大斷面超淺埋偏壓高速鐵路隧道施工安全控制關(guān)鍵技術(shù)研究

作者簡(jiǎn)介：

祁子鵬（1993—），工程師，主要從事施工管理工作。

摘要：文章結(jié)合滬渝蓉高速鐵路豐寶山隧道施工工程，采用有限元分析軟件Midas GTS對(duì)有、無(wú)反壓回填措施下的隧道施工進(jìn)行模擬分析，為豐寶山隧道及類似工程的安全施工提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：大斷面；反壓回填；超淺埋偏壓隧道；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U459.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 36 121 4

0 引言

在山嶺隧道工程的建設(shè)過(guò)程中，常常會(huì)在隧道洞口以及洞身段遇到淺埋偏壓這一復(fù)雜地層，而在該地層下直接開(kāi)挖隧道會(huì)由于上覆土體薄弱，以及側(cè)向土壓力的作用，極易導(dǎo)致隧道圍巖嚴(yán)重變形，甚至發(fā)生坍塌等重大事故［1-3］，對(duì)隧道的安全施工造成影響。

但是，如果在隧道開(kāi)挖前采取適當(dāng)?shù)那捌谔幚泶胧﹣?lái)減少偏壓影響和土體薄弱問(wèn)題，則可以有效地解決淺埋偏壓?jiǎn)栴}。劉玉清等［4］認(rèn)為對(duì)于大斷面淺埋偏壓隧道的施工，應(yīng)首先處理好山體淺埋偏壓的問(wèn)題，保證山體穩(wěn)定后再進(jìn)行洞內(nèi)施工。

許多學(xué)者都對(duì)隧道進(jìn)洞前淺埋偏壓地形的處理問(wèn)題進(jìn)行了探究。如劉建中［5］采取重力式擋墻、錨噴支護(hù)、地表注漿等措施先穩(wěn)定邊坡和平衡地形偏壓，然后通過(guò)長(zhǎng)管棚注漿解決了軟弱淺埋地層問(wèn)題。劉云雨等［6］基于FLAC 3D軟件數(shù)值模擬了淺埋偏壓段的兩種處理措施，得出回填反壓措施有助于增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)上方淺埋側(cè)土體的約束；削坡卸載有助于減輕深埋側(cè)土體位移對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的偏壓影響，有利于隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。代樹(shù)林等［7］依托回頭溝隧道工程，分析了削坡法、回填法、地表注漿法等對(duì)隧道偏壓產(chǎn)生的影響，得出削坡法是處理該隧道偏壓段最有效的措施。楊超等［8］認(rèn)為當(dāng)傾覆土厚度＜7 m時(shí)，主要解決的是淺埋側(cè)反壓能力不夠的問(wèn)題，可采用填土反壓及擋墻等加固措施；當(dāng)傾覆土厚度＞7 m后，需要解決的問(wèn)題是深埋側(cè)壓力過(guò)大的問(wèn)題，可采用削方減載反壓等措施。周運(yùn)祥［9］提出淺埋偏壓隧道可以采用增加明洞長(zhǎng)度的方法，來(lái)解決暗洞覆蓋層厚度較薄的問(wèn)題，并采用反壓回填、注漿等輔助措施，平衡偏壓荷載，增大圍巖的自穩(wěn)能力。彭雪峰［10］依托宜敘馬鞍山隧道工程，采取了頂部削坡，溝谷回填的卸荷反壓施工方法成功解決了治理洞口偏壓?jiǎn)栴}，并通過(guò)ANSYS軟件驗(yàn)證其在偏壓隧道施工的優(yōu)越性。

綜上所述，學(xué)者們針對(duì)隧道穿越淺埋偏壓地層問(wèn)題的處理思想是在隧道進(jìn)入淺埋偏壓段前，采用卸荷或者反壓回填等措施來(lái)平衡淺埋偏壓的影響。因此，本文將結(jié)合滬渝蓉高速鐵路豐寶山隧道工程施工，采用Midas GTS軟件對(duì)有、無(wú)反壓回填措施下的隧道施工進(jìn)行模擬分析，從而為豐寶山隧道及類似工程的安全施工提供理論支撐。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

新建滬渝蓉高速鐵路豐寶山隧道隧址區(qū)主要為剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏較小，自然坡度一般為10°～30°，地面高程為161.47～247.6 m，相對(duì)高差最大約80 m。隧道進(jìn)口里程為DK291+544，出口里程為DK293+605，全長(zhǎng)為2 061 m，最大埋深為70.85 m。隧道洞身淺埋段較多，其中DK292+169～DK292+235段超淺埋，最小埋深約3.6 m。山頂多橢圓形，山脊較狹窄，山坡多為凸形坡，坡度較緩，坡度角一般為10°～20°；山坡和山脊多為林地及灌木，植被茂密。

1.2 反壓回填方案

為平衡因右側(cè)高程變化產(chǎn)生的側(cè)向壓力，隧道開(kāi)挖之前，采用反壓回填的技術(shù)措施，具體回填方案為：隧道上方地表?yè)鯄ι聿捎肅30混凝土砌筑，擋墻基礎(chǔ)埋凝應(yīng)在地面以下≥1.0 m且墻腳應(yīng)嵌入基巖。同時(shí)在該超淺埋段地表上方回填10%的水泥土，并采用30 cm厚的漿砌片石鋪筑而成，如圖1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

模型應(yīng)用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，擋土墻、漿砌片石以及二襯采用彈性模型，建立單元73 650個(gè)，計(jì)算模型為有、無(wú)反壓回填措施下隧道開(kāi)挖，如圖2、圖3所示。隧道模擬開(kāi)挖采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，同時(shí)采用一榀間距開(kāi)挖，在隧道內(nèi)挖完一榀距離便初支一榀距離，同時(shí)約束模型前、后、左、右和下端邊界。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)

模型主要參數(shù)取值如表1所示。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

為分析反壓回填措施在淺埋偏壓隧道中的平衡作用效果，本文建立如圖4、圖5所示的監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并從圍巖的豎向位移、水平位移以及二襯所受應(yīng)力方面進(jìn)行綜合分析。

3.1 圍巖豎向位移分析

通過(guò)Midas GTS軟件分析出有、無(wú)反壓回填措施下隧道開(kāi)挖完成后圍巖的豎向位移情況。其豎向位移分布云圖如圖6所示。

由圖6可知，有、無(wú)反壓回填措施下隧道上方深埋側(cè)沉降比淺埋側(cè)更大，且在反壓回填措施下隧道拱底隆起值相對(duì)無(wú)反壓回填措施拱底隆起更小，更平衡。

提取測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，得出有、無(wú)反壓回填措施下施工完成時(shí)不同里程處拱頂以及左拱腳的豎向位移值，見(jiàn)圖7、圖8。

分析圖7、圖8可知：

（1）在反壓回填措施下，各斷面拱頂?shù)某两抵涤兴黾樱?.6 m、19.2 m、29.6 m、39.2 m、49.6 m、59.2 m處分別增加了12.4%、12.9%、12.7%、11.7%、11.1%、13.4%。

（2）在反壓回填措施下，各斷面左拱腳的隆起值有所降低，9.6 m、19.2 m、29.6 m、39.2 m、49.6 m、59.2 m處分別降低了45.4%、42.7%、39.3%、36.1%、32.5%、25.9%，說(shuō)明淺埋偏壓隧道施加反壓回填措施后，拱低隆起值能很好地得到改善。

3.2 圍巖水平位移及收斂分析

有、無(wú)反壓回填措施下隧道開(kāi)挖完成后圍巖水平位移分布云圖如圖9所示。

由圖9可知，有、無(wú)反壓回填措施下隧道上方淺埋側(cè)水平位移比深埋側(cè)更大；在反壓回填措施下隧道淺埋側(cè)得水平位移得到控制，相對(duì)無(wú)反壓回填措施更小。

提取如圖4、圖5所示的測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，得出有、無(wú)反壓回填措施下施工完成時(shí)不同里程處圍巖拱頂水平位移及拱肩收斂值，見(jiàn)圖10、圖11。

由圖10、圖11可知：

（1）在反壓回填措施下，各斷面拱頂?shù)乃轿灰朴兴鶞p少，9.6 m、19.2 m、29.6 m、39.2 m、49.6 m、59.2 m處相對(duì)無(wú)反壓回填分別減少了22.4%、23.1%、22.9%、20.5%、18.9%、19.0%，說(shuō)明施加反壓回填后，淺埋側(cè)上部對(duì)隧道約束作用增加，有利于減輕淺埋側(cè)的變形。

（2）在反壓回填措施下，各斷面拱肩水平收斂有所降低，說(shuō)明反壓回填措施對(duì)隧道水平收斂的控制效果明顯。

3.3 二襯應(yīng)力分析

提取部分監(jiān)測(cè)斷面（9.6 m、19.2 m、29.6 m）和監(jiān)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)隧道二襯的最大主應(yīng)力值，并繪制如下頁(yè)圖12、圖13所示的曲線圖。

由圖12、圖13可知：

（1）相對(duì)無(wú)反壓回填措施，反壓回填措施下拱頂至深埋側(cè)附近最大主應(yīng)力值有所減小，拱頂至淺埋側(cè)附近最大主應(yīng)力值有所增加，拱底附近變化不大。

（2）相對(duì)無(wú)反壓回填措施，反壓回填措施下，隧道左右拱肩所受最大主應(yīng)力更加平衡，表明反壓回填措施能改善隧道偏壓所受應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析豐寶山隧道超淺埋偏壓段有、無(wú)反壓回填措施可以得到以下結(jié)論：

（1）有、無(wú)反壓回填措施下隧道上方深埋側(cè)沉降比淺埋側(cè)更大，相對(duì)原始地表下開(kāi)挖，反壓回填措施下隧道拱頂沉降會(huì)有所增加，但隧道拱底隆起值會(huì)有所降低，降幅約為25.9%～45.4%，說(shuō)明反壓回填措施能減小隧道拱底隆起值。

（2）有、無(wú)反壓回填措施下隧道上方淺埋側(cè)水平位移比深埋側(cè)更大，相對(duì)原始地表下開(kāi)挖，反壓回填措施下淺埋側(cè)約束得到增加，其水平位移以及拱肩收斂得到控制，表明反壓回填措施在淺埋偏壓隧道水平位移控制的優(yōu)越性。

（3）相對(duì)無(wú)反壓回填措施，反壓回填措施下拱頂至深埋側(cè)附近最大主應(yīng)力值有所減小，拱頂至淺埋側(cè)附近最大主應(yīng)力值有所增加，拱底附近變化不大，且隧道左右兩側(cè)所受最大主應(yīng)力更加平衡，表明反壓回填措施能改善偏壓地形所產(chǎn)生的隧道所受應(yīng)力分布不均問(wèn)題。

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