基于有限元分析的公路隧道塌方處治對策研究

歐陽璐，唐明亮，王 剛，苑文博

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國交通總體發(fā)展水平的不斷提升，公路隧道工程建設(shè)也得到了長足發(fā)展，可有效節(jié)省地面建筑空間，有利于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而在各類錯(cuò)綜復(fù)雜的地質(zhì)地形條件下，隧道施工過程中可能會(huì)遭遇塌方事件，有針對性的處治方案能夠很大程度上減少二次塌方的可能性，并減輕塌方損失、保障生命財(cái)產(chǎn)安全。

針對公路隧道塌方產(chǎn)生的原因及處治對策方面，已有諸多研究成果：侯艷娟等[1]統(tǒng)計(jì)總結(jié)了多次隧道塌方事故，系統(tǒng)分析隧道塌方的具體演化過程以及產(chǎn)生的內(nèi)在原因，分別從環(huán)境原因、結(jié)構(gòu)原因以及圍巖原因三方面對其進(jìn)行界定，提出了對應(yīng)的安全控制措施；張建軍等[2]利用有限元數(shù)值分析軟件對隧道施工過程中發(fā)生的塌方事件進(jìn)行分析，回溯事故發(fā)生的演化過程，并結(jié)合模擬結(jié)果分析塌方原因、提出相應(yīng)整治措施；劉艷明[3]針對公路隧道施工中發(fā)生的地表塌陷事件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提出地表及地下水是此次塌方發(fā)生的主要原因，并擬定了針對性處治方案；曾波存等[4]針對滲水引起的隧道塌方進(jìn)行研究，認(rèn)為巖體穩(wěn)定性不足等是其發(fā)生的內(nèi)在緣由，從而進(jìn)行有效處治；吳永波等[5]利用有限元數(shù)值分析法，模擬得出了隧道塌方產(chǎn)生的原因，得出避免塌方發(fā)生所須重點(diǎn)關(guān)注的要點(diǎn)；張旭等[6]結(jié)合砂卵石地層公路隧道實(shí)體施工工程，提出了一種結(jié)合注漿、支撐、管棚等要素在內(nèi)的綜合處治方案，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)論證了其高效性。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中于公路隧道塌方產(chǎn)生機(jī)理方面，在論證公路隧道塌方處治相關(guān)措施有效性方面則主要依靠現(xiàn)場相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)。也有學(xué)者將有限元分析法引入了隧道塌方相關(guān)事件，但主要是用于回溯事故發(fā)生的演化過程，未能將其與相關(guān)處治方案的處治結(jié)果相結(jié)合。因此，本文依托某高速公路隧道施工工程，以施工過程中發(fā)生的塌方事件為例，提出了有效的公路隧道塌方處治對策；采用了有限元數(shù)值分析軟件以及現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測，對處治后的工程分別進(jìn)行模擬與驗(yàn)證。研究成果可為公路隧道施工避免塌方發(fā)生、減輕塌方損失、保障生命財(cái)產(chǎn)安全方面提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程背景

本文依托的公路隧道施工項(xiàng)目屬于分離式隧道結(jié)構(gòu)，全線分布Ⅲ級、Ⅳ級以及Ⅴ級圍巖。發(fā)生隧道塌方事件的地點(diǎn)位于右線隧道，設(shè)計(jì)為單向四車道，全長615 m。該隧道施工項(xiàng)目圍巖主要為破碎花崗軟巖、粉質(zhì)黏土，剖面圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目地質(zhì)剖面圖

2 塌方過程簡介

在隧道塌方發(fā)生前進(jìn)行了爆破施工，爆破完成后并沒有產(chǎn)生塌方先兆。后期出碴工序中施工人員發(fā)現(xiàn)拱頂處發(fā)生流砂現(xiàn)象，項(xiàng)目組要求立刻停止施工，并安排作業(yè)人員和機(jī)械及時(shí)撤離到安全區(qū)域。施工人員嘗試封堵流砂孔口，但因土質(zhì)疏松，未能取得預(yù)期成果。待流砂現(xiàn)象結(jié)束后，采用噴射混凝土方案對流砂區(qū)域范圍進(jìn)行加固支護(hù)。在噴射混凝土過程第65 min左右，發(fā)生隧道塌方事件。經(jīng)現(xiàn)場評測估算，塌方體體積約為950 m3，上部坍塌腔體深度約為12 m。

3 原因分析及處治對策

3.1 塌方原因分析

塌方發(fā)生后，項(xiàng)目組立即組織力量對事件進(jìn)行調(diào)查分析，并將塌方的原因歸結(jié)為三個(gè)主要方面：

3.1.1 塌方處土體下層硬上層軟

塌方事件發(fā)生處地質(zhì)條件相對較差，土體下層硬上層軟。在挖掘過程中，支護(hù)措施不完善、支護(hù)方案不適用以及支護(hù)未及時(shí)跟進(jìn)等均可能引起圍巖應(yīng)力短時(shí)間內(nèi)集中驟增，直接引發(fā)塌方事件。

3.1.2 爆破進(jìn)尺偏深

事故發(fā)生前隧道施工中導(dǎo)洞的上臺階已接近貫通，因此選取了一排炮的爆破方案進(jìn)行處理，爆破進(jìn)尺偏深，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)也相對更明顯，加之周邊土體下層硬上層軟，更加容易引發(fā)土體不穩(wěn)，最終引起塌方事件。

3.1.3 管棚注漿效果不理想

施工過程中的進(jìn)洞大管棚長為30 m，但在挖掘時(shí)監(jiān)測到在15 m長度處發(fā)生侵限現(xiàn)象。此外，管棚注漿效果并不理想，無法很好地加固周圍的不穩(wěn)定土體。將發(fā)生侵限現(xiàn)象的部分管棚切除，直接導(dǎo)致棚架作用發(fā)揮不充分，從而無法保證周邊土體穩(wěn)定性。

3.2 塌方處治對策

在初步分析塌方事件發(fā)生原因后，項(xiàng)目組及時(shí)提出了對應(yīng)的處置對策，提出塌方洞口填土澆筑混凝土護(hù)拱、徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)并配合掌子面法向注漿補(bǔ)強(qiáng)的綜合方案。具體的方案說明如圖2所示。

圖2 處治對策示意圖

其中砂袋回填高度與拱頂持平，在其上回填1 m厚填土并仔細(xì)夯實(shí)。塌方腔體進(jìn)行錨噴網(wǎng)加固前須清除壁面松動(dòng)土體，在上方地表處做好封閉并設(shè)置合理的排水措施。

4 有限元分析

4.1 模型搭建

結(jié)合公路隧道施工項(xiàng)目實(shí)際所處地形地質(zhì)條件，將塌方事件發(fā)生處周邊相關(guān)信息考慮在內(nèi)，建立二維有限元數(shù)字模型。考慮到邊界條件問題，模型左右兩側(cè)方向跨度參照3倍隧道寬度，下側(cè)深度參照3倍隧道高度，最終確定有限元模型，如圖3所示。模型左右兩側(cè)邊界約束其橫向位移，模型下側(cè)邊界約束其豎向位移，只將重力作用納入計(jì)算過程，除了支護(hù)點(diǎn)處選擇梁單元外，其他處都選擇平面應(yīng)變單元。二次襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析選取荷載-結(jié)構(gòu)模型方案。為了減少模擬分析計(jì)算量，徑向及法向注漿補(bǔ)強(qiáng)均以直接提升周邊土體相關(guān)參數(shù)等效替換。

圖3 有限元二維模型示意圖

4.2 參數(shù)確定

依照規(guī)范并結(jié)合工程地勘數(shù)據(jù)確定了相關(guān)土體及設(shè)施的參數(shù)，如表1所示。其中支護(hù)設(shè)施選取彈性本構(gòu)模型，隧道周邊土體則選取了Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。二次襯砌的荷載設(shè)定為設(shè)計(jì)荷載的0.7倍，側(cè)向壓力系數(shù)取值為0.4。

表1 參數(shù)確定結(jié)果表

4.3 施工步設(shè)置

模型設(shè)置的初始狀態(tài)為前文處治對策處治后的狀態(tài)，后續(xù)設(shè)定有7個(gè)施工步，如圖4所示。

圖4 施工步設(shè)置示意圖

4.4 模擬結(jié)果分析

4.4.1 位移分析

將各施工步對應(yīng)的拱頂沉降位移、水平凈空位移的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5、圖6所示。

圖5 拱頂沉降位移變化曲線圖

分析可以發(fā)現(xiàn)，二者位移均隨著施工步的推進(jìn)呈現(xiàn)出先驟變后穩(wěn)定的趨勢，分界點(diǎn)為第4施工步，這說明下臺階開挖支護(hù)步驟對隧道穩(wěn)定性情況有著決定性作用，需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注并加強(qiáng)監(jiān)測。

4.4.2 應(yīng)力分析

分析隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力情況，如下頁圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，在隧道兩側(cè)邊墻處存在最大拉應(yīng)力，數(shù)值為0.45 MPa，并不會(huì)造成防護(hù)錨噴網(wǎng)的破壞，這說明前文所述處治方案能有效保證隧道整體的穩(wěn)定性。

圖7 最大主應(yīng)力分布云圖

4.4.3 二次襯砌分析

處治后的隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)軸力及彎矩分布情況如圖8、圖9所示。

圖8 拱頂沉降位移變化云圖

圖9 水平凈空位移變化云圖

可以發(fā)現(xiàn)，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)，其中最大處位于仰拱下部，兩側(cè)分布有一定的負(fù)彎矩。其中安全系數(shù)最小值位于墻角處，為2.2，大于規(guī)范要求的2.0，這說明處治加固后的二次襯砌結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求，具有足夠的穩(wěn)定性。

5 現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測

對塌方進(jìn)行針對性處治的同時(shí)對拱頂沉降和水平凈空收斂情況進(jìn)行現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測，為期40 d的監(jiān)測結(jié)果匯總?cè)鐖D10所示。

圖10 現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測曲線圖

可以發(fā)現(xiàn)，處治完成15 d后，拱頂沉降和水平凈空收斂均達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，不再產(chǎn)生明顯變化，與前文有限元模擬結(jié)果高度吻合，說明處治對策對此次公路隧道塌方事件有著很好的適用性。

6 結(jié)語

本文依托某高速公路隧道施工工程，以施工過程中發(fā)生的塌方事件為例，提出了有效的公路隧道塌方處治對策；采用了有限元數(shù)值分析軟件以及現(xiàn)場指標(biāo)監(jiān)測，對處治后的工程分別進(jìn)行模擬與驗(yàn)證，得出如下主要結(jié)論：

(1)事件發(fā)生的主要原因包括塌方處土體下層硬上層軟、爆破進(jìn)尺偏深以及管棚注漿效果不理想等。

(2)下臺階開挖支護(hù)步驟對隧道穩(wěn)定性情況有著決定性作用，需要重點(diǎn)關(guān)注并加強(qiáng)監(jiān)測。

(3)塌方洞口填土澆筑混凝土護(hù)拱、徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)并配合掌子面法向注漿補(bǔ)強(qiáng)的綜合方案能夠有效處治公路隧道塌方事件。