趙 棟

(陜西省交通規(guī)劃設計研究院有限公司 西安市 710064)

黃土地層受地形、工程地質及水文地質條件影響,洞室成洞能力及圍巖壓力變化較顯著,隧道施工易發(fā)生侵限、下沉、冒頂、洞口地表溜塌等問題[1],隧道建成后易發(fā)生襯砌開裂、二襯錯臺、路面隆起等病害,后期處治難度較高,對施工造價、工期影響較大,因此前期設計的隧道選型和結構分析工作較為重要。文章以楊家山隧道地形地質條件下黃土連拱隧道施工階段模擬為例,對施工過程中關鍵節(jié)點變形進行數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

如圖1所示,楊家山隧道位于陜西省寶雞市渭濱區(qū)石鼓鎮(zhèn)境內,東南起于石鼓鎮(zhèn)劉家村,經過趙家莊村、石壩河村,終點進入石鼓鎮(zhèn)王家河村。隧道所在區(qū)地貌主要為黃土梁峁地貌,地形起伏大,整體呈東西向帶狀展布,西寬東窄,臺面受侵蝕切割較為破碎。地表出露地層主要為上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)夾有數(shù)層古土壤的黃土,其中上更新統(tǒng)黃土孔隙發(fā)育,中更新統(tǒng)黃土密實,承載力較高。下伏中更新統(tǒng)沖洪積層,以卵石土及粉質粘土為主,卵石土承載力高,呈密實狀,充填礫砂及粉質粘土;粉質粘土呈硬塑～堅硬狀,承載力較高。地下水埋深較深。

圖1 洞口段平面圖

隧道所在公路等級為雙向四車道一級公路,如圖2所示,隧道凈寬2x10.25m+1m(中隔墻)=[0.75m(左側檢修道)+0.5m(左側側向寬度)+3.75m×2(行車道)+0.75m(右側側向寬度) +0.75m(右側檢修道)]x2+1m(中隔墻)。隧道右幅位于直線、R=1500m的圓曲線及緩和曲線上,隧道左幅位于直線、R=1600m的圓曲線及緩和曲線上。左右洞測設線間距僅為3.2m,屬于典型黃土連拱隧道。

圖2 黃土連拱隧道橫斷面

隧道洞口存在明顯偏壓情況,采用連拱隧道方案顯著增加挖方量及規(guī)模,洞口淺埋段坡腳掏底效應更加明顯,作用于支護結構的推力較分離式單洞更大。

隧道淺埋段結構采用55cm厚C35鋼筋混凝土二襯,考慮到中隔墻受荷載較大,不同于傳統(tǒng)連拱隧道,即初支落腳于中墻之上的結構。將初支拱架在中墻側落底,與仰拱的拱架連接,初支封閉成環(huán),形成類似于單洞的初支結構,提高了結構的受力性能和施工安全系數(shù)。此外,中導洞拱頂范圍采用φ50×4注漿小導管加固,增大中隔墻支撐圍巖范圍,增強中隔墻減跨效應。

相較于分離式隧道,連拱隧道施工期主要風險在于后行洞開挖時,中導洞及后行洞附近的土體已受到初次擾動、中間土柱支撐的減弱導致中導洞區(qū)域支護結構承受的圍巖壓力較大[2]。采用連拱方案應加強連拱隧道中隔墻區(qū)域支護強度。相較于石質連拱隧道,黃土地區(qū)圍巖受擾動后變形范圍大,作用于支護結構的圍巖壓力相對較大。黃土隧道后行洞施工的沉降變形對先行洞的影響更為嚴重[3]。土質地基承載力相對較弱,設計過程中加強對基礎進行加固處理。在允許范圍內盡可能擴大中隔墻斷面,隧道淺埋段中隔墻最薄處調整為104cm,深埋段中隔墻最薄處為118cm,中墻底寬104～118cm,并與鋼管狀連接,提高了中墻自身的穩(wěn)定性。中隔墻底部采用擴大基礎+φ134鋼管樁的形式,要求鋼管樁與中隔墻底部鋼筋焊接。主洞基礎底也采用φ134鋼管樁的加固方案。經數(shù)值分析計算,中隔墻區(qū)域對地基承載力的要求顯著大于主洞仰拱結構。洞口結構如管棚套拱基礎底,端墻式洞門基底及偏壓擋墻基底也同樣根據(jù)地基承載力情況進行適當加固處理。

通過結合現(xiàn)行抗震規(guī)范,采取了多項抗震措施,減少地震對隧道結構的影響。主要采取以下措施:

(1)按照隧道抗震設防級別、抗震設防措施等級選擇洞門墻、洞口偏壓擋墻、隧道襯砌的材料及強度等級,參考現(xiàn)行抗震規(guī)范優(yōu)化襯砌結構鋼筋設計。

(2)為減少地震影響,充分減少隧道淺埋偏壓段長度,對洞口偏壓土體進行了挖除。

(3)淺埋段設防長度考慮地震因素,綜合連拱隧道形式確定淺埋段判定標準;結構形式變化段延伸段參考現(xiàn)行抗震規(guī)范執(zhí)行。

(4)參照現(xiàn)行抗震規(guī)范控制明洞回填土坡率及兩側回填高度, 明洞邊墻背后采用M10漿砌片石回填,可以有效提高隧道明洞結構抗震能力,合理選用明洞洞頂上方回填材料。對端墻式洞門,洞門墻墻身最薄處不小于0.8m,墻頂高出墻背回填面不小于1m。洞門墻與襯砌設置連接鋼筋,連接鋼筋直徑與襯砌鋼筋相同。根據(jù)抗震設防等級選擇合適的環(huán)向間距。洞門墻地基承載力不應小于300kPa。洞門墻基礎嵌固深度不小于1.2m。

(5)隧道中隔墻基礎采用了擴大斷面條形基礎,增大了基礎嵌固深度,提高了中隔墻的抗震穩(wěn)定性。

2 楊家山隧道施工變形數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型

本項目采用有限元分析軟件Midas NX對楊家山隧道進行地層-結構模型計算。根據(jù)以往既有類似項目工程實例,隧道淺埋段施工開挖的主要影響范圍為隧道跨度的5倍直徑左右。隧道跨度約為4.0m,本次模型采用20m長段落進行模擬,中隔墻采用實體單元,如圖3和圖4所示。

圖3 分析模型

圖4 中隔墻實體模型

2.2 本構模型及荷載邊界條件

模擬采用莫爾-庫倫本構模型,采用Midas NX內置的混合網格生成器進行單元生成;襯砌采用板單元進行模擬,初期支護采用析取單元模擬,采用提高強度等效土層參數(shù)來模擬注漿小導管加固圈。幾何邊界條件為模型四周施加橫向的水平位移約束。模型底部施加固定約束,地表為自由。

2.3 隧道施工模擬

本次計算模型模擬連拱隧道開挖的施工過程,其施工流程重點考慮內容如下:

(1)隧道施工過程中,考慮先行洞與后行洞的互相影響。

(2)模擬時主洞均采用單側壁導洞開挖方法,主洞開挖前應對中導洞一側區(qū)域回填反壓處理。

(3)為模擬中隔墻頂部注漿加固施工,采用改變單元參數(shù)的方式模擬加固區(qū)域效果。

(4)為模擬初期支護落底效果,將中導洞初期支護在主洞初支落底前斷開處理。

2.4 參數(shù)取值

結合上述內容及既有規(guī)范和工程經驗,結構材料參數(shù)取值見表1。

表1 結構材料參數(shù)

根據(jù)既有工程地質勘探報告,土層參數(shù)取值如表2所示。

表2 地層物理力學參數(shù)

2.5 具體施工階段模擬步驟

黃土公路連拱隧道工程數(shù)值模擬步驟如圖5～圖8所示。

圖5 初始地應力模擬分析(位移清零)

圖6 中導洞開挖施作中隔墻

圖7 先行洞開挖施工

圖8 后行洞開挖施工

2.6 計算結果

為了得出中導洞拱腰及拱頂附近的初期支護沉降,在模型中設置了監(jiān)測點,便于提取或示意各點處的沉降。

根據(jù)圖9的計算結果,隧道中導洞拱腰最大沉降值約為26cm,后行洞處最大沉降值約為61.5cm,均不滿足安全施工要求。從分布位置可以看出,先行洞和后行洞拱頂沉降均較大。如不及時施工先行洞二次襯砌,先行洞拱頂沉降也會受影響增大,后行隧道開挖后,拱頂位移顯著增大,后行洞的拱頂沉降顯然超出了安全施工要求。

圖9 連拱隧道各監(jiān)測點處沉降值—Uz

3 結論及建議

3.1 結論

本項目鑒于特殊的地形地質條件,從數(shù)值模擬結果可以看出,最大沉降超過50cm,遠超過既往案例沉降允許變形值,可以說明本項目采取連拱隧道形式,后期的投資規(guī)模和施工難度均較大。

(1)文中給出了黃土公路連拱隧道工程數(shù)值模擬步驟,列出了初期支護落底條件下施工階段的模擬思路。

(2)模擬結果顯示,中隔墻區(qū)域受到的圍巖壓力較大,中隔墻基底易沉降。中隔墻基底由于有效的加固與主洞地基存在剛度差,易發(fā)生不均勻沉降。

(3)綜合既有黃土隧道案例,推薦本項目采用小凈距或分離式隧道方案。

3.2 建議

由于數(shù)值模擬計算,無法考慮眾多的環(huán)境條件,只能作為參考,針對黃土區(qū)隧道,提出以下建議:

(1)位于地下水位線以下的黃土隧道,應盡量避免采用連拱結構。

(2)黃土連拱隧道需考慮地震影響,參照現(xiàn)行隧道抗震規(guī)范進行驗算。

(3)施工過程中應根據(jù)監(jiān)控量測結果與現(xiàn)場開挖實際情況對施工方案和設計參數(shù)進行優(yōu)化調整,確保施工過程及運營安全。