降雨条件下明挖隧道回填土的堆载稳定性分析

2023-01-19陶祥令黄梓宸

现代交通技术 2022年6期

陶祥令，黄梓宸，陈超

(1. 江苏建筑职业技术学院，徐州 221116； 2. 中国矿业大学，徐州 221116；3. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221116)

隧道建设会面临多工况叠加、边坡偏压、岩土层超薄覆盖等各种工程情况，这给隧道施工带来较多不便。隧道施工方法包含矿山法、掘进机法、盾构法、明挖法、暗挖法等，其中明挖法是较常用的开挖方式之一[1]。明挖隧道回填土的堆载稳定性是评价隧道整体稳定性的一项关键指标，临坡施工的明挖隧道的回填土稳定性受多种因素影响，其中降雨和地下水是常见的自然因素，因此本项目开展降雨对明挖隧道回填土堆载稳定性的影响分析、讨论施工关键技术措施，且相关研究内容已受到众多学者的关注[2]。冯俭华等[3]以重庆地铁上湾路站至环山公园站区间隧道为例，采用数值模拟方法对暴雨降水前后该区段隧道围岩及支护结构的力学行为变化情况进行分析。俞文生等[4]采用数值计算的方式对黄土隧道开挖过程进行分析，结果表明降雨后隧道上方地表土体的塑性区扩大并产生滑移，雨后隧道支护结构受偏压影响更加明显，偏压一侧结构破坏更为显著。朱苦竹等[5]依托广州龙头山隧道工程，通过FLAC3D软件对隧道洞口段在降雨条件下开挖产生的围岩松动区进行分析，结果表明考虑降雨渗流场后，隧道围岩松动区不对称分布和雨水渗流作用加剧了隧道偏压变形。乔俊[6]采用FLAC3D模拟降雨入渗对隧道的影响，结果表明降雨渗入围岩将导致土体强度参数与非饱和区基质大幅减少，降低隧道稳定性，且在隧道顶部地表形成积水后，隧道稳定性进一步降低。

已有研究表明，降雨条件下临坡明挖隧道回填土的施工，需要特别注意边坡稳定性、施工安全性等问题，采取合理的设计依据和加固措施，可有效解决相关难题。以徐州某临坡明挖隧道为研究对象，建设工程左段K0+358～K0+390属边坡偏压地段，结构断面为回填棚洞结构，施工期间处于夏季降雨期，通过计算明挖隧道与边坡空间的尺度关系、降雨环境下覆土堆载稳定性等得出相应结论，研究成果具有实际应用价值。

1 工程概况及回填土分析

1.1 工程概况

徐州某临坡明挖隧道按单向双车道+单个非机动车道+单个人行道的城市主干道标准设计，设计行车速度为 40 km/h，单车道宽为3.5 m，限界净高为4.5 m；隧道纵向按单面坡设计，不设置泵房。该施工段东西端起伏较大，地面标高为39～67 m，地形较复杂，人工填土较厚，横向坡度为10°～40°。该工程位于道路K0+358～K0+475段，其中K0+358～K0+390段为明挖半折板拱形结构，K0+390～K0+475段为明挖单箱双室结构。边坡支护采取锚杆挂网防护，锚杆为4 m或8 m的砂浆锚杆，长短锚杆间隔150 cm进行布设，直径为25 mm。表面采用直径为6 mm、间距为200 mm×200 mm的钢筋网，并喷射150 mm厚的C20混凝土。明挖隧道断面示意如图1所示。

图1 明挖隧道断面示意(单位：mm)

边坡开挖支护完成后，对隧道结构体进行施工，明挖隧道主体结构采用明挖顺作法施工，结构浇筑完成后顺作底、侧墙及其他结构。工程勘察报告揭示，场地勘探深度范围内土层分为7层，各岩层岩土性状描述如表1所示。

表1 各岩层岩土性状描述

1.2 回填土分析

受限于隧道用地属性的特殊性，原地形较复杂，人工填土较厚，其中K0+358～K0+390段断面为回填棚洞结构，明挖隧道主体结构施工完毕后进行回填。因施工期处于夏季雨期，开挖土体含水率较高，且周边均为土质边坡，开挖土体回填前不能进行有效风干晾晒，导致土体难以分层碾压密实。

工程勘察报告揭示隧道表层存在人工杂填土，降雨因素下地形的平整度和压实度均难以按照设计要求施工到位，须充分考虑降雨量对回填土堆载稳定性的影响，同时可在地面线以上保留一定的土层作为后期沉降预留，抵消坡面出现的固结沉降。

1.3 数值建模

数值建模时将土体材料简化为连续均质的理想弹性体，实际地层共分7层，为降低复杂模拟损失，将模型地层简化为5层，土体自上而下分别为人工填土、黏土、细砂、泥灰岩和石灰岩。明挖隧道主体使用钢筋混凝土材料，边坡支护结构为锚杆，隧道回填时采用土石和片石混凝土，数值模型中土层计算参数如表2所示。

表2 数值模型中土层计算参数

数值计算建模范围为水平方向临边坡侧模型边界的3～6倍明挖隧道断面宽度，根据实际图纸按1∶1尺寸建立二维平面图，纵向尺寸约为70 m、横向尺寸约为150 m，数值计算建模示意如图2所示。模型的边界条件为限制左右两侧和底部土体的法向位移，上表面取至地表，设置为自由表面，划分网格时主要以四边形为主。

图2 数值计算建模示意

2 隧道与坡脚空间优化距离分析

2.1 计算工况模型

为优化原设计方案中明挖隧道与边坡空间的尺度关系，模拟隧道与坡脚在不同空间间距下、不同厚度回填土堆载情况下的位移变化。

隧道与坡脚存在不同空间间距变化时，原边坡与明挖隧道结构体之间为填土堆载，考虑选取开挖隧道左轮廓线与坡脚距离为0 m(初始)、5 m、10 m和15 m 进行模拟。左轮廓线与坡脚距离变化时的水平位移模拟结果如图3所示。根据施工经验，回填土一般不超过5 m，选取不同厚度回填土堆载变化时隧道上增加覆盖人工填土厚度为0 m(初始)、1 m、2 m和3 m进行模拟，覆土厚度变化时的竖向位移模拟结果如图4所示。

(a) 距离坡脚0 m

(b) 距离坡脚5 m

(d) 距离坡脚15 m图3 左轮廓线与坡脚距离变化时的水平位移模拟结果(单位：mm)

(a) 覆盖土体增加1 m

(b) 覆盖土体增加2 m

2.2 不同空间间距的结果分析

明挖隧道与边坡空间尺度关系中，隧道与边坡坡脚直线距离的变化会影响边坡的稳定性。隧道在距坡脚不同位置处进行开挖，使得边坡水平和竖向位移变化呈线性规律，根据计算结果，得到不同空间距离下隧道边坡典型点位的位移量，距离坡脚不同距离时边坡节点位移变化曲线如图5所示。

(a) 水平位移

(b) 竖向位移图5 距离坡脚不同距离时边坡节点位移变化曲线

边坡节点编号为1～25，从小到大依次表示明挖隧道开挖从坡脚到坡顶的编号。距离坡脚15 m时隧道的最大水平位移发生在边坡中部，最大值为14.6 mm(边坡节点编号为18)。整体而言，距离坡脚0 m、5 m、10 m和15 m开挖隧道对边坡水平位移的影响趋势一致，距离开挖坡脚越远，边坡水平和竖向位移变形越大，边坡的安全储备系数越低。不同间距变化时，距离坡脚越远，坡顶水平位移量越大，但坡脚处的水平位移量变化幅值为非均匀值。由图5(b)可知，边坡土体的竖向位移从坡脚到坡顶的浮动在22.7～25.9 mm。距离坡脚5 m、10 m 和15 m开挖隧道的边坡竖向位移曲线整体变化趋势一致，竖直方向位移曲线开口向上、呈凹形，最小竖向位移皆发生在边坡中部，坡顶与坡脚的竖向位移量比较大。在坡脚处随着距离的增大，竖向位移量相应增大；在坡顶处随着距离的增大，竖向位移呈先增大后减小的趋势。距离坡脚15 m时边坡中部竖向位移增加幅度显著降低。

由图5可知，在边坡中部水平位移量比较大，而竖向位移量比较小。整体上，距离坡脚较远处开挖施工，边坡的水平位移量较大；在坡脚和坡顶处的边坡竖向位移量与坡中部相比也均较大。

2.3 不同厚度回填土的结果分析

隧道覆盖回填土厚度不同会导致隧道边坡位移量的改变，根据设计覆土极限厚度(5 m)，选取覆盖土层厚度增加1 m、2 m和3 m的工况进行模拟，根据已有模拟结果分析，得到增加不同覆盖土层厚度时隧道边坡土体的位移量，增加不同覆盖土层厚度时隧道边坡位移变化曲线如图6所示。

(a) 水平位移

(b) 竖向位移图6 增加不同覆盖土层厚度时隧道边坡位移变化曲线

由图6可知，随着覆盖土层厚度的增加，隧道边坡土体的水平位移和竖向位移都相应变大，覆盖土层厚度越大，边坡土体位移量变化越大，水平位移最大值为9.64 mm，竖向位移最大值为27.5 mm。增加土层厚度，边坡土体的水平位移和竖向位移变化的趋势大致一样，最大位移发生在节点15～20范围。

3 降雨条件下覆土堆载稳定性分析

3.1 计算模型

在降雨入渗的条件下，含水量增加，堆载的回填土摩擦角减小、黏聚力降低，且黏聚力下降幅度明显。通过改变黏聚力和内摩擦角值来模拟小降雨(降雨强度为3 mm/d)和大降雨(降雨强度为15 mm/d)对隧道覆盖土层的影响，计算时参考文献[7-8]中的模拟计算取值。岩土层材料参数如表3所示。

表3 岩土层材料参数

3.2 计算结果分析

不同降雨程度下隧道覆盖土层位移变化曲线如图7所示，与初始隧道覆盖土层的边坡位移类似，在大降雨和小降雨情况下，隧道覆盖土层的水平位移随着覆盖土层节点编号的增大呈现出先增大后减小的趋势，而竖向位移则随着覆盖土层节点编号的增大呈减小的趋势。

(a) 水平位移

(b) 竖向位移图7 不同降雨程度下隧道覆盖土层位移变化曲线

覆盖土层节点编号为1～16，水平位移曲线呈凸形，随着降雨量的增大，土层的水平位移量相应增大，水平位移最大值为21.2 mm，降雨后覆盖土层的水平位移整体上大于初始覆盖土层的水平位移。竖向位移比较中，曲线变化相差较小，竖向位移最大值为46.1 mm(位于坡脚处)，竖向位移最小值为30.2 mm(位于坡顶处)，降雨后土体的竖向位移普遍大于相应节点处的初始土体的竖向位移。

降雨时长的增加也会扩大雨水润湿的土体范围，在临边坡明挖隧道开挖时尤其要重视雨季施工回填土堆载的稳定性监测，做好相应防护措施。