山嶺隧道施工設(shè)計(jì)與開挖穩(wěn)定性研究

徐 琨

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,浙江 310006)

1 工程概況

杭金衢高速與杭紹臺(tái)高速的聯(lián)絡(luò)線工程,連接了杭金衢高速公路和杭紹臺(tái)高速公路,道路總計(jì)全長(zhǎng)22.78 km。該聯(lián)絡(luò)線工程沿線的地形條件較為復(fù)雜,共設(shè)置隧道10座,總長(zhǎng)度共計(jì)6 906.5 m,包括長(zhǎng)隧道1座、中隧道3座、短隧道6座。其中楊家山隧道屬于紹興柯巖互通主線,柯巖互通主線的修建將大大節(jié)約由豐里村至河塔村的通行時(shí)間。其中柯巖互通主線的加、減速車道需伸入楊家山隧道洞內(nèi),隧道建筑限界寬度為18.50 m,按長(zhǎng)度分類屬于短隧道,隧道最大埋深在60 m左右,楊家山隧道的平面位置情況和設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 楊家山隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

2 工程地質(zhì)條件及處理措施

2.1 自然地理情況

楊家山隧道處于低山丘陵區(qū),地形坡度約20°～45°,山體完整程度一般,隧址區(qū)軸線地面高程在50～123 m之間,地面最高點(diǎn)高程約為123 m,屬越嶺隧道。進(jìn)洞口處于丘陵斜坡,左洞軸線與坡面斜交,洞口存在偏壓;隧道洞身段地形變化大,坡度較陡,兩側(cè)基巖出露,基巖完整性較好,巖質(zhì)較硬,錘擊聲脆,發(fā)育大量植被。出洞段左線位于溝谷,右線位于丘陵斜坡,右線軸線與坡面小角度相交,出洞口存在偏壓,洞口外緣為坡洪積溝谷。距離左幅洞身外側(cè)32 m處為近似平行隧道方向人工開挖邊坡,坡高50～60 m,分3級(jí)開挖,級(jí)間設(shè)2～3 m碎落臺(tái),巖體呈較破碎—較完整狀態(tài),坡下方為廠房的活動(dòng)板房。隧址緊鄰鄉(xiāng)村,道路較發(fā)達(dá),交通較便利。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)地下水的不同的賦存形式、埋藏條件和分布情況以及不同的水動(dòng)力性質(zhì)可分為二大類[1]：松散巖類孔隙水和基巖裂隙水,各含水巖組的埋藏條件、分布規(guī)律、富水性、水質(zhì)和水動(dòng)力特征等如下。

(1)松散巖類孔隙水。第四系殘坡積(Qe1+d1)孔隙潛水含水層,厚度小,且多處于地下水常水位以上,總體水量貧乏。

(2)基巖裂隙水。本隧道基巖裂隙水主要為風(fēng)化裂隙水,主要受大氣降水補(bǔ)給和部分地段第四系孔隙潛水補(bǔ)給,主要儲(chǔ)存在強(qiáng)—中風(fēng)化基巖中。

隧道區(qū)強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖體成碎塊狀,儲(chǔ)水性好,厚度較小,多在地下水水位以上;中風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理裂隙以閉合為主,一般水量貧乏,局部裂隙較密集,局部水量稍大。根據(jù)隧址區(qū)水樣分析結(jié)果,地下水化學(xué)類型為重碳酸鈣型淡水,依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[1]附錄K可確定為Ⅱ類環(huán)境,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。

采用降水入滲法和狹長(zhǎng)水平廊道法對(duì)隧道正常涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè),經(jīng)過計(jì)算取大者為推薦值,隧道預(yù)測(cè)涌水量為58 m3/d。

2.3 隧道圍巖分級(jí)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

項(xiàng)目勘察隧道圍巖劃分主要根據(jù)交通運(yùn)輸部《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范[2]中公路隧道圍巖分級(jí)方案綜合評(píng)判。采用兩步分級(jí)法:(1)根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)基本因素計(jì)算的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行初級(jí)分級(jí);(2)在初級(jí)分級(jí)的基礎(chǔ)上對(duì)圍巖進(jìn)行詳細(xì)定級(jí)時(shí),考慮影響因素的修正,如地下水影響因素(K1)、修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)等。位于洞口段的圍巖主要依據(jù)巖土體的松散程度、巖體風(fēng)化程度和是否有偏壓等進(jìn)行級(jí)別劃分。

根據(jù)詳勘成果,隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育,但受區(qū)域構(gòu)造影響,巖體完整性一般,呈現(xiàn)較完整—較破碎狀態(tài)。楊家山隧道圍巖分級(jí)一覽表如表2所示。

表2 楊家山隧道圍巖分級(jí)一覽表

在山嶺隧道的施工設(shè)計(jì)中,進(jìn)出洞口位置往往地勢(shì)比較險(xiǎn)要,其地質(zhì)條件也相對(duì)較差,其施工難度要超過隧道洞身段的施工,因此要提前做好勘察工作,并在施工階段格外關(guān)注。本項(xiàng)目隧道進(jìn)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,地形較陡峭,自然坡度約30°～35°,植被較發(fā)育,上部覆蓋層為殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土厚1～3 m,基巖為晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r,紫紅色,巖體較破碎—較完整,巖質(zhì)較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬。該段水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,隧道匯水面積小,地下水易于排泄,滲透性大,地下水總體豐富,降雨時(shí)地表水下滲,隧道中可能有淋雨?duì)畛鏊＿M(jìn)出洞段隧道埋深小,穿越殘坡積、強(qiáng)—中風(fēng)化基巖,圍巖穩(wěn)定性差。進(jìn)洞口基底殘坡積,其地基承載力基本容許值為160～180 kPa,基底為強(qiáng)風(fēng)化晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r,承載力容許值為350～400 kPa,BQ<250,綜合評(píng)定圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

楊家山隧道進(jìn)口邊、仰坡大部分由殘坡積層及強(qiáng)—中風(fēng)化巖組成,巖土體性質(zhì)較差,開挖不當(dāng)易產(chǎn)生滑塌,應(yīng)謹(jǐn)慎開挖,放緩坡率,減少對(duì)山體的擾動(dòng)并及時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行加固。

2.4 不良地質(zhì)及處理措施

隧道區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)不發(fā)育,而潛在的不良地質(zhì)問題是隧道洞身段開挖形成坍塌以及距離左幅隧道左側(cè)32 m處工業(yè)園區(qū)人工開挖邊坡擾動(dòng)失穩(wěn)。邊坡巖性為晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r,紫紅色,塊狀構(gòu)造,巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,有小型楔形體發(fā)育,易松動(dòng)滾落。

為保障隧道開挖施工時(shí)的安全,針對(duì)上述不良地質(zhì)條件提出了下列處理措施。

(1)針對(duì)潛在滑塌危險(xiǎn),洞身段采用超前支護(hù),并及時(shí)施作襯砌、加強(qiáng)地質(zhì)情況的超前預(yù)警,隧道進(jìn)出洞口上覆殘坡積層,為強(qiáng)風(fēng)化基巖,風(fēng)化強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)松散,邊仰坡開挖應(yīng)放緩坡率,加強(qiáng)支護(hù),并做好坡面防水及坡外截排水措施。洞身段施工嚴(yán)禁大藥量爆破,需優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)。

(2)針對(duì)廠區(qū)邊坡潛在的擾動(dòng)危險(xiǎn),建議隧道施工爆破前,應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)邊坡防護(hù),加強(qiáng)巡視工作,提前疏散廠區(qū)邊坡下活動(dòng)板房?jī)?nèi)的人員。

2.5 施工組織設(shè)計(jì)

楊家山隧道施工圖設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察按有關(guān)規(guī)范執(zhí)行,查明了隧址區(qū)工程地質(zhì)條件,滿足事先指導(dǎo)書要求,勘察成果質(zhì)量符合要求。

(1)隧道區(qū)屬低山丘陵區(qū),地層主要以白堊系壽昌組(K1s)的晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、物探及鉆探,隧道覆蓋層厚度較薄,節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖工程地質(zhì)條件一般。左幅Ⅴ級(jí)圍巖占隧道長(zhǎng)度38.1%,Ⅳ級(jí)圍巖占隧道長(zhǎng)度25.8%,Ⅲ級(jí)圍巖占隧道長(zhǎng)度36.1%;右幅Ⅴ級(jí)圍巖占隧道長(zhǎng)度35.6%,Ⅳ級(jí)圍巖占隧道長(zhǎng)度30.1%,Ⅲ級(jí)圍巖占隧道長(zhǎng)度34.3%。

(2)隧道場(chǎng)地不良地質(zhì)較發(fā)育,潛在的不良工程地質(zhì)問題為洞身崩塌、進(jìn)出洞口邊仰坡滑塌以及隧道爆破對(duì)附近廠區(qū)邊坡擾動(dòng)的問題。

(3)增強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。隧道施工過程中,應(yīng)結(jié)合超前鉆探、地質(zhì)觀察等信息,采取工程地質(zhì)與水文地質(zhì)超前預(yù)報(bào),體現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工的思想,施工中注意超前打孔預(yù)測(cè),針對(duì)地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)文件不相符的情況,必須修改原設(shè)計(jì)方案并通知設(shè)計(jì)單位,使支護(hù)結(jié)構(gòu)更趨于適應(yīng)圍巖的情況,更安全,必要時(shí)可先期采用穩(wěn)妥可靠的加固措施[3]。

(4)Ⅳ～Ⅴ級(jí)段圍巖自穩(wěn)能力差,建議在隧道施工時(shí)及時(shí)襯砌,加強(qiáng)支護(hù)。

(5)該隧道棄渣方量較大,建議對(duì)棄渣場(chǎng)地應(yīng)事先做好設(shè)計(jì)、排水、導(dǎo)水等,引導(dǎo)暴雨季節(jié)形成的山洪順利通過;加強(qiáng)棄渣場(chǎng)地的攔石壩等措施;積極恢復(fù)植被,防治洪水沖刷、侵蝕;施工中避免破壞環(huán)境及造成新的地質(zhì)災(zāi)害問題。

3 隧道開挖穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模擬模型

為了分析楊家山隧道在施工時(shí)的圍巖變形與隧道結(jié)構(gòu)受力,根據(jù)實(shí)際工程情況,選取楊家山隧道最危險(xiǎn)斷面(右線出洞段,樁號(hào)YK18+446)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,采用有限元軟件midas GTS NX建立了二維數(shù)值模型。

其中巖體、管棚注漿加固采用德魯克-普朗克準(zhǔn)則、平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬。由于該斷面處隧道的埋深較淺,因此模型的上限建立至地表位置處,地層結(jié)構(gòu)均根據(jù)地質(zhì)報(bào)告平縱斷面圖建立。模型左右邊界選取至楊家山隧道兩側(cè)65 m,共計(jì)寬152 m,下邊界選取至楊家山隧道下方45 m。根據(jù)《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5440—2018),注漿加固后的圍巖重度、彈性模量和內(nèi)摩擦角采用圍巖的參數(shù),黏聚力提高30%。初期支護(hù)、二次襯砌采用彈性準(zhǔn)則,各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》(JTG 3370.1—2018)進(jìn)行選取;錨桿作為安全儲(chǔ)備,不計(jì)入模型模擬范圍內(nèi)。模型底部施加固定約束,兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束,地表為自由邊界,具體數(shù)值如表3所示。

表3 模型主要物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

在本數(shù)值模擬仿真模型中,為了真實(shí)地模擬實(shí)際工程情況,將地層和混凝土襯砌的自重應(yīng)力考慮為計(jì)算荷載,并根據(jù)實(shí)際施工過程設(shè)置相應(yīng)的分析步,如施工步驟中的巖體開挖與襯砌施作。在有限元軟件midas GTS NX中,不同的分析步中通過設(shè)置生死單元來完成單元的“激活”與“鈍化”功能,從而完成了對(duì)整個(gè)施工過程的模擬,動(dòng)態(tài)模擬步驟為:生成初始地應(yīng)力場(chǎng)→位移清零→隧道分步開挖及對(duì)應(yīng)襯砌的施作。

如圖1所示,在左、右導(dǎo)洞施工過程中,主要變形為拱底隆起,施工過程中最大隆起為2.4 mm;在中導(dǎo)洞施工時(shí),主要變形為拱頂沉降、拱底隆起,最大沉降3.0 mm,最大隆起為4.8 mm;二次襯砌施工完成后,主要變形為拱頂沉降、拱底隆起,最大沉降4.1 mm,最大隆起為4.6 mm。由于隧道處于偏壓狀態(tài),在整個(gè)施工過程中,隧道右側(cè)變形略大于左側(cè)變形。在楊家山隧道整個(gè)施工過程中,圍巖最大變形為4.8 mm,遠(yuǎn)小于預(yù)留變形量,滿足規(guī)范要求。

圖1 各施工階段圍巖位移云圖(單位:mm)

圖2和圖3分別為楊家山隧道初期支護(hù)與二次襯砌的彎曲應(yīng)力云圖,受圍巖偏壓影響,初期支護(hù)右側(cè)應(yīng)力大于左側(cè)應(yīng)力,以受壓為主;最大壓應(yīng)力在右側(cè)拱腳處,約為7.6 MPa,最大拉應(yīng)力左側(cè)拱底,為0.24 MPa。二次襯砌右側(cè)應(yīng)力大于左側(cè)應(yīng)力,最大壓應(yīng)力約為2.7 MPa,最大拉應(yīng)力為0.68 MPa。

圖2 隧道初期支護(hù)彎曲應(yīng)力云圖

圖3 隧道二次襯砌彎曲應(yīng)力云圖

根據(jù)規(guī)范要求,C30混凝土極限抗壓強(qiáng)度為22.5 MPa,極限抗拉強(qiáng)度為2.2 MPa,因此初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)不會(huì)因超過材料強(qiáng)度而破壞,滿足規(guī)范要求。綜上所述,根據(jù)楊家山隧道施工過程中對(duì)圍巖變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等方面的有限元分析,得出如下結(jié)論:楊家山隧道施工對(duì)圍巖變形、隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響較小,且滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

隨著我國(guó)高速公路項(xiàng)目的建設(shè),山嶺隧道的比例逐漸增加,隨之而來的不良地質(zhì)處理問題和開挖穩(wěn)定性問題等受到了施工技術(shù)人員的關(guān)注。以紹興柯巖互通主線項(xiàng)目中的楊家山隧道為例,詳細(xì)介紹了楊家山隧道的工程地質(zhì)情況,包括自然地理情況、水文地質(zhì)條件以及隧道線路的圍巖分級(jí)及穩(wěn)定性問題,針對(duì)隧道沿線的不良地質(zhì)問題,提出了相應(yīng)的處理整治措施,完善了項(xiàng)目的施工組織設(shè)計(jì)。最后針對(duì)隧道開挖過程的穩(wěn)定性問題,利用有限元軟件midas GTS NX建立了二維數(shù)值模擬模型,分析了隧道在開挖過程中不同分析步下的穩(wěn)定性,有助于提高山嶺隧道工程的管控質(zhì)量,保障工程施工的安全進(jìn)行。