山岭隧道施工设计与开挖稳定性研究

徐 琨

(浙江数智交院科技股份有限公司,浙江 310006)

1 工程概况

杭金衢高速与杭绍台高速的联络线工程,连接了杭金衢高速公路和杭绍台高速公路,道路总计全长22.78 km。该联络线工程沿线的地形条件较为复杂,共设置隧道10座,总长度共计6 906.5 m,包括长隧道1座、中隧道3座、短隧道6座。其中杨家山隧道属于绍兴柯岩互通主线,柯岩互通主线的修建将大大节约由丰里村至河塔村的通行时间。其中柯岩互通主线的加、减速车道需伸入杨家山隧道洞内,隧道建筑限界宽度为18.50 m,按长度分类属于短隧道,隧道最大埋深在60 m左右,杨家山隧道的平面位置情况和设计参数如表1所示。

表1 杨家山隧道设计参数

2 工程地质条件及处理措施

2.1 自然地理情况

杨家山隧道处于低山丘陵区,地形坡度约20°～45°,山体完整程度一般,隧址区轴线地面高程在50～123 m之间,地面最高点高程约为123 m,属越岭隧道。进洞口处于丘陵斜坡,左洞轴线与坡面斜交,洞口存在偏压;隧道洞身段地形变化大,坡度较陡,两侧基岩出露,基岩完整性较好,岩质较硬,锤击声脆,发育大量植被。出洞段左线位于沟谷,右线位于丘陵斜坡,右线轴线与坡面小角度相交,出洞口存在偏压,洞口外缘为坡洪积沟谷。距离左幅洞身外侧32 m处为近似平行隧道方向人工开挖边坡,坡高50～60 m,分3级开挖,级间设2～3 m碎落台,岩体呈较破碎—较完整状态,坡下方为厂房的活动板房。隧址紧邻乡村,道路较发达,交通较便利。

2.2 水文地质条件

根据测区内地下水的不同的赋存形式、埋藏条件和分布情况以及不同的水动力性质可分为二大类[1]：松散岩类孔隙水和基岩裂隙水,各含水岩组的埋藏条件、分布规律、富水性、水质和水动力特征等如下。

(1)松散岩类孔隙水。第四系残坡积(Qe1+d1)孔隙潜水含水层,厚度小,且多处于地下水常水位以上,总体水量贫乏。

(2)基岩裂隙水。本隧道基岩裂隙水主要为风化裂隙水,主要受大气降水补给和部分地段第四系孔隙潜水补给,主要储存在强—中风化基岩中。

隧道区强风化层风化裂隙发育,岩体成碎块状,储水性好,厚度较小,多在地下水水位以上;中风化节理裂隙发育,节理裂隙以闭合为主,一般水量贫乏,局部裂隙较密集,局部水量稍大。根据隧址区水样分析结果,地下水化学类型为重碳酸钙型淡水,依据《公路工程地质勘察规范》[1]附录K可确定为Ⅱ类环境,对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。

采用降水入渗法和狭长水平廊道法对隧道正常涌水量进行预测,经过计算取大者为推荐值,隧道预测涌水量为58 m3/d。

2.3 隧道围岩分级及稳定性评价

项目勘察隧道围岩划分主要根据交通运输部《公路隧道设计规范》等规范[2]中公路隧道围岩分级方案综合评判。采用两步分级法:(1)根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素计算的岩体基本质量指标进行初级分级;(2)在初级分级的基础上对围岩进行详细定级时,考虑影响因素的修正,如地下水影响因素(K1)、修正岩体基本质量指标(BQ)等。位于洞口段的围岩主要依据岩土体的松散程度、岩体风化程度和是否有偏压等进行级别划分。

根据详勘成果,隧址区地质构造不发育,但受区域构造影响,岩体完整性一般,呈现较完整—较破碎状态。杨家山隧道围岩分级一览表如表2所示。

表2 杨家山隧道围岩分级一览表

在山岭隧道的施工设计中,进出洞口位置往往地势比较险要,其地质条件也相对较差,其施工难度要超过隧道洞身段的施工,因此要提前做好勘察工作,并在施工阶段格外关注。本项目隧道进洞口(YK18+154～YK18+215和ZK18+121～ZK18+180)和出洞口段(YK18+412～YK18+460和ZK18+360～ZK18+412)隧道位于丘陵斜坡地貌,地形较陡峭,自然坡度约30°～35°,植被较发育,上部覆盖层为残坡积含碎石粉质黏土厚1～3 m,基岩为晶屑熔结凝灰岩,紫红色,岩体较破碎—较完整,岩质较坚硬—坚硬。该段水文地质条件简单,隧道汇水面积小,地下水易于排泄,渗透性大,地下水总体丰富,降雨时地表水下渗,隧道中可能有淋雨状出水。进出洞段隧道埋深小,穿越残坡积、强—中风化基岩,围岩稳定性差。进洞口基底残坡积,其地基承载力基本容许值为160～180 kPa,基底为强风化晶屑熔结凝灰岩,承载力容许值为350～400 kPa,BQ<250,综合评定围岩级别为Ⅴ级。

杨家山隧道进口边、仰坡大部分由残坡积层及强—中风化岩组成,岩土体性质较差,开挖不当易产生滑塌,应谨慎开挖,放缓坡率,减少对山体的扰动并及时对坡面进行加固。

2.4 不良地质及处理措施

隧道区内不良地质不发育,而潜在的不良地质问题是隧道洞身段开挖形成坍塌以及距离左幅隧道左侧32 m处工业园区人工开挖边坡扰动失稳。边坡岩性为晶屑熔结凝灰岩,紫红色,块状构造,岩体节理裂隙较发育,有小型楔形体发育,易松动滚落。

为保障隧道开挖施工时的安全,针对上述不良地质条件提出了下列处理措施。

(1)针对潜在滑塌危险,洞身段采用超前支护,并及时施作衬砌、加强地质情况的超前预警,隧道进出洞口上覆残坡积层,为强风化基岩,风化强烈,结构松散,边仰坡开挖应放缓坡率,加强支护,并做好坡面防水及坡外截排水措施。洞身段施工严禁大药量爆破,需优化施工组织设计。

(2)针对厂区边坡潜在的扰动危险,建议隧道施工爆破前,应及时加强边坡防护,加强巡视工作,提前疏散厂区边坡下活动板房内的人员。

2.5 施工组织设计

杨家山隧道施工图设计阶段工程地质勘察按有关规范执行,查明了隧址区工程地质条件,满足事先指导书要求,勘察成果质量符合要求。

(1)隧道区属低山丘陵区,地层主要以白垩系寿昌组(K1s)的晶屑熔结凝灰岩为主。根据地质调查、物探及钻探,隧道覆盖层厚度较薄,节理裂隙较发育,围岩工程地质条件一般。左幅Ⅴ级围岩占隧道长度38.1%,Ⅳ级围岩占隧道长度25.8%,Ⅲ级围岩占隧道长度36.1%;右幅Ⅴ级围岩占隧道长度35.6%,Ⅳ级围岩占隧道长度30.1%,Ⅲ级围岩占隧道长度34.3%。

(2)隧道场地不良地质较发育,潜在的不良工程地质问题为洞身崩塌、进出洞口边仰坡滑塌以及隧道爆破对附近厂区边坡扰动的问题。

(3)增强超前地质预报工作。隧道施工过程中,应结合超前钻探、地质观察等信息,采取工程地质与水文地质超前预报,体现动态设计与信息化施工的思想,施工中注意超前打孔预测,针对地质情况与设计文件不相符的情况,必须修改原设计方案并通知设计单位,使支护结构更趋于适应围岩的情况,更安全,必要时可先期采用稳妥可靠的加固措施[3]。

(4)Ⅳ～Ⅴ级段围岩自稳能力差,建议在隧道施工时及时衬砌,加强支护。

(5)该隧道弃渣方量较大,建议对弃渣场地应事先做好设计、排水、导水等,引导暴雨季节形成的山洪顺利通过;加强弃渣场地的拦石坝等措施;积极恢复植被,防治洪水冲刷、侵蚀;施工中避免破坏环境及造成新的地质灾害问题。

3 隧道开挖稳定性分析

3.1 数值模拟模型

为了分析杨家山隧道在施工时的围岩变形与隧道结构受力,根据实际工程情况,选取杨家山隧道最危险断面(右线出洞段,桩号YK18+446)进行数值模拟分析,采用有限元软件midas GTS NX建立了二维数值模型。

其中岩体、管棚注浆加固采用德鲁克-普朗克准则、平面应变单元进行模拟。由于该断面处隧道的埋深较浅,因此模型的上限建立至地表位置处,地层结构均根据地质报告平纵断面图建立。模型左右边界选取至杨家山隧道两侧65 m,共计宽152 m,下边界选取至杨家山隧道下方45 m。根据《公路隧道加固技术规范》(JTG/T 5440—2018),注浆加固后的围岩重度、弹性模量和内摩擦角采用围岩的参数,黏聚力提高30%。初期支护、二次衬砌采用弹性准则,各项参数根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》(JTG 3370.1—2018)进行选取;锚杆作为安全储备,不计入模型模拟范围内。模型底部施加固定约束,两侧施加竖直滑动约束,地表为自由边界,具体数值如表3所示。

表3 模型主要物理力学参数

3.2 计算结果分析

在本数值模拟仿真模型中,为了真实地模拟实际工程情况,将地层和混凝土衬砌的自重应力考虑为计算荷载,并根据实际施工过程设置相应的分析步,如施工步骤中的岩体开挖与衬砌施作。在有限元软件midas GTS NX中,不同的分析步中通过设置生死单元来完成单元的“激活”与“钝化”功能,从而完成了对整个施工过程的模拟,动态模拟步骤为:生成初始地应力场→位移清零→隧道分步开挖及对应衬砌的施作。

如图1所示,在左、右导洞施工过程中,主要变形为拱底隆起,施工过程中最大隆起为2.4 mm;在中导洞施工时,主要变形为拱顶沉降、拱底隆起,最大沉降3.0 mm,最大隆起为4.8 mm;二次衬砌施工完成后,主要变形为拱顶沉降、拱底隆起,最大沉降4.1 mm,最大隆起为4.6 mm。由于隧道处于偏压状态,在整个施工过程中,隧道右侧变形略大于左侧变形。在杨家山隧道整个施工过程中,围岩最大变形为4.8 mm,远小于预留变形量,满足规范要求。

图1 各施工阶段围岩位移云图(单位:mm)

图2和图3分别为杨家山隧道初期支护与二次衬砌的弯曲应力云图,受围岩偏压影响,初期支护右侧应力大于左侧应力,以受压为主;最大压应力在右侧拱脚处,约为7.6 MPa,最大拉应力左侧拱底,为0.24 MPa。二次衬砌右侧应力大于左侧应力,最大压应力约为2.7 MPa,最大拉应力为0.68 MPa。

图2 隧道初期支护弯曲应力云图

图3 隧道二次衬砌弯曲应力云图

根据规范要求,C30混凝土极限抗压强度为22.5 MPa,极限抗拉强度为2.2 MPa,因此初期支护与二次衬砌结构不会因超过材料强度而破坏,满足规范要求。综上所述,根据杨家山隧道施工过程中对围岩变形、结构应力等方面的有限元分析,得出如下结论:杨家山隧道施工对围岩变形、隧道衬砌结构影响较小,且满足相关规范要求。

4 结 语

随着我国高速公路项目的建设,山岭隧道的比例逐渐增加,随之而来的不良地质处理问题和开挖稳定性问题等受到了施工技术人员的关注。以绍兴柯岩互通主线项目中的杨家山隧道为例,详细介绍了杨家山隧道的工程地质情况,包括自然地理情况、水文地质条件以及隧道线路的围岩分级及稳定性问题,针对隧道沿线的不良地质问题,提出了相应的处理整治措施,完善了项目的施工组织设计。最后针对隧道开挖过程的稳定性问题,利用有限元软件midas GTS NX建立了二维数值模拟模型,分析了隧道在开挖过程中不同分析步下的稳定性,有助于提高山岭隧道工程的管控质量,保障工程施工的安全进行。