山嶺隧道樁拱式明洞洞口段開挖變形分析

文＿方 鵬 （廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，專任教師，講師、工程師，碩士）

蘇 芳 （廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，高級工程師）

山嶺隧道洞口段作為整個(gè)隧道施工的第一道工序，設(shè)計(jì)加固方式和施工方案影響工程整體的施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)效益。大多數(shù)隧道洞口段地質(zhì)條件復(fù)雜、斷面面積大，開挖跨度和施工難度高，當(dāng)采用暗挖法進(jìn)洞難度較大時(shí)，可考慮采用接長明洞的方式進(jìn)洞。當(dāng)隧道洞口段接長了明洞，并且在洞頂完成回填土施工后，則可以有效地避免洞口出現(xiàn)高、陡邊坡，以此保證邊仰坡的穩(wěn)定。樁拱式明洞則是一種適用于山嶺隧道洞口段軟弱地層，且符合減少洞口段開挖土體量要求的高空間利用率新型明洞結(jié)構(gòu)。樁拱式明洞結(jié)構(gòu)主要由“鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+頂拱結(jié)構(gòu)”三部分組成，圖1為樁拱式明洞結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)前，樁拱式明洞作為一種比較新式的明挖構(gòu)造，國內(nèi)外對其主要構(gòu)件的力學(xué)特性和施工受力轉(zhuǎn)換過程認(rèn)識相對較淺，張明聚等人分析了基于PBA工法的地下洞室施工變形風(fēng)險(xiǎn)，王玉鎖、周良、李正輝等人分析了落石沖擊下單壓式拱形明洞的力學(xué)響應(yīng)及回填方式，李智鵬、姚玉相分別采用時(shí)間效應(yīng)和離散單元法對明洞的力學(xué)性能進(jìn)行分析。但是還缺少結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際開挖監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行對比的分析，缺少相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，山嶺隧道樁拱式明洞洞口段開挖變形特征也缺少系統(tǒng)性的研究，因此，分析樁拱式明洞結(jié)構(gòu)的施工過程性能及變形特征顯得尤為重要。

圖1 樁拱式明洞結(jié)構(gòu)示意圖

一、工程概況

廣西某隧道所處位置較為復(fù)雜，地形環(huán)境高低起伏，周圍遍布高山與丘陵，山體全長及局部埋深均較大，洞口明洞段至明暗挖分界段主要處于粉質(zhì)黏土、粗角礫土及碎石土中，由于此處埋深較淺且地質(zhì)條件較差，進(jìn)口位置山勢陡峭，有大小為10°～25°的縱向自然坡度及5°～45°的橫向自然坡度，局部存在著極為陡峭的山崖，植被覆蓋率約60%。該隧道進(jìn)口段項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用了樁拱式大跨度明挖結(jié)構(gòu)，借助FLAC3D模擬軟件完成對樁拱式明洞與隧道洞口段三維空間結(jié)構(gòu)等模型的構(gòu)建，本文重點(diǎn)對其關(guān)鍵部位展開施工力學(xué)性能及開挖變形特征分析。

二、數(shù)值模擬

FLAC是由美國ITASCA公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，也是一種廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域的國際通用專業(yè)分析軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和廣泛的模擬能力，尤其在處理變形問題方面具有較多獨(dú)特優(yōu)勢。其以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為處理對象，可借助拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法對對象展開精確分析，還能夠細(xì)致地完成巖土等材料的三維力學(xué)行為研究。與離散元相比，F(xiàn)LAC軟件具有與其相似的算法及基本原理，但對于結(jié)點(diǎn)位移連續(xù)來說，以其變形連續(xù)介質(zhì)為處理對象顯得更有優(yōu)勢，可以進(jìn)行較為精確的分析。因此，本文在對樁拱式明洞結(jié)構(gòu)的研究過程中，參考大量高速公路隧道明洞回填設(shè)計(jì)與分析，并結(jié)合地鐵車站洞樁法施工變形和結(jié)構(gòu)受力分析的研究成果，對已有重點(diǎn)和其動(dòng)態(tài)施工狀態(tài)進(jìn)行分析，借助FLAC3D有限差分軟件對其展開數(shù)值模擬，并與實(shí)際開挖變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

（一）明洞結(jié)構(gòu)形式比選

圖2是常規(guī)明洞與樁拱式明洞兩種結(jié)構(gòu)形式的明洞回填土對比示意圖，分別用不同圖例進(jìn)行表示。若以常規(guī)拱式明洞為研究對象，則可通過對兩種圖例的面積進(jìn)行求和來算取開挖部分的面積；若以常規(guī)明洞部分為參照，則樁拱式明洞具有更大的圖形面積，大約為常規(guī)明洞面積的1.50倍。因此，樁拱式明洞可實(shí)現(xiàn)對填土方量的有效控制，使其僅需前者50%的填土方量。一般在修建樁拱式明洞的過程中，較少出現(xiàn)需要修筑高邊坡的情況，在常規(guī)明洞高邊坡施工過程中，保障安全的臨時(shí)支護(hù)工程量較大，在填土完成后，還需要完成明洞支護(hù)的修建。對于樁拱式明洞來說，在施工、運(yùn)營等階段中，鋼筋混凝土支撐與鉆孔灌注樁的作用均能得到極大發(fā)揮，能夠作為永久支護(hù)，它們屬于明洞結(jié)構(gòu)的重要組成部分，可使其安全性得到顯著提升。對兩種明洞對比分析結(jié)果的研究可發(fā)現(xiàn)，樁拱式明洞具有更小的洞口開挖量，可實(shí)現(xiàn)對施工及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)的有效控制，另外因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單、施工快，可大幅降低施工成本。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)形式明洞回填土比較示意圖

（二）施工工序

山嶺隧道洞口段是整個(gè)隧道修建的關(guān)鍵部位，應(yīng)做好充分的施工準(zhǔn)備，施工方案、工序部署也較為重要。在該隧道進(jìn)口段位置，結(jié)合圍巖及地質(zhì)特點(diǎn)、環(huán)境保護(hù)、邊坡支護(hù)及開挖土石方量等內(nèi)容對樁拱式明洞展開分析，根據(jù)分析結(jié)果制訂施工方案，以便合理地選擇施工方式與洞口結(jié)構(gòu)形式。以樁拱式明洞為研究對象，借助數(shù)值模擬法對其施工過程展開深入研究，重點(diǎn)研究其變形規(guī)律。本文以混凝土橫撐與拱頂為研究對象，在尚未完成填土?xí)r，以土壓力理論為依據(jù)，借助類似明洞分析經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，利用FLAC3D模擬來對兩者的變形與受力特性進(jìn)行研究。

1.常規(guī)拱式明洞施工流程

（1）土方開挖結(jié)束后，可立即設(shè)置圍擋，采用常規(guī)1∶1比例完成對坡度的設(shè)置，放坡開挖結(jié)束之后，需使其位置處在仰拱標(biāo)高處。

（2）準(zhǔn)備工作就緒后，進(jìn)行仰拱及邊墻的設(shè)計(jì)。

（3）進(jìn)行上部拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對拱頂兩側(cè)進(jìn)行回填處理。

（4）待拱圈混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行墻背防水處理，完成墻背回填覆土及邊坡支撐防護(hù)。

2.樁拱式明洞的施工流程

（1）土方開挖結(jié)束后，對圍擋進(jìn)行設(shè)置，以1∶1比例完成坡度設(shè)置，在放坡開挖結(jié)束之后，需使其位置處在仰拱標(biāo)高處。

（2）開始鉆孔灌注樁、冠梁施工及預(yù)應(yīng)力混凝土支撐作業(yè)。

（3）分層分段進(jìn)行基坑開挖，基坑底達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后停止開挖，在灌注樁間進(jìn)行掛鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土施工。

（4）按照施工方案中的特定工序進(jìn)行底板與側(cè)墻的施工，完成預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的張拉施工，再進(jìn)行拱頂防水處理，在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求之后，完成覆土回填，最后以邊坡為處理對象，完成防護(hù)施工。

通過對兩者施工工序流程的對比分析可知，不同于常規(guī)拱式明洞，樁拱式明洞的施工工序更復(fù)雜；而從整體角度展開分析時(shí)，兩者施工難度均較低，但樁拱式明洞的安全性更高。

（三）樁拱式明洞結(jié)構(gòu)模型建立

在對支護(hù)樁變形規(guī)律的研究過程中，以每延米明洞為處理對象，即將其作為相應(yīng)的平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理，同時(shí)應(yīng)考慮基坑開挖的空間效應(yīng)。樁拱式明洞施工過程中設(shè)置的支護(hù)樁無論是在施工期還是在后續(xù)運(yùn)營過程中，均能夠發(fā)揮永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。在對施工過程進(jìn)行模擬時(shí)，應(yīng)采用數(shù)值模擬的方式以得到更為精確的結(jié)果，以確保樁拱式明洞運(yùn)營過程中的安全性。

1.物理力學(xué)參數(shù)

（1）材料的模擬。對混凝土結(jié)構(gòu)的模擬處理。在隧道混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土拱頂與橫撐結(jié)構(gòu)相連接，鋼筋被混凝土包裹，兩者通過相互配合來受力，存在著復(fù)雜的聯(lián)系。在建模處理時(shí)，需要注意其耦合性；在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，需要利用等效原則，以鋼筋彈性模量為處理對象，在完成對其的折算支護(hù)后，才能夠顯著提升混凝土彈性模量。

對支護(hù)樁力學(xué)模型的處理。在對實(shí)際工程進(jìn)行模擬時(shí)，如需建立支護(hù)樁模型，則勢必會(huì)加大建模的復(fù)雜性。在施工過程中，由于支護(hù)樁間的間距較小，研究表明其與地下連續(xù)墻的受力情況極為相似，可用近似的方法來完成對其的處理，對模型中的支護(hù)樁進(jìn)行簡化。

對冠梁的處理。在實(shí)際工程中，需要考慮支護(hù)樁、混凝土橫撐及頂拱等部位的連接，通常可采取加寬的方式來對冠梁進(jìn)行處理，雖然其橫截面與標(biāo)準(zhǔn)矩形截面存在一定差距，但在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，可用標(biāo)準(zhǔn)矩形截面來代替，計(jì)算結(jié)果不會(huì)受到影響。

（2）對材料參數(shù)進(jìn)行確定。因?yàn)閷?shí)際地層具有較為復(fù)雜的分層，在計(jì)算過程中，當(dāng)?shù)貙泳哂邢嗨频牡刭|(zhì)條件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行合并處理。合并處理之后的土層具有三層結(jié)構(gòu)，可結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)與地勘資料為依據(jù)進(jìn)行資料選取，表1為土層所具有的主要參數(shù)。

表1 主要地層參數(shù)

以支護(hù)材料為計(jì)算對象，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

2.數(shù)值計(jì)算模型

為了得到精確的計(jì)算結(jié)果，需要合理選取模型尺寸，現(xiàn)對樁拱式明洞周圍的土體展開深入分析，對影響模型計(jì)算效率與結(jié)果的因素進(jìn)行研究。根據(jù)已有數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，若將影響范圍設(shè)置為3～5倍洞體最大尺寸時(shí)，對模型的影響幾乎可忽略。以明洞的實(shí)際幾何尺寸為依據(jù)，通過對現(xiàn)場地形地貌的細(xì)致分析選取模型尺寸，最終確定其深度與寬度分別為100m和200m。對于整個(gè)模型而言，其縱向深度與實(shí)際長度相近，實(shí)際長度為14.60m，可對其模型縱向深度進(jìn)行取整處理，即取值為15m。在對網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，需確保明洞結(jié)構(gòu)附近區(qū)域網(wǎng)格較為密集，遠(yuǎn)處網(wǎng)格較為稀疏，才可實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)格的有效控制，得到較為精確的分析結(jié)果。以計(jì)算模型的尺寸為依據(jù)，共完成了對28764個(gè)節(jié)點(diǎn)及25940個(gè)單元的剖分。圖3為網(wǎng)格劃分與模型尺寸圖，本模型通過對相關(guān)參數(shù)的合理運(yùn)用獲取較為精確的計(jì)算結(jié)果，圖4是結(jié)構(gòu)模型簡圖。

圖3 樁拱式明洞模型

圖4 結(jié)構(gòu)模型簡圖

三、模擬計(jì)算變形分析

無論是基坑開挖，施作頂拱，還是回填覆土等過程，均會(huì)對支護(hù)樁受力與位移產(chǎn)生影響。因此，本次模擬重點(diǎn)分析了上述三個(gè)過程，圖5至圖7分別展示了不同階段對基坑水平與豎向變形的影響。

圖5 基坑開挖后基坑變形云圖 （單位：m）

通過對圖5至圖7的變形云圖分析，在對支護(hù)樁的施工過程中，其橫向與豎向等變形均處于逐漸增加狀態(tài)。若以基坑為參照物，各個(gè)階段的最大水平位移均處在其下方的三分之一處。從整體角度來看，總體位移量均相對較小，這是因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的剛度相對較大，且填土高度較矮。在對基坑的開挖過程中，左右兩側(cè)均具有大小為0.25mm的豎向位移，但左側(cè)位移較小。左側(cè)及右側(cè)分別具有1.59mm和1.69mm的最大水平位移。

通過對圖6的觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，在拱頂施工完成后，在拱頂重力的影響下，基坑的橫向與縱向等變形均出現(xiàn)大幅度增加。左側(cè)及右側(cè)分別具有2.91mm及2.75mm的豎向位移，經(jīng)過時(shí)間變化之后，最終左右兩側(cè)的最大水平位移分別達(dá)到1.69mm及1.83mm。

圖6 施作拱頂后基坑變形云圖 （單位：m）

通過對圖7的觀察分析發(fā)現(xiàn)，在完成覆土回填后，因回填土的自身重力會(huì)對基坑豎向變形造成較大影響，基坑位移處于不斷增加的狀態(tài)，支護(hù)樁豎向變形發(fā)生了較為顯著的變化，左右兩側(cè)分別發(fā)生了11mm及12mm的最大豎向位移和2mm及2.50mm的最大水平位移。在上述施工階段之中，與左側(cè)相比，右側(cè)具有更大的豎向與水平位移，主要是因?yàn)橛覀?cè)的回填土與邊坡高度更高，從而產(chǎn)生更大的土壓力載荷，但因左右高度差較小，故兩側(cè)變形相差極小。從整體角度來看，以支護(hù)樁的三個(gè)施工階段為研究對象，通過觀察其水平位移云圖會(huì)發(fā)現(xiàn)，支護(hù)樁具有近似“弓”形的橫向變形，在深厚的軟土地層之中，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度較小時(shí)，極易導(dǎo)致該變形曲線的出現(xiàn)，過去部分學(xué)者在研究過程中，將其定義為“大肚子”型破壞模式。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)灌注樁時(shí)，通過對比模擬數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，證明其嵌固深度大約為5m時(shí)，能夠滿足該變形規(guī)律的相關(guān)要求。

圖7 回填覆土后基坑變形云圖 （單位：m）

四、結(jié)語

樁拱式明洞能夠適用于軟弱圍巖及復(fù)雜地質(zhì)隧道等特殊環(huán)境，是一種可以有效減少洞口段土巖開挖工作量、最大限度利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)、保證施工和運(yùn)營安全的明洞結(jié)構(gòu)。隨著施工的進(jìn)行，基坑底部及樁拱式明洞圍護(hù)樁的水平位移和豎直位移會(huì)不斷增大，但總體位移量較小，其變形符合施工要求，在實(shí)際施工過程中，須把控好灌注樁嵌固深度和回填覆土的厚度。