蒙山高边坡隧道洞口施工抗滑桩承载机理研究
时间：2023-06-04 21:20:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李 冉 张 帅 李兆琦 王永亮
(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；
2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；
3.青海省交通控股集团有限公司，西宁 810003)
随着我国交通事业的快速发展，为克服地形高程和改善线路线形，在山岭地区修建高速公路或者铁路中，隧道工程往往成为桥隧比选的最佳方案[1-3].由于隧道工程数量越来越多，各类不良地质隧道施工中存在着崩塌、涌水等施工风险，会对人员及工程安全产生巨大威胁.为有效探明隧道施工中的风险源，往往使用超前地质预报(TSP)和地质雷达对不良地质进行先行探测[4-6].针对山区隧道洞口处的不良地质情况，用现有勘察技术手段无法完全探明高仰坡偏压隧道施工的力学行为特征，故部分学者采用数值模拟软件对山岭隧道洞口高陡边坡进行数值分析，得出采用分布开挖法施工控制变形的结论[7-9].在这些研究的基础上，一些学者提出采用抗滑桩加固隧道出口处高陡边坡的加固方式，并取得了明显的治理成效[10-11].但当前的研究，主要聚焦于洞口边坡安全的稳定性分析，很少能够结合隧道水平旋喷桩超前支护与抗滑桩组合对隧道结构的受力影响进行分析.
针对隧道洞口下穿高陡边坡的难题，本文以宣绩铁路蒙山2号隧道洞口段为背景，基于超前地质预报(TSP)和地质雷达对隧道节理发育、孔隙水发育的物探结果，采用有限差分软件FLAC3D进行三维数值模拟，对不同支护方式、抗滑桩间距下隧道开挖的力学模式进行研究，最终选用旋喷桩注浆+单排抗滑桩的加固措施进行综合加固.分析结果表明，该种综合加固措施能够有效的减小隧道衬砌的受力与围岩变形，且抗滑桩间距对加固效果有一定的影响，推荐抗滑桩间距设置为2m.本文研究的内容可为此类工程的加固设计提供一定的参考和借鉴.
拟建蒙山隧道位于安徽省宁国市境内，进口位于宁国市河沥溪镇，出口位于霞西镇，起讫里程为DK155+245.00～DK155+735.58，隧道全长4180.58m，进口标高约126.0m，出口标高约176.3m，最大埋深257.1m.根据勘察设计结果以及地面地质调查，隧址区DK155+245～DK155+550段为泥质灰岩、含炭质灰岩等，岩溶弱发育.物探结果反映，隧址区工程性质差，施工中易产生突水突泥的现象，会造成很大的安全隐患.
本文结合宣绩铁路蒙山2号隧道出口的实例，对TSP成果中各物理学参数分析，结合掌子面地质素描及设计资料，对隧道开挖面前方的岩体中节理裂缝发育情况预报分析，蒙山2号隧道出口掌子面TSP探测成果图如图1所示.
TSP探测成果图由图1所示，在标号DK155+255～DK155+292段，检测到横波与纵波密集出现并交错汇集，物探结果表明，隧道洞身附近总体为纵向贯通低阻带，可总体判断为受区域构造、岩性炭质及岩溶弱发育段等综合导致的低阻段.岩溶异常带需预防其为溶腔储水的影响.该隧道地质情况分级表如表1所示.
图1 TSP探测成果图
表1 掌子面地质情况分级表
图2 蒙山2号隧道出口掌子面雷达探测波形图 图3 蒙山2号隧道施工现场图
除超前地质预报外，本次探测还采用地质雷达进行不良地质探测，蒙山2号隧道出口DK155+414掌子面雷达探测波形图如图2所示，雷达探测剖面图像纵坐标表示探测深度(单位：m).根据地质雷达在隧道掌子面探测图像分析，在掌子面前方30米(DK155+250～DK155+292).得到掌子面地质情况是：对应里程为DK154+250～DK150+292，强反射，连续性差，推断围岩强风化，局部全风化，破碎节理裂隙发育；
蒙山2号隧道施工现场图见图3，拟采用旋喷桩超前支护对隧道进行加固.模型的物理力学参数参见表2.
表2 模型的物理力学指标
3.1 模型的建立与参数确定
结合上述不良地质预报结果，为探明蒙山隧道洞口段模型开挖力学响应，本文以蒙山隧道出口段高边坡工程为例进行数值分析.数值模拟采用FLAC3D软件，根据隧道施工方案图纸，建立如图4所示的模型，模型范围为：x方向0-60 m，y方向0 m-50 m，共有36027个单元和39375个节点.土体采用Mohr-column本构模型模拟，管棚采用pile结构单元进行模拟.根据等效转化原则，将旋喷桩模型转化为宽度为0.6 m的实体单元，并赋予网格较高的强度参数模拟旋喷桩加固.抗滑桩设置在边坡上，桩身距隧道洞口5 m，使用C30混凝土浇筑制成，长度为25 m，其中悬臂端长10 m，嵌入端长15m，截面尺寸为：2 m×3 m，共布置6根.法向约束施加在数值模拟模型的周围四个平面和底部平面上.
图4 计算模型
3.2 开挖计算过程
根据表1所示超前地质预报探测结果，DK155+292-DK155+264标号段围岩等级为IV级，故需采用三台阶法进行分布开挖有效控制围岩变形与地表沉降.模拟台阶法开挖的步骤顺序是：施工时上、下两层台阶依次进行开挖，上台阶先行开挖5m，开挖步距为1m，各层台阶的高度都设置为3m.
3.3 加固效果分析
共设置了三组工况进行隧道施工过程的模拟，三种工况分别是：无超前支护、旋喷桩超前支护和抗滑桩+旋喷桩组合加固工况设计如表3所示.在施加施工荷载后，对加固后边坡进行施工开挖模拟，工况三采用6根单排抗滑桩进行加固.
表3 支护设计工况表
a)工况一位移云图 b)工况二位移云图
c)工况三位移云图
由图5所示，工况一、工况二和工况三的最大沉降值分别为6.6mm和4.7mm和4.5mm，旋喷桩超前支护后相较无超前支护围岩最大变形减小了28.9%，相较工况一采用抗滑桩和超前支护组合支护围岩最大变形减小了31.8%，隧道计算模型的稳定性得到有效增加.可知，采用旋喷桩或超前小导管注浆等超前支护措施对隧道对洞口高仰坡进行预加固，会起到明显的加固围岩作用，可以一定程度减小滑面的产生.
为分析洞口处开挖支护应力变化，图6为蒙山隧道开挖至y=15m时，三种支护工况隧道衬砌结构所受的竖向应力分布云图.如图6所示，当隧道开挖至y=15m时，由于受到隧道上部坡积体挤压作用，衬砌局部承受较大应力集中.隧道拱顶与拱底受拉应力为主，符号为正，拱脚与拱脚处受压应力为主，最大压应力出现在拱脚.由图6a)所示，工况一最大压应力为5.81MPa，最大拉应力为0.27MPa；
由图6b)所示，采用水平旋喷桩支护后初支压应力最大为5.71MPa，与无超前支护相比最大压应力减小了1.7%，由图6c)所示，工况三衬砌结构最大压应力为5.63 MPa，与工况一相比最大应力减小了3.4%.结果反映抗滑桩+水平旋喷桩组合支护对减小初支受力起到了一定的作用.
a)工况一支护应力云图 b)工况二支护应力云图
c)工况三支护应力云图
3.4 桩间距敏感性分析
图7 不同桩间距加固下拱顶沉降曲线
为探究抗滑桩间距对隧道结构变形的影响，对桩间距进行敏感性分析，取抗滑桩间距分别为2m、4m和6m三组工况进行数值模拟，研究隧道洞口处开挖至y=10m处断面的拱顶沉降、拱底隆起与抗滑桩应力分布大小.最终得到的不同间距抗滑桩加固下隧道洞口拱顶沉降曲线如图7所示.
由图7可知，隧道洞口段拱顶竖向沉降值随设置抗滑桩的间距减小而减小.其中，抗滑桩间距2m、4m和6m时拱顶沉降分别为2.9mm、3.4mm和3.5mm，抗滑桩间距为2m相较4m和6m时，拱顶沉降最大值分别降低了14.7%和17.1%.得到结论，抗滑桩间距4m以上时对拱顶沉降影响较小，间距4m相较6m时最大拱顶位移值仅仅减小了2.8%，而对于2m-4m之间影响明显，减小抗滑桩间距可以有效限制隧道洞口上方围岩变形，对改善隧道受力状态起到明显的作用.
不同间距抗滑桩加固下蒙山隧道洞口隆起曲线如图8所示.
图8 不同桩间距加固下拱底隆起曲线
由图8可知，隧底隆起值随抗滑桩间距减小而减小.其中，抗滑桩间距为2m、4m和6m时拱底隆起最大值为9.57mm，10.24mm和10.34mm，拱顶沉降最大值分别降低了7.0%和7.4%.得到结论：施作板桩墙或抗滑桩能有效地减小隧道洞口上方围岩变形，控制崩塌体堆积、滑坡不良地质危害，控制减小抗滑桩间距对隧道洞口，达到"安全进洞"的目的.当抗滑桩间距设为2m时，与间距4m、6m时相比对仰拱隆起值控制效果最为突出，对洞口破碎围岩的加固效果最为明显.故在实际此类工程施工中，采用2m间距的单排抗滑桩对高仰坡隧道洞口进行加固是十分合理的.
a)桩间距2m b)桩间距4m
c)桩间距6m
图9为不同桩间距下抗滑桩mises应力分布云图.由图9可得，最小应力值处都出现在抗滑桩的顶部，应力最大值处位于距桩顶6m左右的位置，桩间距为2m、4m和6m时抗滑桩应力最大值分别为3.77MPa、3.3MPa和3.29MPa.桩的受力分布大致相同，均为“应力中间大、两端小，顶端最小”的竖向应力分布模式.总体而言，抗滑桩上部应力小于下部应力，中间应力值最大.每根桩的最大应力值均在3 MPa左右，根据规范中C30混凝土的抗压强度设计值为14.3 MPa，远未达到极限强度，有一定的安全预留.
为探明隧道洞口高边坡开挖物理力学规律，本文以蒙山隧道出口段工程为例，结合超前地质预报和超前雷达探测结果，采用FLAC3D软件对隧道洞门不同支护方式以及不同抗滑桩间距进行数值模拟，得到的分析结论如下：
1.采用抗滑桩+的综合加固措施对洞口破碎带起到了明显的加固效果，加固后的最大竖向位移值减小了31.8%，最大围岩应力减小了4%，隧道计算模型的稳定性得到有效增加.可知采用旋喷桩或超前小导管注浆等超前支护措施对隧道对洞口高仰坡进行预加固，会起到明显的加固围岩作用，可以一定程度减小滑面的产生.
2.随着抗滑桩间距增大，最大拱顶沉降和最大拱底隆起值都增大，抗滑桩间距对于4m以上时对最大位移值变化的影响较小，而对于抗滑桩间距2m-4m之间结果影响明显.综上，当抗滑桩间距设为2m时对仰拱隆起值控制效果最为突出，对洞口破碎围岩的加固效果最为明显.故在实际此类隧道工程施工当中，采用2m间距的单排抗滑桩对高仰坡隧道洞口进行加固是较为合理的.
3.不同桩间距下抗滑桩的受力分布大致相同，均为“应力中间大、两端小，顶端最小”的竖向应力分布模式，即上部应力小于下部应力，中间应力值最大.
猜你喜欢 蒙山抗滑桩拱顶 方截面抗滑桩旋挖钻成孔工艺探析建材发展导向(2022年23期)2022-12-22中核集团：全球最大LNG储罐拱顶模块吊装成功现代国企研究(2022年5期)2022-11-13上软下硬地层隧道变形规律及预留变形量研究运输经理世界(2022年2期)2022-09-20试论预应力锚索抗滑桩在滑坡治理中的应用建材发展导向(2021年13期)2021-07-28方斗山隧道拱顶FLAC沉降模拟及修正科技研究·理论版(2021年20期)2021-04-20浅谈辊道窑拱顶开裂或塌陷原因分析佛山陶瓷(2021年12期)2021-01-03浅谈地质灾害防治工程中抗滑桩设计关键要点商品与质量(2019年34期)2019-11-29古风盎然的蒙山山歌西江月(2017年4期)2017-11-22登临沂天蒙山 行歌沂蒙调旅游世界(2017年2期)2017-05-02登临沂天蒙山 行歌沂蒙调旅游世界(2017年1期)2017-03-21
