山嶺隧道施工設計與開挖穩定性研究

徐 琨

(浙江數智交院科技股份有限公司,浙江 310006)

1 工程概況

杭金衢高速與杭紹臺高速的聯絡線工程,連接了杭金衢高速公路和杭紹臺高速公路,道路總計全長22.78 km。該聯絡線工程沿線的地形條件較為復雜,共設置隧道10座,總長度共計6 906.5 m,包括長隧道1座、中隧道3座、短隧道6座。其中楊家山隧道屬于紹興柯巖互通主線,柯巖互通主線的修建將大大節約由豐里村至河塔村的通行時間。其中柯巖互通主線的加、減速車道需伸入楊家山隧道洞內,隧道建筑限界寬度為18.50 m,按長度分類屬于短隧道,隧道最大埋深在60 m左右,楊家山隧道的平面位置情況和設計參數如表1所示。

表1 楊家山隧道設計參數

2 工程地質條件及處理措施

2.1 自然地理情況

楊家山隧道處于低山丘陵區,地形坡度約20°～45°,山體完整程度一般,隧址區軸線地面高程在50～123 m之間,地面最高點高程約為123 m,屬越嶺隧道。進洞口處于丘陵斜坡,左洞軸線與坡面斜交,洞口存在偏壓;隧道洞身段地形變化大,坡度較陡,兩側基巖出露,基巖完整性較好,巖質較硬,錘擊聲脆,發育大量植被。出洞段左線位于溝谷,右線位于丘陵斜坡,右線軸線與坡面小角度相交,出洞口存在偏壓,洞口外緣為坡洪積溝谷。距離左幅洞身外側32 m處為近似平行隧道方向人工開挖邊坡,坡高50～60 m,分3級開挖,級間設2～3 m碎落臺,巖體呈較破碎—較完整狀態,坡下方為廠房的活動板房。隧址緊鄰鄉村,道路較發達,交通較便利。

2.2 水文地質條件

根據測區內地下水的不同的賦存形式、埋藏條件和分布情況以及不同的水動力性質可分為二大類[1]：松散巖類孔隙水和基巖裂隙水,各含水巖組的埋藏條件、分布規律、富水性、水質和水動力特征等如下。

(1)松散巖類孔隙水。第四系殘坡積(Qe1+d1)孔隙潛水含水層,厚度小,且多處于地下水常水位以上,總體水量貧乏。

(2)基巖裂隙水。本隧道基巖裂隙水主要為風化裂隙水,主要受大氣降水補給和部分地段第四系孔隙潛水補給,主要儲存在強—中風化基巖中。

隧道區強風化層風化裂隙發育,巖體成碎塊狀,儲水性好,厚度較小,多在地下水水位以上;中風化節理裂隙發育,節理裂隙以閉合為主,一般水量貧乏,局部裂隙較密集,局部水量稍大。根據隧址區水樣分析結果,地下水化學類型為重碳酸鈣型淡水,依據《公路工程地質勘察規范》[1]附錄K可確定為Ⅱ類環境,對混凝土結構和鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。

采用降水入滲法和狹長水平廊道法對隧道正常涌水量進行預測,經過計算取大者為推薦值,隧道預測涌水量為58 m3/d。

2.3 隧道圍巖分級及穩定性評價

項目勘察隧道圍巖劃分主要根據交通運輸部《公路隧道設計規范》等規范[2]中公路隧道圍巖分級方案綜合評判。采用兩步分級法:(1)根據巖石的堅硬程度和巖體完整程度兩個基本因素計算的巖體基本質量指標進行初級分級;(2)在初級分級的基礎上對圍巖進行詳細定級時,考慮影響因素的修正,如地下水影響因素(K1)、修正巖體基本質量指標(BQ)等。位于洞口段的圍巖主要依據巖土體的松散程度、巖體風化程度和是否有偏壓等進行級別劃分。

根據詳勘成果,隧址區地質構造不發育,但受區域構造影響,巖體完整性一般,呈現較完整—較破碎狀態。楊家山隧道圍巖分級一覽表如表2所示。

表2 楊家山隧道圍巖分級一覽表

在山嶺隧道的施工設計中,進出洞口位置往往地勢比較險要,其地質條件也相對較差,其施工難度要超過隧道洞身段的施工,因此要提前做好勘察工作,并在施工階段格外關注。本項目隧道進洞口(YK18+154～YK18+215和ZK18+121～ZK18+180)和出洞口段(YK18+412～YK18+460和ZK18+360～ZK18+412)隧道位于丘陵斜坡地貌,地形較陡峭,自然坡度約30°～35°,植被較發育,上部覆蓋層為殘坡積含碎石粉質黏土厚1～3 m,基巖為晶屑熔結凝灰巖,紫紅色,巖體較破碎—較完整,巖質較堅硬—堅硬。該段水文地質條件簡單,隧道匯水面積小,地下水易于排泄,滲透性大,地下水總體豐富,降雨時地表水下滲,隧道中可能有淋雨狀出水。進出洞段隧道埋深小,穿越殘坡積、強—中風化基巖,圍巖穩定性差。進洞口基底殘坡積,其地基承載力基本容許值為160～180 kPa,基底為強風化晶屑熔結凝灰巖,承載力容許值為350～400 kPa,BQ<250,綜合評定圍巖級別為Ⅴ級。

楊家山隧道進口邊、仰坡大部分由殘坡積層及強—中風化巖組成,巖土體性質較差,開挖不當易產生滑塌,應謹慎開挖,放緩坡率,減少對山體的擾動并及時對坡面進行加固。

2.4 不良地質及處理措施

隧道區內不良地質不發育,而潛在的不良地質問題是隧道洞身段開挖形成坍塌以及距離左幅隧道左側32 m處工業園區人工開挖邊坡擾動失穩。邊坡巖性為晶屑熔結凝灰巖,紫紅色,塊狀構造,巖體節理裂隙較發育,有小型楔形體發育,易松動滾落。

為保障隧道開挖施工時的安全,針對上述不良地質條件提出了下列處理措施。

(1)針對潛在滑塌危險,洞身段采用超前支護,并及時施作襯砌、加強地質情況的超前預警,隧道進出洞口上覆殘坡積層,為強風化基巖,風化強烈,結構松散,邊仰坡開挖應放緩坡率,加強支護,并做好坡面防水及坡外截排水措施。洞身段施工嚴禁大藥量爆破,需優化施工組織設計。

(2)針對廠區邊坡潛在的擾動危險,建議隧道施工爆破前,應及時加強邊坡防護,加強巡視工作,提前疏散廠區邊坡下活動板房內的人員。

2.5 施工組織設計

楊家山隧道施工圖設計階段工程地質勘察按有關規范執行,查明了隧址區工程地質條件,滿足事先指導書要求,勘察成果質量符合要求。

(1)隧道區屬低山丘陵區,地層主要以白堊系壽昌組(K1s)的晶屑熔結凝灰巖為主。根據地質調查、物探及鉆探,隧道覆蓋層厚度較薄,節理裂隙較發育,圍巖工程地質條件一般。左幅Ⅴ級圍巖占隧道長度38.1%,Ⅳ級圍巖占隧道長度25.8%,Ⅲ級圍巖占隧道長度36.1%;右幅Ⅴ級圍巖占隧道長度35.6%,Ⅳ級圍巖占隧道長度30.1%,Ⅲ級圍巖占隧道長度34.3%。

(2)隧道場地不良地質較發育,潛在的不良工程地質問題為洞身崩塌、進出洞口邊仰坡滑塌以及隧道爆破對附近廠區邊坡擾動的問題。

(3)增強超前地質預報工作。隧道施工過程中,應結合超前鉆探、地質觀察等信息,采取工程地質與水文地質超前預報,體現動態設計與信息化施工的思想,施工中注意超前打孔預測,針對地質情況與設計文件不相符的情況,必須修改原設計方案并通知設計單位,使支護結構更趨于適應圍巖的情況,更安全,必要時可先期采用穩妥可靠的加固措施[3]。

(4)Ⅳ～Ⅴ級段圍巖自穩能力差,建議在隧道施工時及時襯砌,加強支護。

(5)該隧道棄渣方量較大,建議對棄渣場地應事先做好設計、排水、導水等,引導暴雨季節形成的山洪順利通過;加強棄渣場地的攔石壩等措施;積極恢復植被,防治洪水沖刷、侵蝕;施工中避免破壞環境及造成新的地質災害問題。

3 隧道開挖穩定性分析

3.1 數值模擬模型

為了分析楊家山隧道在施工時的圍巖變形與隧道結構受力,根據實際工程情況,選取楊家山隧道最危險斷面(右線出洞段,樁號YK18+446)進行數值模擬分析,采用有限元軟件midas GTS NX建立了二維數值模型。

其中巖體、管棚注漿加固采用德魯克-普朗克準則、平面應變單元進行模擬。由于該斷面處隧道的埋深較淺,因此模型的上限建立至地表位置處,地層結構均根據地質報告平縱斷面圖建立。模型左右邊界選取至楊家山隧道兩側65 m,共計寬152 m,下邊界選取至楊家山隧道下方45 m。根據《公路隧道加固技術規范》(JTG/T 5440—2018),注漿加固后的圍巖重度、彈性模量和內摩擦角采用圍巖的參數,黏聚力提高30%。初期支護、二次襯砌采用彈性準則,各項參數根據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》(JTG 3370.1—2018)進行選取;錨桿作為安全儲備,不計入模型模擬范圍內。模型底部施加固定約束,兩側施加豎直滑動約束,地表為自由邊界,具體數值如表3所示。

表3 模型主要物理力學參數

3.2 計算結果分析

在本數值模擬仿真模型中,為了真實地模擬實際工程情況,將地層和混凝土襯砌的自重應力考慮為計算荷載,并根據實際施工過程設置相應的分析步,如施工步驟中的巖體開挖與襯砌施作。在有限元軟件midas GTS NX中,不同的分析步中通過設置生死單元來完成單元的“激活”與“鈍化”功能,從而完成了對整個施工過程的模擬,動態模擬步驟為:生成初始地應力場→位移清零→隧道分步開挖及對應襯砌的施作。

如圖1所示,在左、右導洞施工過程中,主要變形為拱底隆起,施工過程中最大隆起為2.4 mm;在中導洞施工時,主要變形為拱頂沉降、拱底隆起,最大沉降3.0 mm,最大隆起為4.8 mm;二次襯砌施工完成后,主要變形為拱頂沉降、拱底隆起,最大沉降4.1 mm,最大隆起為4.6 mm。由于隧道處于偏壓狀態,在整個施工過程中,隧道右側變形略大于左側變形。在楊家山隧道整個施工過程中,圍巖最大變形為4.8 mm,遠小于預留變形量,滿足規范要求。

圖1 各施工階段圍巖位移云圖(單位:mm)

圖2和圖3分別為楊家山隧道初期支護與二次襯砌的彎曲應力云圖,受圍巖偏壓影響,初期支護右側應力大于左側應力,以受壓為主;最大壓應力在右側拱腳處,約為7.6 MPa,最大拉應力左側拱底,為0.24 MPa。二次襯砌右側應力大于左側應力,最大壓應力約為2.7 MPa,最大拉應力為0.68 MPa。

圖2 隧道初期支護彎曲應力云圖

圖3 隧道二次襯砌彎曲應力云圖

根據規范要求,C30混凝土極限抗壓強度為22.5 MPa,極限抗拉強度為2.2 MPa,因此初期支護與二次襯砌結構不會因超過材料強度而破壞,滿足規范要求。綜上所述,根據楊家山隧道施工過程中對圍巖變形、結構應力等方面的有限元分析,得出如下結論:楊家山隧道施工對圍巖變形、隧道襯砌結構影響較小,且滿足相關規范要求。

4 結 語

隨著我國高速公路項目的建設,山嶺隧道的比例逐漸增加,隨之而來的不良地質處理問題和開挖穩定性問題等受到了施工技術人員的關注。以紹興柯巖互通主線項目中的楊家山隧道為例,詳細介紹了楊家山隧道的工程地質情況,包括自然地理情況、水文地質條件以及隧道線路的圍巖分級及穩定性問題,針對隧道沿線的不良地質問題,提出了相應的處理整治措施,完善了項目的施工組織設計。最后針對隧道開挖過程的穩定性問題,利用有限元軟件midas GTS NX建立了二維數值模擬模型,分析了隧道在開挖過程中不同分析步下的穩定性,有助于提高山嶺隧道工程的管控質量,保障工程施工的安全進行。