施工的影响模拟计算结果

由表4可知：右幅主洞隧道开挖施工及二次衬砌支护后，随着右幅主洞隧道开挖，开挖断面处围岩位移逐渐减小，在开挖5～15 m范围内，围岩最大位移位于开挖断面10 m处，拱顶最大位移为5～10 mm，边墙最大位移为10～25 mm，整体位移量值均较小，因此右幅主洞隧道开挖10 m范围内右主洞右侧边墙及拱顶部位变形稍大，但在安全变形许可范围内，建议施工时加强观测；随着右幅主洞隧道开挖，中隔墙位移增量较小，仅在洞口5 m范围内产生2～3 mm位移，因此其施工对中隔墙的影响很小；随着右幅主洞隧道开挖，左幅隧道锚及右幅隧道锚位移增量较小，分别小于1.5 mm、5 mm，说明右幅主洞隧道开挖施工对右幅隧道锚及左幅隧道锚的影响甚微；仰坡最大位移增量位于右主洞拱顶与一级边坡交接处，位移增量约为15 mm，其他部位仰坡位移增量均小于5 mm，说明右幅主洞隧道施工对边仰坡的影响小，仰坡整体处于稳定状态；右侧边坡位移增量较小，均小于5 mm，说明右幅主洞隧道施工对右侧边坡的影响小，右侧边坡整体处于稳定状态。

4 工程验证

数值模拟计算分析结果显示，采用本文提出的高边仰坡下方隧洞群开挖安全控制技术，主洞、中隔墙、隧道锚、边仰坡均处于安全状态。为了安全起见，针对计算结果中出现的围岩塑性区重点发展部位、结构相对薄弱位置采取了注浆加固措施，即在右幅主洞隧道右侧靠近边坡、仰坡区域采用L=600～900 cm的Φ42小导管注浆加固，左幅主洞隧道下部及右幅主洞隧道部分下部采用L=450 cm的Φ42小导管注浆加固，具体加固措施见图15。

图15 加固措施

为了验证上述数值模拟计算结果的合理性，对左幅主洞隧道开挖施工后围岩的变形数据进行了对比分析，其结果见图16。共选取3个断面，分别为ZK102+436、ZK102+426、ZK102+421，其拱顶沉降监测数据分别为27 mm、34 mm、36 mm，平均值为32 mm。数值模拟计算结果显示，左洞洞顶沉降量为24～25 mm，模拟计算结果与实际监测数据较为相近。但存在一定的误差，且左幅主洞隧道初期支护并未出现开裂渗水等不良现象，边坡也未出现较大变形。由此可以判断围岩变形均在安全控制范围内，处于安全状态。