下穿隧道施工對高邊坡抗滑樁內力影響研究*

肖洪波,付 雄,楊果林,徐明煌,劉冬東,邱明明

(1.中建五局土木工程有限公司,湖南 長沙 410004; 2.中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075; 3.延安大學建筑工程學院,陜西 延安 716000)

0 引言

目前我國隧道工程的選址原則逐漸由地質選址向規劃選址轉變[1]。當規劃選址上需穿越高山時,常將隧道修建在山體邊坡內,而這些邊坡常常會伴隨著隧道施工發生變形、開裂等病害。因此,為保證隧道開挖安全,需先對邊坡進行支擋處理,抗滑樁在隧道下穿邊坡支擋中得到廣泛應用。

國內外許多學者對抗滑樁支護邊坡進行了研究,高虎軍等[2]運用數值模擬軟件模擬隧道進洞,用豎向z方向位移、縱向y方向位移(沿隧道方向)2個指標分析了隧道開挖過程中抗滑樁的變形情況。呂敬富等[3]采用數值模擬軟件研究了隧道開挖過程中抗滑樁支護參數對支護效果的影響,通過抗滑樁樁頂位移及最大應力值2個指標確定了抗滑樁的最優埋深。王雄[4]通過模擬分析滑坡在施作抗滑樁后坡體的變形情況及隧道結構和抗滑樁的受力、變形特征,得知施加抗滑樁后,從根本上改變了隧道的受力模式。趙志剛等[5]采用數值軟件FLAC3D模擬滑坡施作抗滑樁后,隧道開挖、支護施工過程中坡體穩定性及隧道支護結構狀態,結論指出,支擋的存在會使隧道施工開挖過程中對滑坡體的擾動顯著減小,隧道開挖過程是抗滑樁支護效應發揮的過程。王旭[6]運用數值模擬方法研究了抗滑樁與隧道結構的間距對隧道與滑面相對位置關系變化的敏感性,分別得出了隧道位于滑面上方、隧道與滑面相交、隧道位于滑面下方這3種工況下的最佳樁隧間距。

岳煥闖[7]設計了抗滑樁加固“隧道-滑坡”正交體系的模型試驗,表明抗滑樁能有效截斷來自樁后的滑坡推力,使隧道結構受到的滑坡推力減小。周宋南[8]認為,樁隧間距是影響抗滑樁發揮作用的關鍵參數之一,間距過小時抗滑樁會擠壓隧道并使作用在隧道襯砌結構上的滑坡推力增大,間距過大時抗滑樁與隧道間的土可能會因為發生相對滑動而形成二次滑坡。艾揮等[9]通過建立模型試驗,研究了降雨及不同樁隧間距對隧道-滑坡正交體系穩定性能的影響,根據樁頂水平位移的變化得出較小的樁隧間距不利于邊坡穩定的結論。

綜上所述,已有的關于抗滑樁的研究多采用數值模擬的方法來研究不同樁隧間距、樁中心間距、樁位置等參數下邊坡的穩定性。在使用抗滑樁支擋邊坡后,隧道下穿隧道施工期間抗滑樁力學響應特性的現場試驗研究較少。本文結合夏鵑路隧道工程,采用現場監測方式對抗滑樁在開挖擾動過程中的受力特性及其變化進行分析研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

本項目位于長沙市梅溪湖國際新城二期規劃區域中軸線處,呈南北走向,北起雪松路,南至梅溪湖西延線,全長2 988m。夏鵑路隧道工程與夏鵑路道路工程銜接,隧道長約320m(其中暗埋段長約280m)。隧道所處地理位置如圖1所示。

圖1 項目布置

本研究依托本隧道工程K2+330—K2+440深挖路塹邊坡段,總長110m,為初期施工開挖后在東人非洞路線上部形成的高40m左右的巖質高邊坡。高邊坡尺寸如圖2所示。

圖2 高邊坡示意

該深挖路塹邊坡主要加固措施為上部清方減載,坡面采用錨桿(索)加固,坡腳設立抗滑樁、樁頂冠梁等支擋措施。坡腳支擋工程完工后,再進行邊坡下穿隧道施工,在隧道施工時,東人非隧道于3月施工至K2+341處暫停施工,于9月從另一面相向施工至K2+341處。

1.2 水文地質概況

擬建隧道位于長沙市湘江新區雷鋒鎮橋頭鋪村境內,抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度值為0.05g,設計地震分組為第一組。隧道場地整體地形呈南高北低,隧道區附近海拔在55.000～115.000m,相對高差60m,地形坡度35°～55°;地貌單元屬剝蝕丘陵與山間洼地的過渡區域;屬于長沙地區,具有四季分明、溫暖潮濕、雨量充沛、嚴寒期短等特點。常年主導風向為東南風,每年5—9月為雨季,其降雨量約占全年的80%,對路線建設及營運有不利影響。場地內地下水較豐富,測得隧道段穩定水位標高在48.550～70.660m,基本高于擬建隧道設計路面標高。

根據地質勘察報告,K2+330—K2+440深挖路塹段范圍內按地質特征主要劃分為5個工程地質單元層,自上而下如表1所示。

表1 各巖(土)層分布情況

1.3 邊坡加固概況

在施工前期由穩定性分析可知,該邊坡處于欠穩定狀態,邊坡有失穩可能,故采取坡面防護和坡腳加固共同進行防護。坡面防護選取施工更為靈活的預應力錨索墩、錨噴掛網防護及噴混植生防護。由于樁后緊鄰隧道,不便于施工預應力錨索抗滑樁,故邊坡坡腳采用普通抗滑樁加固。抗滑樁類型為機械成孔的圓形抗滑樁,自上而下依次穿過植物層、粉質黏土、強風化泥質板巖、中風化泥質板巖,抗滑樁分布如圖3所示。

圖3 邊坡防護及抗滑樁分布

2 現場試驗方案

目前工程上大多數抗滑樁的設計是在多種假設條件下完成,且在工作過程中又受到地質條件、樁自身特性等眾多因素的影響,故只有通過現場監測才能較真實、準確地對其進行評價[10]。為探明高邊坡抗滑樁在隧道施工過程中的力學變化特性及在施工過程中保證安全施工,開展了現場監測試驗。

所監測抗滑樁為從現場施工中選擇的3根,通過測定樁身的應力、應變及樁后土壓力來探究其受施工的影響情況,整個監測過程持續近1年。

2.1 監測系統

在試驗段,根據抗滑樁結構受力特性,構建了抗滑樁現場應力、變形綜合監測體系,該體系由抗滑樁樁后土壓力計、樁身鋼筋應力計與混凝土應變計組成的內力監測系統構成。3根抗滑樁監測內容包括以下內容:①監測并分析施工期內及工后抗滑樁的內力變化,包括主筋應力、混凝土應變等;②監測并分析施工期內抗滑樁樁后土壓力的大小、變化與分布。

為方便后續分析,在此定義這3根樁為1,6,11號,中心樁號分別為K2+331,K2+351,K2+371。現場所使用的元器件如表2所示。

表2 現場監測儀器型號

2.2 監測方案

圖5中,BG,BH,BT分別代表鋼筋應力計、混凝土應變計、土壓力盒。鋼筋應力計、混凝土應變計在樁前、樁后均有布置,土壓力盒僅布置在樁后。1,6,11號樁的位置如圖4所示,元器件布置如圖5所示,監測頻率如表3所示。

表3 監測頻率

圖4 樁位示意

圖5 樁上元器件布置

3 現場監測試驗結果分析

隧道開挖會對抗滑樁產生影響,本節根據其現場數據,就隧道開挖對抗滑樁的擾動程度和擾動范圍,樁身內力受隧道開挖變化情況,樁身側土壓力施工影響變化情況展開分析。

3.1 隧道施工過程中抗滑樁應力、應變發展變化情況

3.1.11號樁受施工影響的應力、應變變化

1號樁(K2+331)迎坡側、背坡側的鋼筋應力及混凝土應變時程曲線如圖6,7所示。其中,隧道施工影響期為3月8日至4月6日,9月2—29日;關鍵工況為東人非洞施工和左洞施工,具體關鍵工況劃分如下:A表示抗滑樁混凝土澆筑后穩定階段;B表示東人非隧道施工階段隧道掌子面距1號樁20m,到過1號樁10m;C表示緩慢發展期;D表示左洞上臺階施工(K2+341—K2+320);E表示左車行洞中下臺階施工(K2+324—K2+342),左洞進口端掌子面距1號樁7m,到過1號樁11m;F表示東人非隧道施工(K2+372—K2+341);G表示趨穩期。

圖6 1號樁迎坡與背坡側應力時程曲線

圖7 1號樁迎坡與背坡側應變時程曲線

1)抗滑樁澆筑混凝土穩定后至東人非隧道掌子面距1號樁20m(A工況階段) 在此階段,迎坡側各監測斷面上應力和應變變化都較小,背坡側各監測斷面上應力和應變變化也較小。這是因為隧道施工中存在空間效應[11-12],即隧道施工會對掌子面前方一定范圍內圍巖產生擾動,空間效應的影響范圍為1～3倍洞徑[13],此時樁還未處于其范圍內。

2)東人非隧道掌子面距1號樁20m至過樁10m(B工況階段) 在此階段,擾動明顯,迎坡側應力和應變數值呈先增大后減小趨勢,即受拉增強后再減弱;背坡側應力和應變數值呈先減小后增大趨勢,即受壓增強后減弱。這是因為進行開挖時,掏空一部分土使得原土體下部缺失,導致集中土壓力上移,使得迎坡側受拉加強,背坡側受壓加強。而進行初襯后,其代替了原土體的支承作用,使得集中土壓力下移恢復,迎坡側受拉減弱,背坡側受壓減弱。從受彎角度來看,初襯前加大了受彎程度,初襯后緩解了受彎程度。

3)東人非隧道過樁10m后暫停施工至左洞進口端掌子面距1號樁7m,到過1號樁11m(C,D,E工況階段) 在C階段,迎坡側和背坡側應力與應變皆呈現臺階式變化規律,且變化趨勢一致,故此時抗滑樁受力分布不變,只是受力大小變化,這可能是由于土體沉積所引起。而到達D,E階段,即當左洞上臺階、左洞中下臺階施工到1號樁時,迎坡側應力和應變數值減小,背坡側應力和應變數值增大,這是因為左車行洞的施工在樁的背坡側提供了外力,其水平分力可與迎坡側的土壓力平衡一部分,減小樁身受彎程度,故迎坡側受拉減輕,數值減小,而背坡側直接承受豎向分力,受壓增大,應力、應變數值也減小。隨著左洞的遠離,應力和應變變化速率逐漸趨穩,其值保持在較低狀態。

4)東人非隧道從出口端施工至距樁10m(F工況階段) 在此階段的后半部分,由于東人非隧道施工至抗滑樁20m之內,在此距離內施工,將洞中土體掏出,而后進行初襯支護,故迎坡側應力和應變數值呈現先增大后減小趨勢;背坡側應力和應變數值呈現先減小后增大趨勢,與前文所述B階段變化特征相互印證。但由于施工位置距1號樁有一定距離,故迎坡側與背坡側應力、應變變化相比于前期施工時東人非隧道從進口端施工至距樁10m時要小。在應力和應變變化之后,與變化前的應力數值接近,這是由于隨著長時間的圍巖發展,東人非隧道與圍巖間的應力重分布已基本完成,故開挖后立即初襯支承,其狀態與開挖前相近。

5)趨穩期(G工況階段) 在此階段,隧道開挖至遠離樁,其擾動對抗滑樁的應力、應變已基本無影響,且圍巖已在前期東人非隧道開挖后幾個月已趨于穩定,所以此趨穩期應力基本無變化。故對抗滑樁和該處圍巖土壓力的主要影響區在樁前后20m,10m內施工引起的變化幅度相對較大。

3.1.26號樁受施工影響的應力、應變變化

6號樁(K2+351)迎坡側、背坡側的鋼筋應力及混凝土應變時程曲線如圖8,9所示。具體關鍵工況劃分如下:A表示抗滑樁混凝土澆筑后穩定階段至左車行洞施工(K2+380—K2+360),此階段末隧道掌子面距6號樁9m;B表示左車行洞施工隧道掌子面從距6號樁9m到過樁11m,東人非隧道施工后向至隧道掌子面距6號樁21m;C表示東人非隧道施工(K2+372—K2+341),隧道掌子面距6號樁21m到過樁10m;D表示趨穩期,此時東人非隧道及左車行洞皆已完工。

圖8 6號樁迎坡與背坡側主筋應力時程曲線

圖9 6號樁迎坡與背坡側混凝土應變時程曲線

1)抗滑樁澆筑混凝土穩定后至左車行洞距6號樁9m(A工況階段) 在此階段,樁還未處在隧道施工影響范圍內,迎坡側和背坡側各監測斷面上應力、應變變化皆較平緩,無明顯突變,此階段主要為圍巖發展階段。

2)左車行洞距6號樁9m至過樁11m(B工況階段) 在此階段,左車行洞進行立架和噴射混凝土,給樁背坡側提供一個水平力和豎向力,水平力與迎坡側土壓力平衡一部分,使得抗滑樁所受彎矩減小,故迎坡側應力和應變數值減小,而背坡側直接承受豎向力,受壓增大,應力、應變數值也減小。

3)東人非隧道距6號樁21m至過樁10m(C工況階段) 在此階段,迎坡側應力和應變數值呈現先增大后減小趨勢,背坡側應力和應變呈現先減小后增大趨勢,這是由于東人非隧道開挖導致集中土壓力上移,待隧道初襯后又下移,引起其彎矩和內力變化。

4)趨穩期(D工況階段) 在此階段,隧道開挖至遠離樁,其擾動對抗滑樁的應力、應變已基本無影響。但在施工完成后,土體圍巖進行沉積,土壓力整體增大,樁身受拉、受壓均增強,在數值方面表現為,拉應力數值增大,壓應力數值減小。

3.1.311號樁受施工影響的應力、應變變化

11號樁(K2+371)迎坡側、背坡側的鋼筋應力及混凝土應變時程曲線如圖10,11所示。具體關鍵工況劃分如下:A表示抗滑樁混凝土澆筑后穩定階段至緩慢發展期;B表示左車行洞施工隧道掌子面距11號樁9m,到過11號樁11m;C表示隧道交叉施工影響期,其中左車行洞施工隧道掌子面距11號樁23m,到距11號樁11m,東人非隧道施工隧道掌子面距11號樁13m到過11號樁17m;D表示趨穩期,此時東人非隧道及左車行洞皆已完工。

圖10 11號樁迎坡與背坡側主筋應力時程曲線

圖11 11號樁迎坡與背坡側應變時程曲線

1)抗滑樁澆筑混凝土穩定后至緩慢發展期(A工況階段) 在此階段,樁還未處在隧道施工影響范圍內,迎坡側和背坡側各監測斷面上應力、應變變化皆較平緩,無明顯突變,各應力和應變呈絕對值增大趨勢,即圍巖穩定導致的土壓力增強,其趨勢保持一致,此階段主要為圍巖發展階段,在數值方面表現為,拉應力數值增大,壓應力數值減小。

2)左車行洞距11號樁9m至過樁11m(B工況階段) 在此階段,左車行洞在樁處進行立架澆筑混凝土,其會導致樁身臨空側得到一個斜向下的力,分解為豎向力和水平力。水平力與迎坡側土壓力平衡一部分,使得抗滑樁所受彎矩減小,故迎坡側受拉程度減小,應力和應變數值減小,而背坡側直接承受豎向力,受壓增大,應力、應變數值也減小。

3)隧道交叉施工影響期(C工況階段) 在此階段,由于東人非隧道開挖,導致集中土壓力上移,待隧道初襯后集中土壓力又下移,故引起其彎矩和內力變化,迎坡側應力和應變數值呈現先增大后減小趨勢,背坡側應力和應變呈現先減小后增大趨勢。這是由于在施工完成后,土體圍巖進行沉積,土壓力整體增大,樁身受拉、受壓均增強,在數值方面表現為,拉應力數值增大,壓應力數值減小。

4)趨穩期(D工況階段) 在此階段,隧道開挖至遠離樁,其擾動對抗滑樁的應力、應變已基本無影響。但在施工完成后,樁身受拉、受壓均增強,這是由于在施工完成后,土體圍巖進行沉積,土壓力整體增大,樁身受拉、受壓均增強,在數值方面表現為,拉應力數值增大,壓應力數值減小。

綜合3根抗滑樁的數據變化情況可知,當隧道掌子面距樁2倍洞徑到過樁2倍洞徑時,隧道開挖對樁身的應力、應變產生影響較大,且在此區域內進行開挖時,對土體擾動較大,無論前期是否進行長時間圍巖穩定,后續都會進行重新穩定,使其受拉、受壓都增強。

此外,邊坡下隧道開挖及背坡側明洞施工分別會對抗滑樁內力產生一定影響,根據3根抗滑樁數據變化來看,邊坡下隧道施工會影響土壓力分布,從而加大受彎程度,但初襯后便會減輕。當施工至2倍洞徑后,其影響輕微,故在高邊坡下施工時,應注意對在抗滑樁前后2倍洞徑施工,且隧道開挖至初襯前這一階段的抗滑樁進行密切安全監測。

當抗滑樁背坡側有明洞施工時,其對于抗滑樁的受力來說起到積極作用,因為其相對于臨空來說,額外提供了一個水平向的力與部分土壓力平衡,使抗滑樁的彎曲程度降低,提高了抗滑樁的抗彎能力冗余度。

同時,對比3根抗滑樁的東人非隧道開挖來看,無論是前期開挖還是后期開挖,在進行開挖后都會存在一段趨穩期,且趨勢一致,所以保證高邊坡穩定的前提下,前期和后期進行東人非隧道開挖對抗滑樁的最終分布影響不大。

3.2 抗滑樁樁后側土壓力變化情況

根據樁側土壓力變化可分析其側土壓力對內力變化產生的影響,可更為準確地得出抗滑樁變化的受力因素。同時,在施工現場及時測得其側土壓力及土壓力變化規律能更好地對施工過程中遇到的問題進行處理。1號樁迎坡側土壓力時程曲線如圖12所示。

圖12 1號樁迎坡側土壓力時程曲線

由圖12可看出,在隧道施工至抗滑樁擾動范圍內前,土壓力呈增大趨勢,這是由于其上方土體的沉積及土體與抗滑樁的接觸增強導致,此時土壓力最大,故在此階段要密切關注其土壓力,及時采取措施,以保證施工后安全。

隨著東人非隧道施工至擾動范圍內,樁后土壓力沿深度呈現不同變化,上部呈現先增大后減小趨勢,下部則呈現先減小后增大趨勢。這是因為東人非隧道開挖造成樁后巖土體集中土壓力上移,這也是導致其樁身迎坡側不少截面從受壓轉向受拉的原因。當施加初期支護后,樁后的卸載區域有了支撐,土壓力略有增加,集中土壓力恢復下移。

在左車行洞施工影響期,對迎坡側樁后影響較小,但從前述其監測斷面應力變化來看,左車行洞施工對其背坡側應力變化影響較大,會增大背坡側的土壓力。這是由左車行洞的堆載、卸載和鋼拱架荷載引起。

4 結語

1)高邊坡下穿隧道施工會使其支擋結構抗滑樁各截面應力產生較大影響,且當隧道掌子面施工至距樁2倍洞徑到過樁2倍洞徑時影響最大。類似工程進行隧道施工時,在開挖至距樁2倍洞徑時,應密切關注抗滑樁的內力變化,以保證其邊坡穩定。

2)高邊坡下穿隧道施工開挖,集中土壓力作用點產生上移后再下移趨勢,使抗滑樁樁身呈現受彎先增強后減弱現象,故在受彎增強時,應注意進行抗滑樁的密切監測,以確保抗滑樁的安全性和有效性。

3)高邊坡下穿隧道且在抗滑樁背坡側有明洞施工時,其明洞施工產生的力會減輕抗滑樁的受彎程度,大大增加抗滑樁的抗彎能力冗余度。

4)抗滑樁迎坡側樁側土壓力最大值出現在施工前,施工前加強對其土壓力的監測,能更好地保證其施工安全;在隧道開挖時,符合沿深度各截面土壓力變化的規律,即集中土壓力先上移后下移,與其內力變化相互印證。

5)樁兩側進行隧道施工皆會影響樁側土壓力分布,故若兩端都有隧道施工,兩端應都布置土壓力盒,以得到更為準確、全面的數據,對抗滑樁兩側的土壓力變化及施工時的內力變化特征進行更全面準確的分析。