淺埋偏壓隧道洞口防護(hù)結(jié)構(gòu)分析研究

曾 翀

（江西有色建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

隧道作為一種地下空間運(yùn)輸通道的建筑物，由于其不占路面空間、交通速度快、能縮短線路長(zhǎng)度等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于公路和鐵路工程中[1]，但該建筑物位于地下，具有較多的不確定性，受多種因素的影響，尤其當(dāng)遇到淺埋偏壓的隧道洞口段，容易在隧道開挖時(shí)出現(xiàn)較大的變形過(guò)大、甚至出現(xiàn)塌方、滑坡等問(wèn)題[2]。

本文基于實(shí)際的工程案例采用有限元軟件建立三維模型對(duì)其防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，希望能對(duì)該類工程提供參考價(jià)值。

1 工程概況

該工程為一座分離式雙向四車道高速公路隧道，其中左線起訖樁號(hào)：ZK93+641～ZK95+055，全長(zhǎng)1414m。隧道地處構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，山勢(shì)總體呈南北走向，支脈、沖溝呈樹杈狀，地形起伏大，地表植被發(fā)育，主要為松樹、灌木和雜草。隧道通過(guò)地段地層結(jié)構(gòu)為：表層為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土，下伏寒武系高灘組下段變質(zhì)砂巖。隧道范圍內(nèi)基巖以全風(fēng)化變余砂巖和強(qiáng)風(fēng)化變余砂巖為主。洞口段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)軟弱圍巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水豐富，巖層結(jié)構(gòu)面傾斜，在進(jìn)行原地面復(fù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在隧道左線洞口ZK94+960～ZK95+038段，沿路線前進(jìn)方向洞身左側(cè)為一沖溝，山體橫坡較大，隧道覆蓋層薄埋深淺，淺埋偏壓情況嚴(yán)重。

針對(duì)該工程出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)隧道淺埋偏壓段左側(cè)的沖溝，距離洞口100m范圍內(nèi)清除樹木等植被，實(shí)行反壓回填。其中ZK94+960～ZK95+018段采用隧道右線棄渣夯填，ZK95+018～ZK95+038段采用水泥土夯填。通過(guò)反壓回填堆土加載，使淺埋偏壓段隧道兩側(cè)應(yīng)力差異降低，有利于隧道開挖后圍巖平衡拱的形成，對(duì)反壓回填土處理后的淺埋隧道防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析。

2 反壓回填理論分析

在隧道開挖前對(duì)淺埋偏壓洞口路段的加固方法常常采用反壓土回填，同時(shí)將隧道明挖改為暗挖，保證隧道的開挖和山體的穩(wěn)定，該方法需對(duì)回填土的厚度及寬度進(jìn)行計(jì)算，以保證能有效發(fā)揮回填土平衡偏壓的能力，并且保證合理的工程造價(jià)，根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[3]和公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[4]的計(jì)算公式計(jì)算回填土厚度與寬度。

式（1）（2）中：β和β’分別表示隧道內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角，φc表示隧道圍巖的計(jì)算摩擦角；α表示地面與水平面夾角；θ表示頂板土柱兩側(cè)摩擦角。

從式（1）及式（2）可發(fā)現(xiàn)當(dāng)在淺埋隧道洞口段進(jìn)行反壓回填時(shí)，能夠使隧道的側(cè)橫坡坡度減小，淺埋側(cè)角隨之減小，從而使得隧道襯砌的最大推力在增大，減小淺埋偏壓隧道的偏壓力，保證隧道開挖的安全。假設(shè)d表示隧道淺埋側(cè)邊墻與回填土的距離，用h表示回填土頂面距隧道底部的距離，回填土的坡腳用表示，當(dāng)滿足式（3）時(shí)，反壓土發(fā)揮其最大能力。

3 有限元模擬

3.1 軟件介紹

ADINA軟件是一個(gè)全集成有限元分析系統(tǒng)，采用Windows截面風(fēng)格，建模方便操作簡(jiǎn)單；系統(tǒng)包括多種分析模塊；擁有高效及高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分生成能力；擁有許多的單元類型和材料模式，還可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行材料的用戶自定義；同時(shí)具有完善的高效的線性與非線性求解分析能力，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[5-6]。

3.2 模型建立

本文根據(jù)實(shí)際的工程案例建立三維的有限元模擬，將隧道的開挖問(wèn)題假定為平面應(yīng)變問(wèn)題，模型向上取35m，向下也取35m，地面與水平夾角為50°；模型中對(duì)支座邊界的設(shè)置分別為兩側(cè)水平向設(shè)置固定支座，底部設(shè)置豎向固定支座，其余的各邊不設(shè)置約束；模型中將材料的自重作為荷載大??；采用土體摩爾-庫(kù)倫模型作為材料的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)則采用彈性模型進(jìn)行模擬，并且為進(jìn)一步分析回填土厚度與寬度比的關(guān)系，保證回填土的厚度為14.5m，分別設(shè)置5組不同反壓土側(cè)邊頂部距離邊坡面距離的模型進(jìn)行模擬，這五組距離分別為10m、12m、14m、16m及18m。

3.3 模擬過(guò)程

為了減小隧道開挖過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境的影響，并且為了保證隧道的開挖安全，在工程施工過(guò)程中三臺(tái)階七步法進(jìn)行隧道的開挖，在模擬的過(guò)程中為進(jìn)一步以實(shí)際相符，將隧道的斷面劃分為7個(gè)進(jìn)行三臺(tái)階起步法開挖的模型，如圖1所示，在還未進(jìn)行開挖時(shí)，對(duì)模型中的初次襯砌及需要開挖部分的模型進(jìn)行初始屬性的設(shè)置；在進(jìn)行模擬開挖時(shí)，通過(guò)單元的“生”與“死”來(lái)完成；重復(fù)進(jìn)行模型單元的“生”與“死”來(lái)完成所有的開挖模擬。并對(duì)隧道的不同位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

圖1 錨桿的支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 隧道的觀測(cè)點(diǎn)布置圖

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的水平位移分析

根據(jù)模擬的結(jié)果，對(duì)不同的反壓土厚度與寬度比下的水平位移進(jìn)行分析[7-9]，具體的結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3（a）表示拱頂和拱腰的水平位移曲線，圖3（b）表示拱腰和拱腳的水平位移曲線。

從圖3（a）中可知，當(dāng)反壓土的厚度一定時(shí)，隨著反壓土寬度的增加，拱頂及拱腰的水平位移均在減小，主要是因?yàn)楫?dāng)反壓土的寬度增大時(shí)將會(huì)減小隧道兩側(cè)的偏壓應(yīng)力，使得隧道的水平位移減小，其中在寬度從10m增加到14m時(shí)變化速率較慢，從14m增加到16m時(shí)變化速率較快，從16m增加到18m變化速率減慢，其中對(duì)于C點(diǎn)幾乎保持不變，出現(xiàn)不用變化速率主要是因?yàn)榉磯和翆挾鹊脑黾訉?duì)淺埋隧道襯砌結(jié)構(gòu)所提高的推力增加程度不同，當(dāng)寬度增加到16m后出現(xiàn)幾乎保持不變的現(xiàn)象主要是因?yàn)榇螖?shù)的反壓土對(duì)淺埋隧道提供的推力基本達(dá)到極限值，繼續(xù)增加反壓土寬度已經(jīng)不能起到很大作用；并且發(fā)現(xiàn)拱頂A的水平位移均比拱腰的B點(diǎn)和C點(diǎn)的水平位移大，主要是因?yàn)楣绊擜點(diǎn)的高程較高。從圖3（b）中可知D點(diǎn)與E點(diǎn)的變化與A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的變化相似，而E點(diǎn)的水平位移比D點(diǎn)小將近5倍，說(shuō)明反壓土回填后埋淺側(cè)的應(yīng)力遠(yuǎn)小于深埋側(cè)；在側(cè)壓力的作用下，當(dāng)隧道襯砌的變形大于隧道整體的位移時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，如圖3（b）中的F點(diǎn)與G點(diǎn)。

3.4.2 隧道拱頂?shù)南鲁练治?/p>

根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)隧道的拱頂下沉進(jìn)行分析，具體的結(jié)果見圖4所示。

圖4 隧道拱頂下沉曲線圖

從圖4中可知，當(dāng)保持反壓土的厚度不變，反壓土寬度的增大對(duì)隧道的拱頂沉降影響不大，基本保持不變，最終的沉降保持在6.1～6.9mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上分析可知，淺埋偏壓隧道經(jīng)過(guò)反壓回填土處理后所形成的防護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效減小淺埋偏壓隧道的位移，使得隧道的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，并且存在一個(gè)合理的反壓回填土寬度。