預(yù)應(yīng)力錨索加固在淺埋偏壓隧道洞口開挖中的成效分析

孔陸敏

(三明市公路路面養(yǎng)護(hù)中心，三明 365001)

1 引言

近年來隨著我國隧道工程技術(shù)成熟，針對地形陡峭、開挖數(shù)量大、 地質(zhì)破碎易發(fā)生災(zāi)害的山區(qū)高等級公路建設(shè)，因受地形和公路線形指標(biāo)限制，隧道需靠近山體坡面修建，形成淺埋偏壓隧道。施工中由于隧道開挖造成的圍巖應(yīng)力變化，洞口邊坡易發(fā)生變形、開裂、甚至坍塌等病害，邊坡變形破壞與隧道開挖擾動密切相關(guān)，因此在隧道尤其是淺埋偏壓隧道洞口開挖前進(jìn)行必要的加固尤其重要。 本文以三明莆炎高速明溪段林地隧道進(jìn)口側(cè)坡預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡穩(wěn)定性分析為例， 闡述預(yù)應(yīng)力錨索加固措施在淺埋偏壓隧道洞口開挖過程中的成效。

2 工程概況

三明莆炎高速明溪段林地隧道設(shè)計為分離式長隧道，全長左右洞平均2408m，洞口采用端墻式結(jié)構(gòu)。 進(jìn)口位于一低山坡麓，隧址區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，沿北西向穿越山體，地形起伏大。 隧道進(jìn)口處埋深較淺，右洞距最近坡面處僅11m，坡體上部覆蓋層較薄，且節(jié)理密集帶、構(gòu)造破碎帶發(fā)育，存在偏壓情況。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果，該隧道場區(qū)自然山坡坡度30°～40°，山脊陡峭，圍巖為坡積碎石土及碎塊狀強風(fēng)化變質(zhì)砂巖， 未發(fā)現(xiàn)有大型滑坡、崩塌及泥石流、巖溶、采空區(qū)等不良地質(zhì)情況。 左、右洞口側(cè)坡體風(fēng)化層主要為坡積粉質(zhì)粘土、坡積碎石土、全風(fēng)化及強風(fēng)化變質(zhì)砂巖，厚度約為5～9m 左右，結(jié)構(gòu)較松散，穩(wěn)定性較差，構(gòu)造破碎帶發(fā)育，下伏碎塊狀強風(fēng)化-中風(fēng)化變質(zhì)砂巖。地下水位高于設(shè)計隧道洞底標(biāo)高，且碎塊狀強風(fēng)化變質(zhì)砂巖透水性較好。

隧道按新奧法原理進(jìn)行施工，采用復(fù)合式襯砌，以錨桿、濕噴混凝土(鋼筋掛網(wǎng))、鋼拱架等為初期支護(hù)，大管棚、超前注漿小導(dǎo)管、超前錨桿等為施工輔助措施，充分發(fā)揮圍巖的自承能力， 在監(jiān)控量測信息的指導(dǎo)下施作初期支護(hù)和二次模筑襯砌。隧道洞口因地質(zhì)構(gòu)造破碎、節(jié)理發(fā)育、偏壓，易發(fā)生溜方、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，開挖前擬對洞口側(cè)坡進(jìn)行加固。 隧道進(jìn)洞口平面圖參見圖1。

3 開挖前加固措施

設(shè)計過程經(jīng)充分研究、討論、比選，最終確定以下加固方案： 隧道開挖前對洞口側(cè)邊坡面采用2 排8m×8m 4孔預(yù)應(yīng)力錨索框架進(jìn)行預(yù)加固，坡度1：0.75，預(yù)應(yīng)力錨索為壓力分散型結(jié)構(gòu)， 每孔采用6 束Φ15.24mm 高強度低松弛無粘結(jié)鋼絞線，鉆孔孔徑150mm，錨索設(shè)計長度24～28m，設(shè)計拉力550kN，錨索錨固段進(jìn)入中風(fēng)化變質(zhì)砂巖不小于10m?？蚣懿捎肅30 砼澆筑，嵌入坡面30cm，外露30cm。 要求在隧道開挖前，先施打預(yù)應(yīng)力錨索，在錨索施打并注漿后，注漿體強度達(dá)到設(shè)計強度后進(jìn)行預(yù)張拉。詳見圖2～3。

4 隧道開挖過程穩(wěn)定性分析

為分析預(yù)應(yīng)力錨索框架在淺埋隧道洞口開挖中的加固成效和可行性， 本文從有限元模型加固與否的穩(wěn)定性安全系數(shù)對比， 以及隧道洞口段開挖過程中實測監(jiān)控量測數(shù)據(jù)兩個方面來分析預(yù)應(yīng)力錨索框架加固在淺埋偏壓隧道洞口開挖中的成效。

圖1 隧道進(jìn)洞口平面圖

圖2 隧道進(jìn)口外側(cè)坡體防護(hù)加固平面圖

4.1 加固與否穩(wěn)定性對比分析

4.1.1 模型及參數(shù)選取

采用MIDAS/Nx 軟件建立莫爾－庫倫有限元模型進(jìn)行計算，巖土材料采用高階平面應(yīng)變單元模擬，界面材料特性假定為理想彈塑性，錨索自由段采用桁架單元、錨索錨固段采用梁單元模擬。 每個錨單元均允許沿軸向產(chǎn)生變形并發(fā)生屈服。錨單元節(jié)點與網(wǎng)格節(jié)點重合，錨單元與平面應(yīng)變單元聯(lián)結(jié)成整體，不產(chǎn)生相對位移。模型有限元網(wǎng)格如圖4 所示。

圖3 隧道進(jìn)口外側(cè)坡體防護(hù)加固斷面圖

圖4 二維模型有限元網(wǎng)格

圍巖采取理想彈塑性模型。 根據(jù)勘察報告及現(xiàn)場實際情況，支護(hù)材料彈性模量及泊松比按如下取值：

中空錨桿：E=200GPa，μ=0.15，按彈性材料處理；

初支噴砼：E=6GPa，μ=0.25，按彈性材料處理；

噴砼硬化：E=16GPa，μ=0.18，按彈性材料處理；

預(yù)應(yīng)力錨索： E=200GPa，μ=0.15，按彈性材料處理。

由于洞口開挖方式為CD 法， 考慮施工順序為左洞右→左洞左→右洞右→右洞左， 支護(hù)步驟簡化為土石方開挖→初支施工→噴砼硬化。分為加固(打設(shè)錨索)及不加固兩種情況，詳細(xì)計算各施工步驟坡體穩(wěn)定性安全系數(shù)。為保證工程安全，使計算結(jié)果偏于安全，穩(wěn)定性分析的安全系數(shù)均在洞身開挖之后進(jìn)行計算， 不考慮初支及噴砼硬化。

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)推薦指標(biāo)

4.1.2 坡體有、未加固情況下穩(wěn)定性安全系數(shù)對比

由圖5、表2 可以看出，隧道開挖前，側(cè)坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=1.2250，處于穩(wěn)定狀態(tài)。在隧道開挖后，安全系數(shù)有所下降，尤其在左洞右側(cè)開挖完成未支護(hù)前，其安全系數(shù)降至1.1500， 說明洞室開挖改變了坡體內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)，從而導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性下降。隧道開挖完并拆除中隔墻后，由于考慮了初支等防護(hù)措施，側(cè)坡穩(wěn)定性安全系數(shù)小幅回升至1.1750，但仍未達(dá)到規(guī)范要求，考慮到隧道右洞距坡面處最近僅為11m 左右，隧道開挖過程及后期的安全度不足，故應(yīng)考慮對洞口側(cè)坡進(jìn)行加固。對坡體采用錨索進(jìn)行預(yù)加固后， 在隧道開挖過程中側(cè)坡坡體穩(wěn)定性安全系數(shù)提升了30%～40%， 減少了山體偏壓影響，基本消除了施工安全隱患。

表2 穩(wěn)定性安全系數(shù)對比表

圖5 隧道開挖前邊坡穩(wěn)定性(安全系數(shù)Fs=1.2250)

4.2 隧道洞口段開挖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)

表3、表4 數(shù)據(jù)為加固措施完成后，洞口段開挖支護(hù)后一個月中實測累計下沉值、 累計收斂值和累計地表沉降值，以及最近三天的下沉和收斂速率，結(jié)果表明累計及變形速率均在控制范圍內(nèi)，洞內(nèi)變形緩慢，趨于穩(wěn)定。 加固措施切實有效，提高邊坡穩(wěn)定性，保障隧道安全進(jìn)洞。

表3 隧道洞口段拱頂下沉、周邊收斂實測數(shù)據(jù)表

表4 隧道洞口段地表沉降實測數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論及建議

(1)淺埋偏壓隧道的洞室開挖對側(cè)坡安全系數(shù)影響較大，本文中隧道進(jìn)口右洞側(cè)坡表層風(fēng)化層厚度6m 左右，下伏碎塊狀強風(fēng)化變質(zhì)砂巖，根據(jù)計算結(jié)果，隧道開挖后側(cè)坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)最大下降了30%以上， 即使在考慮了隧道防護(hù)措施后， 側(cè)坡穩(wěn)定性安全系數(shù)仍然只有自然坡體的80%。 由上述結(jié)論可以推知， 坡體地質(zhì)條件越差，巖土物理力學(xué)指標(biāo)越低，隧道開挖過程中坡體穩(wěn)定性安全系數(shù)則越小， 甚至可能對隧道施工及運營安全產(chǎn)生重大威脅， 故對于淺埋隧道， 尤其是其進(jìn)出洞口處的邊坡，必須通過驗算確定穩(wěn)定性安全系數(shù)。

(2)淺埋偏壓隧道側(cè)坡在隧道開挖前進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠麦w加固對施工期前后的安全很有裨益， 如采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的加固措施能夠有效控制隧道開挖帶來的坡體應(yīng)力場變化，提高坡體安全度。坡體加固設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分考慮整體地形地貌、 坡體形態(tài)及地質(zhì)情況， 并參照穩(wěn)定性計算結(jié)果，合理布置加固措施。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范和設(shè)計文件要求，精心組織，科學(xué)安排，規(guī)范施工，確保預(yù)應(yīng)力框架錨索施工質(zhì)量，才能保障隧道開挖的施工安全。