淺埋凍土隧道“抗滑樁+冠梁”塌方處治技術(shù)研究

黃班瑪，祁昌林，段成龍

(1.青海省交通工程技術(shù)服務(wù)中心，青海 西寧 810001；2.青海省交通建設(shè)管理有限公司，青海 西寧 810001； 3.中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，北京 100088)

0 引言

塌方處治一直以來都是隧道施工中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，尤其在淺埋隧道或隧道洞口段的施工中。淺埋層多為土層，一旦發(fā)生坍塌，圍巖原本較差的結(jié)構(gòu)性、穩(wěn)定性將會(huì)進(jìn)一步惡化，引起再次塌方或其他病害，加劇風(fēng)險(xiǎn)控制的難度。因此，采取合理高效的防治措施，是隧道按期施工及生命財(cái)產(chǎn)安全的重要保障。

近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)淺埋隧道的塌方成因及防治措施進(jìn)行了大量研究，并在理論和實(shí)踐中取得了一系列的成果。錢文[1]針對(duì)潘松隧道的軟弱圍巖塌方問題，分析得出圍巖破碎、水害、承載拱效應(yīng)弱是病害發(fā)生的主要原因，提出了“先固后挖，循序漸進(jìn)”的施工原則，并相對(duì)采取了地表回填、注漿地表深孔樁及徑向鋼花管、管棚支護(hù)等治理手段，效果較好。劉家奇等[2]針對(duì)曼勒1號(hào)隧道淺埋段的塌方冒頂問題，通過采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與有限元模擬等方法，分析得出隧道開挖導(dǎo)致地下水活化是病害產(chǎn)生的主要原因之一，提出了地表砌石、引流、大管棚+小導(dǎo)管支護(hù)、圍巖注漿等治理手段，取得了良好效果。王東升等[3]以九宮山4號(hào)隧道淺埋偏壓段塌方處治工程為研究背景，分析了淺埋偏壓段塌方冒頂?shù)脑蚣傲W(xué)機(jī)理，針對(duì)塌方原因提出了加固圍巖的處治方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)塌方段治理效果。茶增云等[4]研究淺埋富水全風(fēng)化花崗巖公路隧道施工災(zāi)害問題，得到了隧道致災(zāi)原因。楊曉華等[5]分析隧道發(fā)生塌方冒頂?shù)闹饕颍岢隽瞬捎眯?dǎo)管注漿加固圍巖、洞內(nèi)與地表共同治理的綜合處治措施。李文韜等[6]對(duì)淺埋偏壓隧道塌方冒頂提出相應(yīng)的治理方案和預(yù)防措施。于群群等[7]認(rèn)為在山嶺隧道中，洞口段塌方、滑坡多是由于偏壓、層狀圍巖結(jié)構(gòu)面及水的作用引起的，并采用塌坑回填、引流、增強(qiáng)襯砌支護(hù)、抗滑樁等措施進(jìn)行了處治。李志強(qiáng)等[8]針對(duì)黏土層淺埋隧道塌方問題，系統(tǒng)地提出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工藝，并運(yùn)用層次分析法，將開挖過程中的地質(zhì)因素與工程因素相結(jié)合，建立了隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。張毅等[9]以李家坪隧道進(jìn)口端為依托，通過數(shù)值模擬的方法探究了適用于控制膨脹土淺埋隧道塌方的施工工法，發(fā)現(xiàn)超前管棚支護(hù)為抑制圍巖塌方的關(guān)鍵工序， CD法開挖在膨脹土淺埋隧道中較為合理。張成平等[10]、陳軍[11]、王超林等[12]也對(duì)城區(qū)地鐵隧道塌方進(jìn)行了成因分析與控制措施，成因包括地層條件、施工情況與外界擾動(dòng)等，措施包括科學(xué)截排地表水、超前支護(hù)、設(shè)治格柵網(wǎng)架支撐，拱法和臨時(shí)回填砂漿等。

綜上所述，經(jīng)過長期的研究，淺埋隧道的塌方成因機(jī)制及防治技術(shù)都有了很大的進(jìn)展，但由于不同隧道的施工特點(diǎn)及變形控制理念的不同，無法形成具有普遍適用的應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。為此，以高海拔凍土地區(qū)的景陽嶺公路隧道依托，針對(duì)隧道淺埋段坍塌進(jìn)行研究，對(duì)“抗滑樁+冠梁”圍護(hù)結(jié)構(gòu)用于控制嚴(yán)寒高海拔地區(qū)淺埋隧道塌方病害進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，驗(yàn)證方案的可行性及可靠性，為類似工程提供借鑒。

1 依托工程概況

1.1 工程概況

青海省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目扁都口至門源段高速公路工程景陽嶺隧道是全線的控制性工程，其左右線設(shè)計(jì)為分離式隧道，凈空11 m×5 m，設(shè)計(jì)長度為2 370 m。隧址地處祁連山區(qū)域，氣溫日較差 11.6～17.5 ℃，出口段為淺埋多年凍土段(海拔3 798 m，陽坡地形)，長度約400 m，最大埋深23 m。

隧址區(qū)屬冰磧臺(tái)地貌單元，其間發(fā)育有狹窄沖溝，切割強(qiáng)烈。山體坡度平緩，地表發(fā)育有草皮，局部凍土草地沼澤發(fā)育并有積水。隧址區(qū)高程3 600～3 798 m，相對(duì)高差約200 m。隧道出口段地層從地表往下依次為：1 m左右的腐殖質(zhì)土，5～8 m厚的多年凍土(其特征為高溫多年飽冰凍土層及多年凍土退化后形成密集分且布形態(tài)、大小規(guī)模不一的水(泥)囊狀體)，2～3 m厚的富水砂礫層(常流水)、由松散到較為致密的沉積黏土層。隧道洞身處于多年凍土層、富水砂礫層和松散的沉積黏土層中，屬Ⅵ級(jí)圍巖。

1.2 塌方過程及成因

景陽嶺隧道采用暗挖臺(tái)階法施工，2020年7月初YK54+756—YK54+709(47 m)發(fā)生不同程度初支侵限(最大侵限處拱頂侵限 30 cm)，后進(jìn)行換拱處理，掌子面停止掘進(jìn)。7月16日，隧道右幅出口掌子面(YK54+709)發(fā)生塌方冒頂，冒頂樁號(hào)為YK54+706—YK54+713，冒頂處覆土深度為6.5 m，地表塌陷尺寸7 m×4.5 m。冒頂?shù)?次發(fā)生后進(jìn)行了回填處理，并對(duì)洞頂塌陷周邊做了環(huán)形截水溝及彩條布遮蓋，后準(zhǔn)備待冬季來臨時(shí)再進(jìn)行掌子面開挖及冒頂處理。2020年9月3日上午7時(shí)，原冒頂部位在沒有開挖的情況下再次發(fā)生塌方冒頂。冒頂發(fā)生后進(jìn)行了回填、注漿及前方初支侵限段局部換拱處理，期間掌子面一直有股狀水流出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掌子面涌水量為350 m/d。

在隧道施工塌方前的1個(gè)月，即2020年6月18日，在當(dāng)時(shí)的掌子面YK54+721進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)。結(jié)果顯示，圍巖為多年凍土，全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾薄層砂巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，圍巖整體破碎，完整性差，整體地下水發(fā)育，以滲滴狀、線流狀出水為主，多為凍結(jié)層上部的水，因隧道開挖凍土融化，局部易產(chǎn)生突泥、涌水現(xiàn)象。綜合判定YK54+721—YK54+701范圍內(nèi)圍巖級(jí)別為VI級(jí)，屬于軟弱圍巖。而地勘報(bào)告同樣顯示，此段落圍巖主要為飽冰、富冰凍土。巖性為三疊系上統(tǒng)全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾薄層砂巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈土柱狀、短柱狀，手掰易碎，屬VI級(jí)圍巖。根據(jù)測(cè)溫多年凍土平均地溫為-0.4 ℃。凍土類型為高溫高含冰量極不穩(wěn)定多年凍土，上限2.5～3.0 m，為季節(jié)性活動(dòng)層。圍巖埋深淺，穩(wěn)定性差，洞室開挖將致多年凍土融化，洞頂極易坍塌，外理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大的坍塌，側(cè)壁經(jīng)常出現(xiàn)小塌。現(xiàn)場(chǎng)塌方段落及巖體情況如圖1所示。

圖1 病害發(fā)生段地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological profile of disease occurrence section

結(jié)合地勘報(bào)告、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)景陽嶺隧道施工塌方的原因分析如下：

(1)YK54+721—YK54+701段圍巖主要以全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾薄層砂巖為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，圍巖整體破碎。隧道埋深淺，自穩(wěn)能力差。

(2)隧道圍巖的穩(wěn)定性在一定程度上也受到各施工工序的影響，巖體凍土層在開挖擾動(dòng)的影響下融化，以滲滴狀、線流狀出流，引起局部產(chǎn)生突泥、涌水，進(jìn)一步惡化了圍巖環(huán)境。

2 處治方案設(shè)計(jì)

2.1 抗滑樁+冠梁方案

通過上述分析可知，景陽嶺隧道YK54+721—YK54+701段圍巖整體破碎，自穩(wěn)能力差，開挖時(shí)有水害影響，引起原設(shè)計(jì)支護(hù)形式被破壞。因此，結(jié)合實(shí)際工況(塌方段進(jìn)行合理延伸處理)，對(duì)景陽嶺隧道YK54+699.5—YK54+711.9塌方段進(jìn)行處治。

(1)未開挖到塌方段內(nèi)時(shí)，原設(shè)計(jì)SⅥ-2方案在仰拱封閉后，無侵限現(xiàn)象，表明襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)合理，不做變更，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 SⅥ-2襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of SVI-2 lining structure

(2)YK54+699.5—YK54+711.9段內(nèi)，針對(duì)軟弱圍巖的變形控制不足及施工出水問題，將暗挖變更為明挖法施工，來降低因施工而導(dǎo)致凍水融化的影響，并在SⅥ-2型襯砌類型的基礎(chǔ)上，增加“抗滑樁+冠梁”圍護(hù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 抗滑樁+冠梁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位：m)Fig.3 Design drawing of anti-slide pile + crown beam retaining structure (unit: m)

2.2 數(shù)值模擬分析

為了探討變更后的支護(hù)設(shè)計(jì)方案是否滿足承載力的要求，對(duì)景陽嶺隧道原塌方斷面YK54+709采用MIDAS GTX NX軟件進(jìn)行力學(xué)分析，有限元模型如圖4所示。為了減少邊界條件和模型尺寸對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的干擾，模型左右采用水平約束，底部采用全約束，模擬范圍取洞徑的3～5倍[13-15]，該隧道施工方案優(yōu)化斷面洞徑為14.5 m，故模擬范圍可為43.5～72.5 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件情況，取模擬范圍為70 m。上部取至山頂表面，研究段落隧道埋深8 m(見圖1)，地面傾斜6.22%，其中0～6 m范圍內(nèi)為第四系上更新統(tǒng)(Q3fgl+ql)粉土、角礫、圓礫和卵石，6～8 m范圍內(nèi)為富冰-飽冰多年凍土(巖性主要為粉質(zhì)黏土)。洞身下部深度為50 m，主要巖體為全強(qiáng)風(fēng)化泥巖。

圖4 平面有限元模型Fig.4 Plane finite element model

2.2.1 模型材料物理參數(shù)

通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探以及相關(guān)規(guī)范，得到在變更后的圍巖和各支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)(表1)所列，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖土體進(jìn)行分析。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and support structure

其中，混凝土里的鋼筋采用等剛度法進(jìn)行彈模換算，不再單獨(dú)模擬。計(jì)算公式[18]為：

(1)

式中,E為計(jì)算后鋼筋彈性模量；E0為原混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈性模量；Sc為混凝土截面積。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

景陽嶺隧道塌方段采用明挖法施工，將冠梁以上的土體卸載后施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后開挖至隧底，施作仰拱工字鋼，再施作下、上臺(tái)階鋼架形成閉環(huán)，掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。這一階段完成后，架設(shè)柵格拱架，施工初期支護(hù)，待強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，對(duì)拱頂進(jìn)行分層回填，并在洞內(nèi)施作保溫板、防水板、二次襯砌等，共模擬18個(gè)施工步，得到相應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力變形，其分析過程與主要結(jié)論如下：

(1)在開挖至預(yù)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，開始對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行為期9 d的冠梁及冠梁以下10 m的樁身監(jiān)測(cè)，內(nèi)容包括隧中偏移和沉降監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)方案如圖5所示。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方案(單位: m) Fig.5 Enclosure structure monitoring scheme(unit: m)

現(xiàn)取最近處YK54+708斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由圖6可以看出，冠梁與樁身的變形總體上都隨著時(shí)間推移呈現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定和收斂的趨勢(shì)，表明在施工過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，并對(duì)圍巖變形有著較好的加固效果。現(xiàn)將截止監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)YK54+708斷面冠梁與樁身實(shí)測(cè)累計(jì)值匯入表2。

圖6 YK54+708斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring data of YK54+708 section

表2 冠梁與樁身實(shí)測(cè)累計(jì)值(單位: m)Tab.2 Measured cumulative values of crown beam and pile(unit: m)

采用軟件進(jìn)行模擬時(shí)，同樣也還原了施工過程。在基坑開挖完成后，自仰拱底部往上施工主體結(jié)構(gòu)至初期支護(hù)完成，模擬過程如圖7所示。

圖7 施工過程模擬Fig.7 Construction process simulation

現(xiàn)將模擬YK54+708斷面冠梁與樁身計(jì)算值繪制成位移-時(shí)間曲線，如圖8所示。

圖8 YK54+708斷面模擬計(jì)算數(shù)據(jù)Fig.8 Simulation calculation data of YK54+708 section

同時(shí)，將YK54+708斷面冠梁與樁身計(jì)算累計(jì)值即匯入表3。

表3 冠梁與樁身計(jì)算累計(jì)值(單位:m)Tab.3 Calculation cumulative values of crown beam and pile (unit: m)

對(duì)比圖6與圖8、表2與表3中數(shù)據(jù)可以看出，模擬計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值相接近，表明模擬結(jié)果是合理的，具有對(duì)實(shí)際工程的參考性。而冠梁偏移數(shù)據(jù)的缺失是因?yàn)楣诹涸趯?shí)際工程的布置是沿著隧道的掘進(jìn)方向，在平面模擬中不能表達(dá)，但并不影響數(shù)值模擬的結(jié)果及準(zhǔn)確性。

(2)圖9為拱頂回填后隧道圍巖位移。可以看出，原隧道塌方輪廓段內(nèi)(圖3(b))的圍巖變形約為0.117 m，樁身兩側(cè)最大圍巖變形量為0.309 m，圍巖變形量均不大，這表明變更后的施工方案能有效抑制軟弱圍巖大變形，適用于高寒條件下淺埋段圍巖塌方問題。

圖9 圍巖位移云圖(單位:m)Fig.9 Nephogram of displacement of surrounding rock(unit: m)

(3)圖10為拱頂回填后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移。可以看出，結(jié)構(gòu)頂部最大沉降量為 0.008 9 m，拱腰處收斂為0.003 m，拱腳處收斂為0.003 1 m。相比于只采用SⅥ-2支護(hù)時(shí)，未出現(xiàn)初支結(jié)構(gòu)大位移的情況，且結(jié)構(gòu)變形也控制在20 cm的預(yù)留變形量內(nèi)，均符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，表明變更后的支護(hù)形式能夠保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖10 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖(單位:m)Fig.10 Nephograms of displacement of primary support structure(unit: m)

(4)圖11為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。可以看出，結(jié)構(gòu)受到的最大拉應(yīng)力位于拱頂，為1.61 MPa；最大壓應(yīng)力位于拱腰處，為2.75 MPa；而結(jié)構(gòu)整體采用C30混凝土模筑，其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為2.01 MPa，抗壓強(qiáng)度為20.1 MPa，計(jì)算值皆小于標(biāo)準(zhǔn)值，表明結(jié)構(gòu)符合要求，未被破壞。同時(shí)也證明了在SⅥ-2型支護(hù)參數(shù)不變的情況下，增設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工方法可以有效治理支護(hù)變形破壞。

圖11 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位: kN/m2)Fig.11 Nephograms of stress of primary support structure (unit: kN/m2)

3 工程處治效果

3.1 變更方案的現(xiàn)場(chǎng)施工

(1)塌方洞口回填

將隧道內(nèi)塌方處反壓回填，再將地表內(nèi)塌方口回填夯實(shí)。

(2)洞頂卸載開挖

洞口邊仰坡開挖前，在基坑邊坡破土線3～5 m處施作環(huán)向截水溝。截水溝施工完成后，進(jìn)行洞頂卸載作業(yè)：在YK54+710—YK54+702段，邊、仰坡按照1∶1進(jìn)行刷坡，嚴(yán)格按照從上往下的原則挖至距隧道拱頂0.75～1.25 m標(biāo)高位置，同時(shí)保證開挖后兩側(cè)有2 m的作業(yè)空間，邊開挖邊采用20 cm×20 cm、直徑8 mm的鋼筋網(wǎng)、10 cm厚的C30混凝土進(jìn)行噴護(hù)。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作

洞頂開挖后，形成作業(yè)平臺(tái)，開始施作抗滑樁+冠梁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)樁采用旋挖樁工藝，遇到填石施工困難時(shí)采用沖孔樁工藝。圍護(hù)樁采用間隔施工，施工時(shí)遇到砂層或淤泥質(zhì)軟弱土層等易塌孔時(shí)應(yīng)加設(shè)鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒超過軟弱土層不小于1.0 m，施工時(shí)注意清理孔底，確保樁深滿足設(shè)計(jì)要求。按照鉆孔成孔-清孔-鋼筋籠施工-澆注混凝土-檢查驗(yàn)收-做好基坑周圍的排水流程組織施工。

圍護(hù)樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，破除圍護(hù)樁樁頭至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并保留好圍護(hù)樁的鋼筋，使其與冠梁鋼筋進(jìn)行有效連接，然后對(duì)回填體進(jìn)行復(fù)壓，滿足地基承載要求，然后施工冠梁。

(4)基坑開挖與回填

基坑開挖必須在抗滑樁+冠梁圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行。基坑明挖時(shí)，充分利用時(shí)空效應(yīng)的作用，必須分段、分區(qū)、分層、對(duì)稱進(jìn)行，不得超挖。每層開挖深度不大于2 m，做好基坑內(nèi)排水，并分層做好錨噴金屬網(wǎng)的防護(hù)。基坑開挖4 m后施作橫向鋼支撐，并按照自上而下的順序開挖至隧道仰拱底部，施作仰拱工字鋼，再施作下、上臺(tái)階鋼架形成閉環(huán)，掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。這一階段完成以后，架設(shè)柵格拱架，施工初期支護(hù)，待強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，對(duì)拱頂進(jìn)行分層回填，并在洞內(nèi)施作保溫板，防水板、二次襯砌等結(jié)構(gòu)。

3.2 變更效果評(píng)價(jià)

隧道頂部回填后，在2021年4月26日至5月2日對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沉降、收斂的周期性監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示，監(jiān)測(cè)樁號(hào)包括YK54+710，YK54+705，YK54+700這3處，現(xiàn)取離原塌方斷面YK54+709的最近監(jiān)測(cè)點(diǎn)YK54+710斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.12 Layout of monitoring points

YK54+710斷面拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與周邊收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表4、表5。

表4 YK54+710斷面拱頂沉降監(jiān)測(cè)值(單位：mm)Tab.4 Monitored vault settlement values of YK54+710 section (unit: mm)

表5 YK54+710斷面周邊收斂監(jiān)測(cè)值(單位：mm)Tab.5 Monitored surrounding convergence values of YK54+710 section (unit: mm)

可以看出，在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，沉降1，2，3的累計(jì)最大變化值分別為4.8，5.9，4.5 mm；周期內(nèi)累計(jì)變化值為0.4，0.3，0.5 mm；周期內(nèi)最大變化速率為0.1，0.1，0.1 mm/d。

收斂1、收斂2累計(jì)最大變化值均為4.3 mm；周期內(nèi)累計(jì)變化值均別為0.4 mm；周期內(nèi)最大變化速率均為0.1 mm/d。

在設(shè)計(jì)時(shí)，為保證初期支護(hù)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定和后續(xù)施工，對(duì)結(jié)構(gòu)的位移變化提出了明確要求：(1)拱頂沉降變化需滿足U

通過代入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，變更方案后的隧道結(jié)構(gòu)無論沉降變形或收斂變形都滿足正常施工的要求，表明在實(shí)際工程中同樣能達(dá)到較好的治理效果。

3.3 抗滑樁長度與截面形狀優(yōu)化

為了研究抗滑樁長度與截面形狀對(duì)處置效果的影響，結(jié)合地質(zhì)條件、塌方情況、施工能力、時(shí)間成本、材料成本、人力成本等情況，對(duì)抗滑樁的樁長與截面形狀進(jìn)行優(yōu)化。

探究抗滑樁樁長優(yōu)化(即縮短樁長后不影響加固效果)時(shí)，選取原冠梁以下10 m左側(cè)樁身作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，把樁長設(shè)為變量后，模擬基坑開挖的全過程(每層開挖2 m直至隧底，如圖13所示)，并以開挖過程中的測(cè)點(diǎn)總位移進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，具體過程如下：

圖13 開挖全過程模擬Fig.13 Whole process simulation of excavation

(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開挖過程的模擬

(2)樁長變量的選取

按一般經(jīng)驗(yàn)來說，抗滑樁在軟巖滑床中的錨固長度為設(shè)計(jì)長度的1/3，即6.67 m，而原設(shè)計(jì)中樁的錨固長度為8.55 m。因此，便可將多出長度進(jìn)行劃分，設(shè)為變量，如圖14所示。

圖14 樁長變量示意圖Fig.14 Pile length variable diagram

(3)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

將不同樁長的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表6。

表6 不同樁長下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)開挖總位移(單位：m)Tab.6 Total excavation displacements of monitoring points with different pile lengths(unit: m)

可以看出，當(dāng)開挖過程到4，即基坑開挖到8 m及以下時(shí)，樁身越長位移越大，加固效果越差。當(dāng)錨固長度在經(jīng)驗(yàn)取值范圍內(nèi)時(shí)，其平均位移最低，而當(dāng)超過范圍時(shí)，平均位移隨著樁長的增加而增加，這表明出相較于原設(shè)計(jì)8.55 m，經(jīng)驗(yàn)取值長度6.67 m更加合理。

在保證樁間距不變的情況下進(jìn)行等截面積換算，原設(shè)計(jì)直徑1 m的圓樁可改換成寬約0.785 m、長1 m的矩型樁。同樣選取原冠梁以下10 m左側(cè)樁身作為觀測(cè)點(diǎn)，模擬開挖全過程中樁體總位移，并對(duì)圓樁與矩型樁的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，開挖總位移數(shù)據(jù)見表7。

表7 不同截面形狀下監(jiān)測(cè)點(diǎn)開挖總位移(單位：m)Tab.7 Total excavation displacements of monitoring points with different section shapes(unit: m)

可以看出，矩形截面相較于圓形截面加固效果略有提升，但總體上卻沒有呈現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)，甚至在實(shí)際工程中可能對(duì)加固效果都沒有影響。然而，隨著開挖深度的增加，矩形截面的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，表明在深基坑開挖時(shí)矩型樁更有優(yōu)勢(shì)。因此，在圓樁與矩型樁建設(shè)成本相同的情況下，可以優(yōu)先考慮矩型樁；而在圓樁成本低于甚至略低于矩型樁時(shí)，也可優(yōu)先選擇圓樁。而針對(duì)本次工程，塌方時(shí)滑面不確定且圓樁、矩型樁性能相似，所以選用圓樁是合理的。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得出隧道塌方產(chǎn)生的主要原因?yàn)閲鷰r軟弱與施工放熱引起凍土消融導(dǎo)致的圍巖劣化，提出了隧道采用明挖法施工及抗滑樁+冠梁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的處治方案。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明：①在增設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，周圍土體的變形得到了有效控制，最大變形量僅為0.309 m。②變更施工方法后，YK54+709斷面初期支護(hù)頂部最大沉降量約為0.008 9 m，拱腰處收斂約為0.003 m，拱腳處收斂為0.003 1 m，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。③初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的最大拉應(yīng)力位于拱頂，為1.61 MPa；最大壓應(yīng)力位于拱腰處，為2.75 MPa。計(jì)算值皆小于極限標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，未被破壞,驗(yàn)證了抗滑樁+冠梁圍護(hù)結(jié)構(gòu)處治方案的可行性。

(3)對(duì)變更后的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)顯示無論沉降變形還是收斂變形都滿足正常施工的要求，表明抗滑樁+冠梁方案在實(shí)際工程能解決淺埋凍土隧道的施工塌方冒頂及支護(hù)變形較大的問題。

(4)對(duì)工程進(jìn)行優(yōu)化探討后得出，按經(jīng)驗(yàn)取值(即樁長縮短1.88 m)性價(jià)比更高，圓樁比矩型樁效果更好。