不良地質堆積體隧道洞口段穩定性分析

摘要：文章以某公路隧道穿越不良地質堆積體為依托，采用數值分析方法模擬隧道開挖支護過程，對不良地質堆積體隧道洞口段進行了穩定性分析，通過對比不良地質堆積體隧道處治前后的模擬結果，獲得了泥質粉砂巖堆積體隧道襯砌的應力變形規律。相關研究成果對類似不良地質隧道工程建設具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：堆積體；隧道；數值模擬；微型樁注漿；穩定性分析

U452.2+7A391223

0 引言

為了實現交通強國目標，補齊西部地區交通基礎設施短板，近年來西部省區公路得到快速發展，大量的隧道被設計建造。受限于路線走廊、地形地貌、地質水文、投資規模等控制因素的影響，隧道不可避免地穿越一些不良地質地段。

堆積體成因復雜，國內一些學者［1-3］對堆積體邊坡成因機制和破壞機理進行了詳細的分析研究。雖然在天然狀態下堆積體是處于平衡狀態，但是堆積體組成物質不均且堆積體接觸面材料差異，在工程擾動時極易出現滑動風險。為了攻克建設瓶頸，國內一些學者研究分析了隧道邊仰坡穩定性規律。譚昌榮、董永、曹亮宏等［4-6］采用強度折減法分析了堆積體邊坡的失穩破壞機理，并提出了治理措施。唐小富等［7］采用極限分析上限法對隧道邊仰坡的自重做功功率與內能耗散功率進行推導，得出了臨界高度公式，分析了不同土體參數對邊仰坡穩定性的影響。張梅等［8］依托安徽某隧道洞口山體滑坡工程案例，通過最危險滑動面穩定系數計算，分析了隧道洞口滑坡產生的主要原因。彭富強等［9］則研究了樹根樁在隧道進出口松散堆積體加固中的應用。

針對泥質粉砂巖不良地質堆積體隧道，本文采用有限元分析方法對隧道開挖支護進行數值模擬，研究了不良地質堆積體隧道洞口段穩定性規律，相關研究結果對類似不良地質堆積體隧道工程建設具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

某高速公路隧道穿越地質為強～中風化三疊系上統平垌組泥質粉砂巖。隧道出口處為舌狀堆積體，走向約為70°，地面坡度約為10°，約1 000 m2，最大揭露厚度約為25 m，成分主要為黏性土和中風化泥質粉砂巖碎石，呈稍密狀。距離隧道洞口42～68 m為堆積體與中風化交界區段，地表未發現裂縫。堆積體南、西、北側山坡較陡，坡度為40°～60°，堆積體兩側為沖溝。施工開挖會破壞原有的應力狀態，若處治不當，極易導致大面積的崩塌。見圖1。

隧道設計時速為100 km/h，采用三心圓設計，拱部圓半徑為5.8 m，內輪廓最大寬度為11.6 m，內輪廓高為9.0 m。設計型式為小凈距隧道，左線長1 090 m，右線長1 110 m，設計高程約為405～431 m，最大埋深為110 m。洞身采用復合式襯砌結構，明洞為鋼筋混凝土結構。

隧道ZK77+640～ZK77+692/K77+660～K77+720區段采用微型樁注漿加固。微型樁設計為89 mm×5 mm鋼花管，管壁鉆8 mm出漿孔，出漿孔間距為25 cm，鋼花管端部加工成錐形。微型樁采用梅花形布置，布設間距為1.5 m×1.5 m。

2 數值分析

2.1 模型的建立

本次研究采用Midas NX有限元軟件模擬泥質粉砂巖堆積體隧道開挖支護。結合堆積體勘測及穩定性影響范圍，模型尺寸擬定為650 m（長）×530 m（寬）×395 m（最高）。模型地層為四面體實體單元，隧道襯砌結構為殼單元。見圖2。

邊界條件：地表頂部為自由面；X=-265 m、X=265 m面約束單元X方向位移；Y=0 m、Y=650 m約束Y方向位移；Z=0 m采用固定端約束。

2.2 模型參數

模擬地層從上到下依次為強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖，堆積體為黏性土和風化泥質粉砂巖碎石。模型通過在計算過程中改變巖土性質模擬微型樁注漿，微型樁注漿模擬寬度范圍為洞口段K77+720～K77+670隧道輪廓線左側6 m至ZK77+692～ZK77+6400隧道輪廓線右側6 m。模型單元物理性質如表1所示。隧道開挖支護以15 m步距分段模擬。

2.3 結果分析

2.3.1 變形分析

通過建立微型樁注漿處治與未采用微型樁注漿處治兩個模型進行計算，分別提取距離隧道洞口0 m、25 m、50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、175 m、200 m、225 m、250 m、275 m、300 m、325 m、350 m、375 m隧道斷面拱頂變形數據，得到如圖3、圖4所示左右線隧道洞口段襯砌頂部變形曲線。

由圖3、圖4可知，未注漿狀況下，受邊仰坡開挖影響，隧道洞口25 m范圍影響最明顯；在距離隧道洞口50～125 m區段受堆積體影響形成襯砌變形波峰，在距離隧道洞口90 m位置達到區段峰值；往洞身方向大于125 m，隧道襯砌變形趨于穩定。隧道襯砌結構變形受堆積體影響范圍約為堆積體長度的2倍。對比微型樁注漿處治與未處治兩種狀況隧道的變形曲線可知，未進行處治時，左線隧道洞口段最大變形量達到390.3 mm，右線隧道洞口段最大變形達到542.5 mm；采用微型樁注漿處治后，左線隧道洞口段最大變形量下降為6.2 mm，右線隧道洞口段最大變形量則下降為16.8 mm。隧道洞口區段邊仰坡變形得到較好的控制，受堆積體段影響，在距離隧道洞口50～125 m區段仍然形成襯砌變形波峰。

2.3.2 應力分析

隧道襯砌結構內力大小與隧道結構安全直接相關，可反映微型樁注漿對堆積體隧道的處治效果。通過數值模擬分析微型樁注漿處治與未處治兩種狀況下隧道襯砌結構內力，得到如圖5、圖6所示襯砌結構應力云圖。由圖5～6可知，未采用微型樁注漿處治時，左線隧道襯砌最大應力達到7 492.19 kN/m2，右線隧道襯砌最大應力達到9 598.76 kN/m2；采用微型樁注漿處治時，左線隧道襯砌最大應力降低為6 224.17 kN/m2，右線隧道襯砌最大應力達到7 954.50 kN/m2，微型樁注漿處治使隧道襯砌結構應力降低約17%。

2.4 結果對比

整理隧道拱頂變形現場監測及數值模擬結果，繪制得到襯砌變形數值模擬-現場監測對比曲線如下頁圖7、圖8所示。從變形總體分布規律上分析可發現，隧道襯砌變形數值模擬結果與現場監測數據結果一致，較大變形出現在洞身區段，隧道洞口區段變形得到較好的控制。現場監測結果顯示，洞身區段襯砌變形較大，左線拱頂最大變形量達到225.2 mm，右線拱頂最大變形量達到201.3 mm。由于隧道開挖支護各工序存在時間間隔，隧道仰拱初期支護成環快速完成，因此隧道中部沉降變形量較數值模擬更大。

3 結語

本文以某高速公路隧道穿越不良地質堆積體為依托，通過數值分析方法模擬隧道開挖支護全過程，對不良地質堆積體隧道洞口段進行了穩定性分析，研究了洞口不良地質堆積體段隧道結構位移及應力變化，形成以下結論。

（1）泥質粉砂巖堆積體不良地質對隧道的影響范圍約為堆積體長度的2倍；在堆積體區段影響范圍內，隧道結構形成兩端大中間小的變形規律。

（2）采用微型鋼管樁注漿處治可較好控制洞口堆積體段隧道襯砌內力及變形，微型鋼管樁注漿處治后隧道變形較大區段位于堆積體與中風化泥質粉砂巖交界區段。

（3）隧道變形數值模擬結果與現場監測結果數值上存在一定差別，但是總體分布規律基本一致，對于后續類似隧道工程處治及結構加強具有一定的參考價值。

參考文獻：

［1］鄧華鋒，朱 敏，原先凡，等.某大型堆積體邊坡成因機制分析及治理措施研究［J］.巖土力學，2013，226（S1）：285-292.

［2］徐文杰.大型土石混合體滑坡空間效應與穩定性研究［J］.巖土力學，2009，171（S2）：328-333.

［3］楊繼紅，董金玉，劉漢東，等.某水電站左壩肩上方堆積體成因機制分析及穩定性評價［J］.巖土力學，2009，171（S2）：408-413.

［4］譚昌榮，梁壽興，董耀鵬，等.松散巖堆體隧道施工中邊仰坡支護效果研究［J］.公路，2020，65（11）：366-372.

［5］董 永，張子新.強度折減法進行公路隧道邊仰坡穩定性分析［J］.地下空間與工程學報，2007，22（S1）：1 279-1 283，1 318.

［6］曹亮宏，盧自立.隧道洞口邊仰坡穩定性分析［J］.中外公路，2013，209（4）：244-246.

［7］唐小富，吳 衛，王 亮.隧道洞口邊仰坡穩定性分析及防護［J］.鐵道科學與工程學報，2014，58（2）：106-110.

［8］張 梅，張 晟，張久偉.安徽某隧道洞口山體滑坡分析［J］.中國地質災害與防治學報，2004（3）：155-156.

［9］彭富強，袁 航，易金華.樹根樁在隧道進出口松散堆積體加固中的應用［J］.中外公路，2012，201（3）：35-37.