洞口上覆不稳定堆积体隧道施工稳定性分析研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER103第 40卷第 1期0 引言目前，针对堆积体方面的研究成果主要集中于堆积体自身承载特性以及力学模型方面，而对于堆积体作用区域桩基承载能力发挥特点以及下伏隧道洞口支挡结构受力特点的研究目前鲜有报道，且堆积体中桥梁建筑的建设案例相对较少，无法发挥充分的借鉴作用。依托凯里环城高速公路建设工程进行研究。经勘查测定，不稳定堆积体主要存在于邵家庄大桥以及洛邦隧道附近，堆积体成分主要以白云岩块石为主，其相对较低的自稳能力对相关工程结构的稳定性以及人员安全构成一定威胁。研究基于现场踏勘以及地质钻探资料，明确堆积体影响范围，通过室内试验研究堆积体岩土力学特性。通过数值模拟的方法对不同几何形态及物理力学参数影响下堆积体变形特征进行分析，并对坡体不同加固方案进行对比，提出适用于不稳定堆积体边坡的支护结构及施工方法。洞口上覆不稳定堆积体隧道施工稳定性分析研究刘民军，夏志杰，张楚璇（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）摘要：针对不稳定堆积体会对边坡工程、隧道工程等岩土工程的施工造成一定程度的阻碍，以贵州凯里环城高速公路洛邦隧道洞口段不稳定堆积体为研究对象，探讨了不稳定堆积体区隧道围岩稳定性和支护结构力学响应，分析了不稳定堆积体仰坡稳定性和隧道上方既有道路沉降成因。研究表明：当隧道洞口段下穿不稳定堆积体时，需重点关注穿越滑带部位初期支护安全性；在隧道被开挖扰动的情况下，利用注浆钢花管抗滑桩支护效果较好，可使不稳定堆积体区隧道洞口仰坡的稳定性明显提高，既有道路沉降得到了有效控制。关键词：洞口；不稳定；堆积体；稳定性中图分类号：U455.4；U455.7文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)01-0103-07DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.01.025Analysis and Research on the Construction Stability of Tunnel with Unstable AccumulationOverlying the PortalLIU Minjun,XIA Zhijie,ZHANG Chuxuan(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Kunming 650041,China)Abstract:Unstable accumulation can cause certain obstacles to the construction of geotechnical engineering such as slope engineering and tunnel engineering.Taking the unstable accumulation at the entrance of Luobang Tunnel on Kaili Ring Expressway in Guizhou as the research object,this paper explores the stability of the surrounding rock and the mechanical response of the support structure in the unstable accumulation body area of the tunnel.The stability of the unstable accumulation bodys forward slope and the causes of settlement of the existing road above the tunnel are analyzed.Research has shown that when the tunnel entrance section passes through unstable accumulations,special attention should be paid to the safety of initial support at the crossing slip zone.In the case of excavation disturbance in the tunnel,the use of grouting steel flower pipe anti slip pile support has a good effect,which can significantly improve the stability of the tunnel entrance slope in the unstable accumulation area,and effectively control the settlement of the existing road.Keywords:entrance;unstable;accumulation;stability收稿日期：2023-12-04作者简介：刘民军（1975-），男，云南昆明人，正高级工程师，主要从事技术、质量管理工作。*104云南水力发电2024 年第 1 期1 工程概况1.1 隧道工程概况洛邦隧道是凯里环城高速公路项目重点工程之一，位于贵州省凯里市炉山镇。隧道左、右线长分别为 2 352 m 和 2 358 m，最大埋深 133 m。隧道建筑限界为 11 m5 m，主洞净宽为 13.7 m、高为 10.5 m，拱部和边墙为三心圆，两半径分别为6.1 m 和 5.4 m。洞身段隧道间距为 36 m，隧道左线纵坡 2.48，右线纵坡 2.49，隧道最大纵坡2.6%。1.2 不稳定堆积体特征不稳定堆积体位于洛邦隧道 ZK41+383 ZK41+484（YK41+381 YK41+500）段隧道入口坡体上，长约 80 120 m，宽 100 240 m。该堆积体为修建炉碧西大道弃碴堆积而成，主要成分为灰岩块碎石与粘土，结构松散稍密，性质不均匀，现处于基本稳定状态。该堆积体后部为炉碧西大道填方路基，填土成分主要为灰岩块碎石与黏土，结构中密密实，目前填方路基整体稳定。洛邦隧道洞口段从不稳定堆积体下部通过，在隧道施工扰动作用下，不稳定堆积体可能发生坍塌甚至滑坡，进而牵引炉碧西大道路基发生失稳，影响炉碧西大道正常运营。2 三维数值模型2.1 数值模型建立以洛邦隧道洞口段为对象，根据工程实际地形情况、弃碴堆积体尺寸与空间位置建立了符合要求的三维数值模型，对隧道进口段工况利用FLAC3D 进行模拟，对穿越弃碴堆积体浅埋公路隧道围岩稳定性、弃碴堆积体仰坡稳定性、支护结构承载特性及施工安全性等问题开展研究1。选取ZK41+380ZK41+590为数值计算范围，建立如图 1 所示（X 方向为开挖方向）的数值计算模型。充分考虑模型边界条件对计算结果的影响，数值计算模型尺寸为 210 m210 m，模型高度的变化与地形的起伏一致，最小高度 133 m，最大高度 210 m。对隧道、隧道洞口仰坡、炉碧西大道、灰岩与弃碴堆积体接触面进行网格精细划分，数值计算模型共 123 371 个节点、703 290 个单元。图 1 数值计算模型图模型侧面与底面约束法向位移，地表为自由边界。模型中灰岩、弃碴堆积体采用摩尔-库伦本构模型，利用四面体实体单元进行模拟2。灰岩与弃碴堆积体间的薄层粘土设定为滑带，采用接触面进行模拟，超前大管棚则用 FLAC3D 壳单元进行模拟。中空注浆锚杆采用增大锚固区围岩参数进行模拟，锚固区弹性重度、模量、粘聚力和内摩擦角增大 10%20%，泊松比降低约 10%3。二次衬砌采利用弹性本构模型，采用四面体实体单元模拟。钢拱架与喷射混凝土按折算弹性模量法统一考虑，采用 FLAC3D 壳单元进行模拟，折算弹性模量按式（1）计算4：（1）式中：Eh考虑钢拱架作用后喷射混凝土的弹性模量；E0h喷射混凝土的原始弹性模量；Ah喷射混凝土的截面积；Eg钢拱架的截面积；Ag钢拱架的弹性模量。2.2 模拟步骤和工况洛邦隧道洞口段施工方法为环形开挖预留核心土法，施作顺序为：超前大管棚施作；上断面弧形导坑开挖后进行初期支护；上断面核心土开挖；下断面开挖后进行初期支护；全断面开挖后浇筑仰拱，最后施作二次衬砌。隧道开挖模拟步骤见表 15。为分析隧道洞口段下穿不稳定堆积体时隧道衬砌力学特征、洞口仰坡稳刘民军，夏志杰，张楚璇 洞口上覆不稳定堆积体隧道施工稳定性分析研究105定性，增加隧道洞口段为中风化灰岩工况。表 1 隧道开挖模拟步骤表模拟步骤计算步初始应力场1超前大管棚2 28明洞与反压体3上断面弧形导坑开挖4 30上断面初期支护4 30上断面核心土开挖5 31下断面开挖6 32下断面初期支护6 32仰拱7 33二次衬砌8 343 隧道洞口段衬砌力学特征分析当不稳定堆积体位于隧道洞口段上方时，应重点关注隧道支护结构的安全性与围岩稳定性。根据地质资料可知，右线隧道上部堆积体深度较左线大，因此，选取右线隧道 YK41+485 为研究断面（暗挖段洞口桩号为 YK41+465）。图 2 为隧道 YK41+485 断面拱顶沉降、拱脚水平收敛与开挖步的关系，由图可见，拱顶沉降与拱脚水平位移在施工过程呈现阶段性发展。当上部环形导坑开挖至该断面时（开挖步 4），拱顶的沉降开始明显变大，之后沉降速率慢慢减小，当掌子面距离该断面 30 m 时（开挖步 10），拱顶沉降逐渐趋于稳定，沉降值最终稳定在22.1 mm6。左、右拱脚的水平收敛与拱顶沉降的规律基本相同，收敛值最终为 6.94 mm 和 8.46 mm7。不稳定堆积体段隧道围岩变形量较大，但最终变形是趋于稳定的，因此所选取支护方案科学、合理8-9。图 3 为隧道洞口段堆积体和灰岩工况下初期支护受力对比图。由图 3 可知，由于采用预留核心土法开挖，上断面初期支护施作锁脚锚杆约束拱脚变形，致使锁脚处初期支护受力均较大，最大弯矩分别为 13.2 kNm 和 10.4 kNm。初期支护中的弯矩最大值在拱脚处出现，最大值分别为26.9 kNm 和 27.5 kNm。但当隧道洞口段位于堆积体中时，围岩自稳能力较差，初期支护所受?图 2 YK41+485 断面围岩变形曲线图（a）洞口段为堆积体工况（b）洞口段为灰岩工况下图 3 隧道初期支护弯矩图Nm变形压力较大，洞口段弯矩较灰岩工况大幅提高。同时，由于堆积体沿滑带产生一定程度的相对滑动，初期支护需抵抗较大剪切变形，导致滑带位置初期支护弯矩值显著增大。由此可知，当隧道洞口段下穿不稳定堆积体时，初期支护受力较大，但仍处于安全范围，施工中需重点关注穿越滑带部位初期支护安全性。4 不稳定堆积体洞口仰坡变形特征分析隧道洞口段从不稳定堆积体下部通过时，在隧道施工扰动作用下，不稳定堆积体可能发生坍塌甚至滑坡，洞口仰坡稳定性需重点关注。图 4 和图 5 分别为隧道洞口段堆积体和灰岩工况下三维变形云图。对比图 4 与图 5 可知，由106云南水力发电2024 年第 1 期于隧道上部堆积体结构不稳定，力学性能差，隧道开挖引起上部堆积体产生较大范围的沉降和趋向临空面的位移，同时，右线隧道上部堆积体深度较左线大，开挖引起堆积体变形主要集中于右线上方；当隧道洞口段为中风化灰岩时，由开挖引起的沉降和水平位移都显著减小。隧道洞口边仰坡的稳定性主要受洞口段岩土体物理力学性质控制。图 6 为右线隧道纵剖面水平位移云图（箭头表示仰坡坡体位移大小与方向）。由图 6 可知，在隧道开挖扰动下，上部不稳定堆积体沿黏土层滑带产生向临空面方向的滑动，其中，既有道路下方堆积体变形较小，仰坡坡体变形主要集中于既有道路前方堆积体中。由水平位移云图和位移矢量图可知，既有道路前方堆积体呈近似圆弧滑动，与既有道路下方堆积体产生较大的相对位移，同时，仰坡坡顶变形差值较大，既有道路边线至坡顶段易产生张拉裂缝。由于贵州地区降雨充沛，当坡顶混凝土面层受拉开裂后，降雨即沿裂缝进入坡体，不稳定堆积体本身土石含量大、密实度较低、工程性能差，遇水后土体部分软化，堆积体黏聚力与内摩擦角显著降低，重度增大，物理力学性质显著恶化，致使坡体更容易产生向临空面方向的变形，隧道围岩与仰坡坡体稳定性显著降低，既有道路运营安全受到极大影响。图 7 为隧道洞口段堆积体和灰岩工况下既有道路沉降曲线对比图。由图 7 可知，当隧道洞口段为中风化灰岩时，既有道路沉降主要集中于左、右线隧道上方，沉降曲线呈“W”形，最大沉降极小；而隧道洞口段为不稳定堆积体时，既有道路沉降曲线呈“V”形，最大沉降值出现于右线隧道左上角，为 6.10 cm 左右。若再考虑降雨作用与车辆动（a）沉降云图（b）水平位移云图图 4 洞口段为堆积体工况下变形云图mm（a）沉降云图（b）水平位移云图图 5 洞口段为灰岩工况下变形云图mm图 6 右线隧道纵剖面水平位移云图与位移矢量图mm?图 7 隧道上方既有道路沉降曲线对比图载效应，既有道路沉降值将会更大。因此，应采用一定的技术措施，减少既有道路沉降，同时确保道路运营的安全。5 不稳定堆积体洞口段支护方案5.1 支护方案综合以上分析可知，既有道路产生较大沉降不是由隧道开挖引起上部土体下陷所致，而是由于隧道开挖扰动引发不稳定堆积体产生较大滑动变形，因此，需采取工程措施减小不稳定堆积体刘民军，夏志杰，张楚璇 洞口上覆不稳定堆积体隧道施工稳定性分析研究107滑动。鉴于此，施工现场于隧道洞口仰坡每台阶梅花形布置 3 排注浆钢花管，钢花管下段插入中风化灰岩中，以起到抗滑作用。见图 8。5.2 支护方案效果评价采用 FLAC3D 对不稳定堆积体洞口段支护方案进行有效性评价。其中，注浆钢花管抗滑桩采图 8 隧道洞口段抗滑桩布置图用 FLAC3D 梁单元进行模拟，梁单元弹性模量按式（2）进行折算：（2）式中：Ebeam、Es、Ec分别为综合考虑钢花管与注浆体的抗滑桩弹性模量、钢花管弹性模量和注浆体弹性模量；Is、Ic和 I分别为综合考虑钢花管与注浆体的抗滑桩惯性矩、钢花管惯性矩和注浆体惯性矩。图 9 为洞口段采用抗滑桩支护情况下三维变形云图。对比图4可知，采用注浆钢花管抗滑桩后，不稳定堆积体变形得到有效控制。洞口仰坡最大沉降与水平位移分别为 4.18 cm 和 4.67 cm，相较图5工况均减小约50%；坡体变形范围明显减小，（a）沉降云图（b）水平位移云图图 9 洞口段抗滑桩工况下变形云图mm左上角为抗滑桩水平位移云图。由图 10 左上角云图可知，抗滑桩入岩段水平位移极小，上部水平位移随不稳定堆积体厚度增大而增大10。以右线隧道抗滑桩为例，桩体入岩段呈嵌固状态，堆积体段桩体水平位移急剧增大，随后趋于稳定；隧道顶部桩体未入岩，桩体水平位移随坡体滑动呈“踢脚”形。由此可知，抗滑桩主要于嵌固段上侧发生剪切变形，可起到较好的抗滑作用11。?图 10 抗滑桩水平位移曲线图水平位移与沉降主要集中在第二级台阶处。既有道路沉降和坡顶水平位移大幅降低后使确保了即有道路的安全运营。图 10 为洞口段抗滑桩水平位移曲线图，图中5.3 现场施工效果评价为确保隧道施工过程中炉碧西大道正常运营，通过在炉碧西大道布设一定数量的监测点（在隧道左右线上方路面每隔 6 m 布设 1 个监108云南水力发电2024 年第 1 期测点），设置可靠的基准点系统，以此获取隧道开挖引起的路面沉降，具体监测点布置如图11 所示12。未考虑车辆动载效应，且数值模拟未考虑降雨作用，使得计算路面沉降略小。以上分析表明，现场采用注浆钢花管对不稳定堆积体进行支护后，隧道上方既有道路沉降得到有效控制，支护方案效果较好。6 施工优化措施根据洛邦隧道洞口段施工风险评估结论，对相应施工过程采取必要的防护措施及优化设计，具体如下：由于洛邦隧道进口位于弃土场内，隧道进口穿越炉碧西大道路基，围岩较差，为弃土场块石土、黏土，结构松散。围岩无自稳能力，处理不当易引起大规模坍塌和冒顶，严重影响炉碧西大道运营安全。因此，对洛邦隧道进口段进行地表钢管桩注浆加固及加强超前支护，采用大管棚与小导管组合的双层超前支护措施，采用机械冷开挖方式，在环线开挖预留核心土，并在施工中加强监控量测，一旦出现预警及时调整工法，以降低隧道施工队炉碧西大道的影响。7 结束语1）当隧道洞口段下穿不稳定堆积体时，隧道围岩变形呈阶段性发展，虽然变形量较大，但最终会趋于稳定状态13；不稳定堆积体段初期支护弯矩较大，但仍处于安全范围，而滑带位置弯矩显著增大，施工中需重点关注穿越滑带部位初期支护安全性。2）在隧道开挖扰动下，既有道路前方不稳定堆积体向临空面方向产生较大变形，呈近似圆弧滑动，仰坡坡顶变形差值较大，既有道路边线至坡顶段易产生张拉裂缝。同时，不稳定堆积体滑动导致既有道路产生较大沉降，需采取工程措施约束不稳定堆积体滑动，保证既有道路运营安全。3）根据数值计算结果，提出隧道洞口仰坡密布注浆钢花管抗滑桩的不稳定堆积体洞口段优化支护方案。数值模拟与现场施工结果均表明，注浆钢花管抗滑桩支护效果较好，不稳定堆积体区隧道洞口仰坡稳定性显著提升，既有道路沉降得图 11 现场监测布置示意图数值模拟与现场监测结果对比如图 12 所示。由图 12 可知，隧道左线、右线上方既有道路沉降模拟值与现场监测值均呈“V”形变化趋势，沉降最大值均位于左幅路面，现场监测值较模拟值大20%左右，可能为数值模拟虽考虑行车荷载，但?（a）隧道左线上方路面沉降曲线?（b）隧道右线上方路面沉降曲线图 12 数值模拟与现场监测结果对比图刘民军，夏志杰，张楚璇 洞口上覆不稳定堆积体隧道施工稳定性分析研究109到有效控制。4）针对风险评估结论，对洛邦隧道进口段进行地表钢管桩注浆加固及加强超前支护，采用大管棚与小导管组合的双层超前支护措施，采用机械冷开挖方式，在环线开挖预留核心土，并加强监控量测，一旦出现预警及时调整工法，以降低隧道施工队炉碧西大道的影响。参考文献：1李俊江.穿越复杂采空区段深埋公路隧道支护结构承载特性与围岩稳定性研究D.重庆：重庆大学，2018.2耿立才，张熙，刘大华，等.厚层堆积体隧道洞口施工力学特性研究J.四川建材，2019，45（10）:57-58.3张会远,王连军.偏压隧道洞口段预加固措施选取方法分析J.人民长江，2013，44（22）:53-54.4李志辉.城市隧道浅埋暗挖地表沉降规律及控制研究D.长沙：中南大学，2008.5熊鑫.深埋宽长隧道软弱围岩施工动态有限元数值模拟研究D.桂林：桂林理工大学，2012.6郭杰森.花都号隧道围岩变形规律及施工技术研究D.南昌：华东交通大学，2019.7刘俊平，尚应超，李雪峰，等.不同岩性分界面位置对隧道初期支护的影响J.铁道建筑,2019，59（6）:60-61.8田浩宇.山岭隧道偏压洞口段施工技术研究D.西安：西安科技大学，2018.9蔡李斌.高地应力软岩地层隧道施工围岩稳定控制技术J.云南水力发电，2023，39（11）:214-217.10李进豪.考虑桩基抗滑作用的滑坡治理工程优化设计研究以延安市小南沟保障性住房项目滑坡治理工程为例D.西安：长安大学，2014.11邱煜珩.高家房基滑坡稳定性分析与抗滑桩治理方案研究D.成都：西南交通大学，2020.12 颉永斌.浅埋偏压隧道洞口新型防护结构的静力分析 D.兰州：兰州理工大学，2018.13邓小川.堆积体区隧道开挖与边坡稳定及处治D.重庆：重庆交通大学，2014.