高边坡下穿隧道施工应力分布及抗滑桩优化研究*

张巧明,付 雄,刘冬东,杨果林,徐明煌

(1.中建五局土木工程有限公司,湖南 长沙 410004; 2.中南大学土木工程学院,湖南 长沙 410075)

1 工程地质概况

本文依托长沙市某隧道工程K2+330—K2+440段,此段形成了深挖路堑高边坡,该高边坡植被覆盖层较薄,其下为粉质黏土层、强风化泥质板岩及中风化泥质板岩,岩体节理、裂隙极发育～发育,岩体极破碎～破碎,隧道进洞口走向约180°,基岩产状292°～330°∠55～72°,倾向隧道洞口,须加强边坡防护及洞内支护。根据现场产状调查结果,岩层产状150°～169°∠50°～61°,节理主要为30°～85°∠68～50°,150°∠50°,185°～190°∠26°～28°,238°～365°∠74°～90°,密闭性较差,节理间距5～20mm。拟研究开挖隧道为本工程偏压大跨隧道群中的东人非隧道,其采用三台阶开挖法,外径7.7m,内径6.7m,详细截面尺寸如图1所示。

图1 东人非隧道设计尺寸

隧道开挖中初支钢拱架采取V形复合式衬砌钢架,钢架布置如图2所示。

图2 东人非隧道初支衬砌钢拱架布置

2 数值分析模型建立

2.1 模型范围及边界条件设置

模型范围的确定是根据均匀初始应力场内深埋圆截面隧道弹性解(Kirsch解)而进行确定,理由如下:在无支护情况下,距离隧道中心在3B(B为圆形隧道直径,或非圆形隧道较大尺寸)处绝对应力与初始应力间相差约为初始应力的2.8%;在距离隧道中心5B处绝对应力与初始应力间相差约为初始应力的1%。因此,计算模型取东西向(x轴)长71.74m,南北向(z轴)宽34m,自地表向下(y轴)厚25m,自地表向上取实际尺寸高38.99m,故模型总高63.99m。模型如图3所示,单元形状采用四面体。模型底部施加3个方向的约束,上边界为自由面,在x轴方向上,左、右边界施加x方向约束;在z轴方向上,前、后边界施加z方向约束。

图3 有限元模型

2.2 材料物理力学参数

模型的物理力学参数由工程地质勘察报告等进行确定,包括边坡各岩土体厚度及相关物理力学参数;隧道支护结构、桩等的物理力学参数根据设计资料进行确定,模型中材料参数如表1所示。

表1 模型材料参数取值

2.3 模拟工况设置

考虑到下穿隧道施工过程及抗滑桩加固前后对多级风化岩高边坡稳定性的影响,本研究设定以下6种工况分别对不同工况下的高边坡稳定性进行数值模拟分析,其中在工况3,4中,其抗滑桩设计长10m,桩径2m,桩中心间距4m。计算工况具体为:①工况1 多级高边坡,未加固高边坡,隧道未开挖;②工况2 多级高边坡,未加固高边坡,隧道开挖;③工况3 多级高边坡,抗滑桩加固高边坡,隧道未开挖;④工况4 多级高边坡,抗滑桩加固高边坡,隧道开挖;⑤工况5 多级高边坡,不同桩长及桩中心间距的抗滑桩加固高边坡,隧道开挖;⑥工况6 多级高边坡,抗滑桩加固高边坡,不同隧道施工方法开挖。

通过工况1,2探究未进行抗滑桩加固的高边坡在隧道开挖与未开挖下的应力规律、位移规律。通过工况3,4探究经抗滑桩加固后的高边坡在隧道开挖与未开挖时的位移规律及稳定状态。通过工况5探究在不同参数的抗滑桩下的应力、位移规律及稳定状态,对抗滑桩进行参数优化。通过工况6探究在不同隧道施工方法下的边坡应力、位移规律及稳定状态,对隧道施工方法进行评价。

3 数值模拟结果分析

3.1 工况1,2下穿隧道高边坡应力规律

边坡在工况1,2下,边坡仅受自重作用时的垂直和水平应力分布(拉正压负)如图4,5所示。

图4 工况1,2边坡垂直应力分布

竖直方向上,坡体表现为受压状态,压应力大小随深度增加而增加,方向与重力方向相同。隧道开挖后未支护的边坡在自重作用下的竖向应力分布如图4b所示,对比图4a可知,隧道开挖后,边坡整体竖向应力分布未发生太大变化,但在隧道内部开挖区域顶部及右拱脚位置出现应力松弛现象,故开挖后该部分有出现坍塌现象的可能。

水平方向上,边坡深部岩体水平应力均处于压应力较大状态,从边坡内部到边坡表面应力大多逐渐减小。图5b为隧道开挖后未支护的边坡在自重作用下的水平应力分布图,对比图5a可知,边坡上部区域出现较大范围的水平拉应力区域,最大拉应力达123.7kPa,易引起坡体表层土体滑移,故在施工中应及时采取坡面支护等措施,减小其发生滑移的可能。

图5 工况1,2边坡水平应力分布

除此之外,由于隧道开挖,隧道拱顶和仰拱处围岩出现应力松弛现象,隧道左侧拱墙与右侧拱脚处出现明显的应力集中现象,且隧道右侧拱脚处应力集中更严重,故当围岩变形基本稳定后应及时施加初衬支护,减少事故发生的可能。

3.2 工况1,2下风化岩质高边坡应力及位移规律

工况2边坡水平位移分布如图6a所示,工况2边坡竖向位移分布如图6b所示,工况2边坡局部位移与矢量图如图7所示。

图6 工况2边坡水平与竖向位移分布

图7 工况2边坡局部位移与矢量图

如图6a所示,正向水平位移集中在隧道仰拱上方,负向水平位移出现在仰拱周围。结合图7所示位移矢量图可知,边坡在隧道开挖后,边坡岩体会向临空面移动,可能产生滑坡。由图6b可知,受偏压作用影响,隧道竖向位移主要产生于隧道拱顶左侧及仰拱左侧间的区域,最大下沉量位于左侧拱肩处,达到13.95cm,超过隧道的一般预留变形量100mm,易发生重大坍塌事故,故在围岩开挖后应及时施加初衬支护。

3.3 工况1,2下风化岩质高边坡稳定性变化规律

运用ABAQUS强度折减法计算出边坡在工况1,2的安全系数分别为1.365,1.202。依据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》可知,此五级高边坡的安全系数应≥1.35,可知边坡在工况1时处于稳定状态,但在工况2时仅处于基本稳定状态,为保证工程安全,不满足对五级高边坡稳定要求,故采取抗滑桩加固措施。

3.4 工况3,4下高边坡稳定性变化规律

对高边坡坡角处设置抗滑桩后,经计算,边坡在工况3,4时的安全系数分别为1.467,1.421,2个工况下边坡的安全系数均大于规范规定值1.35,说明设置抗滑桩后,边坡稳定性有了较大提高。

在数值模拟分析过程中,为更好反映出隧道施工对抗滑桩加固高陡边坡洞口段稳定性(即工况4)的影响程度,选取距隧道洞口段5m处(即z=29m)断面,将隧道断面的部分关键点进行数据对比分析。如图8所示,选取1～7号为边坡位移观测的指标点,其中1～5号点位于图示平台的中央,6号测点是隧道拱顶在坡面上的投影点,7号为坡脚测点。提取各监测点隧道开挖后竖向及水平位移值,绘制成图9。

图8 边坡位移监测点

图9 边坡各监测点竖向与水平位移曲线

如图9所示,越靠近隧道正上方岩体,水平位移及竖向沉降越大,同时由图9a可看出,坡脚位置7号监测点处发生6.39mm隆起,这是由于左侧高边坡产生的侧向应力使坡脚处地表产生侧向挤压,由于坡脚处受抗滑桩支挡,侧向应力无法向远方区域释放,该处土体产生变形向上隆起。

提取z=29m断面处隧道拱顶上方监测点5号的水平及竖向位移值,绘制成图10。

图10 5号监测点竖向与水平位移变化曲线

随着隧道远离监测点所在断面,水平位移及竖向位移的增长速率都越来越慢。不同的是,当隧道掌子面过监测断面8m约1倍洞径时,竖向位移已达最终竖向位移的61.1%,而当隧道掌子面过监测断面15m约2倍洞径时,水平位移才达到此比例,说明在洞口段同一时间竖向位移的发展要快于水平位移。

除此之外,将现场5号监测点在隧道施工期间竖向位移的数据与模拟所得的5号测点竖向位移数据进行对比,如图11所示。

图11 现场值与实测值比较

可看出在竖向位移上,模拟值要略偏大于实测值,这可能是因为边坡在隧道施工前发生过滑塌,对边坡采取了有效加固措施,减小了隧道开挖对边坡的位移影响,在模拟中未考虑滑塌段加固对边坡位移的影响,所以模拟值要大于实测值。但易从图11中看出两者趋势一致,在隧道进尺10.5m时,模拟和实测数据的累积位移值分别达到各自稳定位移值的73.5%,66.7%,证明模型的合理性。

3.5 工况5下抗滑桩参数变化对高边坡稳定性的影响规律

在3.4节中,分析得到边坡在工况4时的安全系数为1.421,大于规范规定值1.35较多,说明此类情况下的抗滑桩设计还存在优化空间,可更加合理地进行改善。

首先通过改变抗滑桩桩中心间距,其他条件不变,分析桩中心间距变化对高边坡安全系数(即工况5)的影响,得出最优桩距,其中桩距参数值为5,6,7m。

然后,分别通过数值建模求出不同桩中心间距下边坡的安全系数,并绘制成图12,边坡的安全系数随着桩中心间距的增加呈现减小趋势,当桩中心间距从6m变化到7m时,边坡安全系数变化到1.345,小于规范规定值,故抗滑桩最优桩中心间距为6m,此时边坡安全系数为1.381,能减少桩数量,经济上更合理。

图12 桩中心间距-安全系数曲线

在最优桩中心间距6m条件下,改变抗滑桩桩长,设置7,8,9m这3种工况,其他条件不变,分析桩长变化对高边坡安全系数(即工况5)的影响。

通过数值模拟,计算出不同桩长下边坡的安全系数,如图13所示,随着桩长的减小,边坡的安全系数呈现减小趋势,当桩长从8m变化到7m时,边坡安全系数变化到1.343,小于规范规定值,故抗滑桩最优桩长为8m,此时边坡安全系数为1.364。

图13 桩长-安全系数曲线

综上所述,本工程中抗滑桩最优桩中心间距为6m、最优桩长为8m,在工程中能减少桩数量和长度,具有一定的经济效益。

3.6 工况6下隧道开挖方法变化对高边坡稳定性的影响规律

隧道洞口段稳定性包括洞口段边坡稳定性及隧道稳定性,在此对洞口段边坡的稳定性进行探究,由于其受隧道开挖影响较大,采取适宜的隧道开挖方法可大大降低隧道施工对边坡的稳定性影响,因此有必要对不同隧道开挖方法对洞口段稳定性的影响进行研究。

本节将应用数值模拟软件研究全断面法、上下台阶法、环形开挖预留核心土法这3种隧道施工方法下边坡及隧道洞身的稳定性变化规律。

隧道采用各施工方法后高边坡的水平位移云图如图14所示。

图14 不同施工方法下高边坡水平位移云图

由图14可知,隧道采用不同施工方法后,各边坡水平位移总体上基本一致,仅当采用环形开挖预留核心土法施工时,边坡底部负向水平位移区范围及最大负向水平位移有所减小。

隧道采用不同施工方法后高边坡的竖向位移云图如图15所示。

图15 不同施工方法下高边坡竖向位移云图

由图15可知,当隧道施工方法从全断面法变化到上下台阶法再变化到环形开挖预留核心土法,衬砌结构底部的隆起区域数值有所减小,在1mm左右。

边坡平台位移测线布置如图16所示,分别提取隧道按3种施工方法施工后该测线上测点的水平位移及竖向位移,绘制成图17。

图16 边坡平台位移测线布置示意

图17 不同施工方法下边坡典型测线位移

由图17a可知,上下台阶法及环形开挖预留核心土法下,边坡坡面水平位移变化不大,但都比全断面法要大,这主要是因为在工序较多的上下台阶法及环形开挖预留核心土法下,边坡岩土体经多次施工扰动。由图17b可知,竖向位移在不同施工方法下相差不多,大多仅0.5mm,小于水平位移的变化。

综上所述,由于隧道断面较小,3种隧道开挖方法下边坡水平及竖向位移变化均不是很大,所以从对边坡的位移变化影响来看,这3种开挖方案的影响程度相当。

由于本隧道位于偏压破碎围岩条件下,其在施工时的围岩很易发生坍塌,若架设钢拱架不够及时,则易产生人员伤亡等重大安全事故,而环形开挖预留核心土法在施工时相对于其他2种施工方法会更为从容,拥有充足的时间搭设钢拱架,使得隧道能安全开挖,更能保持上方高边坡的稳定性。故综合安全性、对边坡影响程度、经济性和效率多因素来看,此类破碎围岩高边坡下隧道采取环形开挖预留核心土法为最优方案。

4 结语

1)五级高边坡在天然状态下主要受到重力影响。坡体表现为受压状态,在垂直方向上压应力随深度增加而增加,在水平方向上边坡深部岩体水平应力均处于压应力状态,从边坡内部到边坡表面应力大多逐渐减小,呈现出明显的偏压特征。当隧道开挖后,边坡上部区域出现较大范围的拉应力区域,最大拉应力达到123.7kPa,隧道存在“冒顶”破坏可能性,需加强观测,必要时采取防护措施。

2)由于隧道开挖卸荷,在隧道内部开挖区域顶部及右拱脚位置出现局部应力集中,说明这2个部位存在较大破坏可能性,故施工中应重点关注这2个部位的安全性,混凝土是否存在表面裂缝、剥落,拱架是否存在过量变形等。

3)隧道开挖卸荷产生的不平衡应力通过围岩变形释放,边坡岩体向临空面移动。坡体竖向位移主要产生在隧道拱顶左侧及仰拱左侧之间,故在隧道施工中应及时施作初衬支护。

4)经数值模拟计算,边坡在未加固、下穿隧道施工下的安全系数为1.202,小于规范规定的安全系数1.35,故需采取加固措施;确定边坡加固措施为抗滑桩后,安全系数上升为1.421,大于规范规定值1.35,故对本工程中有一定安全储备的抗滑桩进行了优化设计,得到桩最优桩中心间距为6m、最优桩长为8m,可为类似工点的抗滑桩设计提供参考。

5)经数值模拟计算发现,3种施工方法下除个别部位,其产生位移基本保持一致,但同时考虑到3种开挖方式时的施工安全性、施工效率和经济性,环形开挖预留核心土法的安全性都优于其他2种,为此工程条件下的最优方案。