公路掛壁隧道圍巖穩(wěn)定性研究

黃康

重慶交通大學(xué)，中國(guó)·重慶 400074

1 引言

20世紀(jì)60年代中國(guó)山區(qū)勞動(dòng)人民為走出深山，在無(wú)現(xiàn)代機(jī)械的情況下，僅憑鋼釬和鐵錘在太行山近90°峭壁上開(kāi)鑿出了30 多個(gè)“窗口”，由此形成工作面人工開(kāi)挖長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的掛壁公路。曾經(jīng)的“窗口”目的在于形成工作面、自然通風(fēng)及采光、傾倒挖出的石渣；如今這些“窗口”成為各地游客游覽的觀景臺(tái)。其修建沒(méi)有國(guó)家規(guī)范作為指導(dǎo)，也缺乏詳盡的工程地質(zhì)與水文資料，更沒(méi)有科學(xué)研究作為基礎(chǔ)。目前國(guó)際上對(duì)此類結(jié)構(gòu)研究較少，論文將對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為未來(lái)的相似工程提供參考。

2 研究背景

中國(guó)山區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)一側(cè)緊鄰山體，另一側(cè)是河流深谷的路段，多以路基的形式修建，在建設(shè)期間需要大面積刷坡，形成多級(jí)高邊坡，此種方式建設(shè)成本高，對(duì)環(huán)境保護(hù)不利，運(yùn)營(yíng)期間落石掉落導(dǎo)致交通中斷[1]。中國(guó)西南地區(qū)多為厚層石灰?guī)r，巖質(zhì)堅(jiān)硬，山中村民為解決出行煩惱，在沒(méi)有國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，缺乏詳細(xì)的工程地質(zhì)、地貌和水文資料的情況下，僅憑對(duì)家鄉(xiāng)的了解，對(duì)掛壁隧道進(jìn)行選線，在沒(méi)有施工機(jī)械、不敢大規(guī)模使用炸藥的情況下，利用繩索懸掛在巖壁，用鐵鍬鑿開(kāi)巖壁制造施工平臺(tái)，進(jìn)入到山體內(nèi)部后再利用鐵錘和鋼釬慢慢掘進(jìn)，最終形成在臨空側(cè)間隔開(kāi)洞的半山洞路基和類棚洞相結(jié)合的掛壁隧道[2,3]。

3 數(shù)值模型建立

針對(duì)掛壁隧道的特殊位置、開(kāi)窗位置及圍巖條件，利用FLAC3D 有限差分軟件對(duì)掛壁隧道在不同傾斜度下位移、圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)等方面進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其變化規(guī)律。

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

隧道寬7.2m，高度為7m；側(cè)壁窗口為寬5m，高6m 的矩形，厚2m。在水平方向上取60m；在垂直方向上取120m；在縱深方向上，模型長(zhǎng)度取50m。傾斜度為80°和90°。

3.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖按照實(shí)際掛壁隧道情況未進(jìn)行支護(hù)，圍巖材料按照J(rèn)TG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第一冊(cè)土建工程選取，見(jiàn)表1。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 開(kāi)挖圍巖應(yīng)力分析

拱頂最大主應(yīng)力隨巖壁傾斜度i 的增加變化較小，開(kāi)挖完成后最大主應(yīng)力值均為正值，表現(xiàn)為拉應(yīng)力；拱頂最小主應(yīng)力隨掌子面推進(jìn)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在第一個(gè)側(cè)壁開(kāi)洞完成后，由于開(kāi)挖卸荷的原因?qū)е伦钚≈鲬?yīng)力減小約800KPa，最終為負(fù)值，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，開(kāi)挖結(jié)束后的應(yīng)力值相差較小，表明崖壁傾斜度對(duì)拱頂最小主應(yīng)力的影響較小。當(dāng)i ＝90°時(shí)，臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力值為-3.8MPa，靠山側(cè)邊墻為-2.4MPa，由于臨空面的存在，使得臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力比靠山側(cè)邊墻大（見(jiàn)圖1）。

圖1 不同巖壁傾斜度圍巖最大主應(yīng)力云圖

4.2 開(kāi)挖圍巖位移分析

由圖2可知，隨巖壁傾斜度的增大，主隧道拱頂沉降區(qū)域和側(cè)壁洞頂沉降區(qū)域由孤立的兩個(gè)區(qū)域逐漸聯(lián)通為一個(gè)整體，表明這一區(qū)域有整體下移的趨勢(shì)，數(shù)值也與巖壁傾斜度正相關(guān)；巖壁傾斜度的增加對(duì)靠山側(cè)邊墻橫向位移區(qū)域有明顯增大趨勢(shì)。靠山側(cè)邊墻橫向位移與巖壁傾斜度呈正向關(guān)系，巖壁傾斜度為90°時(shí)位移達(dá)最大值，為0.74mm；臨空側(cè)邊墻位移隨開(kāi)挖進(jìn)尺增加逐漸增大，在前兩個(gè)側(cè)壁開(kāi)挖時(shí)位移有所減小，后繼續(xù)增大，第二個(gè)側(cè)壁開(kāi)挖后位移逐漸穩(wěn)定，最大值為i=90°時(shí)，為0.66mm。

圖2 不同側(cè)壁洞寬圍巖橫向位移云圖

巖柱的橫向位移受巖壁傾斜度的影響不大，側(cè)壁開(kāi)洞對(duì)其位移增大有減緩趨勢(shì)。側(cè)壁洞頂位移在開(kāi)挖至24m 時(shí)位移大幅增加，后變化速率逐漸減小，且與巖壁傾斜度正相關(guān)，不同工況下側(cè)壁洞頂位移值分別為-2.19mm、-2.44mm，增長(zhǎng)率分別為側(cè)壁洞頂位移增長(zhǎng)率先增大，后趨于平穩(wěn)。

4.3 圍巖塑性區(qū)對(duì)比分析

由圖3可知，巖壁傾斜度對(duì)圍巖的塑性區(qū)分布影響較小，主要集中在拱頂、底板和側(cè)壁洞頂和洞底，塑性區(qū)范圍主要在拱頂以上2.5m，底板以下2.8m，側(cè)壁洞頂1m，底板1m。，當(dāng)i=80°時(shí)，側(cè)壁洞底塑性區(qū)深度與拱頂塑性區(qū)深度之比在40%起伏，說(shuō)明此范圍內(nèi)巖壁傾斜度的改變對(duì)拱頂與側(cè)壁洞頂塑性區(qū)深度的影響不大，當(dāng)i=90°時(shí)，拱頂塑性區(qū)深度增大，使得比值減小9%，應(yīng)關(guān)注隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性。

圖3 不同工況下塑性區(qū)分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

論文針對(duì)影響掛壁隧道圍巖穩(wěn)定的兩個(gè)因素，采用有限差分軟件FLAC3D 建立了不同側(cè)壁開(kāi)洞寬度和巖壁傾斜度的掛壁隧道圍巖穩(wěn)定三維模型，分析了不同工況下掛壁隧道應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分布規(guī)律，主要結(jié)論如下：

①拱頂最大主應(yīng)力受巖壁傾斜度改變的影響較小，底板最大主應(yīng)力與巖壁傾斜度呈正向關(guān)系。

②巖壁傾斜度改變對(duì)拱頂最小主應(yīng)力影響較小，對(duì)臨空側(cè)邊墻最小主應(yīng)力影響較大。

③巖壁傾斜度改變所有工況下，側(cè)壁洞頂位移均大于拱頂位移，實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)側(cè)壁洞頂位移的監(jiān)控量測(cè)。由于未設(shè)支護(hù)和靠近巖壁臨空面，隧道兩側(cè)邊墻位移沒(méi)有出現(xiàn)水平收斂現(xiàn)象，側(cè)壁開(kāi)洞兩側(cè)位移趨勢(shì)表現(xiàn)為洞周收斂。

④巖壁傾斜度對(duì)隧道周邊塑性區(qū)深度影響較小。