软弱夹层对隧道施工稳定性的影响分析

1 工程概况

哈尔滨绕城高速公路东北段天恒山隧道为黑龙江省在建的严寒地区大断面浅埋粘土隧道。隧道为双洞分离式设计, 单向双车道, 单洞上行线长1660m, 下行线长1690 m。建筑限界为净宽11.5m, 净高5m。隧道普通断面开挖量为126m2, 紧急停车带加宽断面开挖面积达163m2, 属大断面隧道。隧道标准断面开挖跨度14m, 高约11.2m;加宽段跨度约17m, 高12m。天恒山隧道位于松嫩平原松花江中游地带, 为平原、微丘区。路线所经地带海拔高度在111m~190m之间, 隧道埋深最小处4m, 最大埋深38.5m, 属于全隧浅埋类型。隧道地层分区为松嫩平原分区, 地层分布主要有白垩系 (K) 及第四系 (Q) , 本区缺失第三系地层。根据天恒山隧道设计钻孔揭露及室内土工试验结果, 隧道处岩土主要为亚粘性土, 局部见砂层, 含水量在20%~24%之间。隧道穿越地层为第四系堆积层, 围岩构成比较单一, 洞身大致在K88+350到K88+700范围内位于砂层, 其余大部分为粘土、亚粘土层, 土层多为硬~可塑状态, 围岩类别为Ⅴ~Ⅵ。天恒山隧道在不同里程位置存在5-1、5-2、7-1、8-2等软弱夹层, 厚度不一, 最大厚度5.4m, 在隧道拱顶及上半部拱身、拱腰、拱底处均有出现, 夹层地基承载力为110kpa~270kpa。

2 设计支护参数

隧道视地质条件的变化, 采用短台阶法、上下导坑环型开挖预留核心土法、CRD法等进行施工。支护参数主要依据工程类比确定, 初期支护采用“喷射混凝土+钢筋网+钢拱架”联合支护体系, 标准段面的设计支护参数见表1所示。

3 软弱夹层影响分析

对软弱夹层段隧道稳定性进行计算分析, 施工方法为上下导坑环型开挖预留核心土法, 采用有限元程序对夹层处于不同位置进行了力学模拟分析, 分析了夹层对隧道稳定性的影响。

3.1 基本假设及计算模型

有限元模型计算范围及边界条件:竖向70m, 水平向100m, 隧道埋深12m。取位移边界条件, 左右边界水平方向约束, 下边界竖直方向约束, 上边界为自由边界。软弱夹层位置分别为:拱顶上方5m, 拱脚, 隧道底5m。围岩初始应力场只考虑自重应力, 不考虑构造应力;开挖瞬间地应力释放率为60%, 其余地应力在初期支护施作后释放;不考虑空间效应, 按平面应变问题模拟;只考虑初期支护的作用, 二次衬砌作为安全储备, 模拟时不予考虑;初期支护只考虑喷混凝土和锚杆的作用, 钢拱架看作对围岩强度开挖松动的恢复;围岩用DP材料来模拟, 且不考虑体积的膨胀, 喷射混凝土假定为线弹性材料;开挖模拟分两步, 开挖上部导坑和核心土及施作初期支护为第一步, 下部开挖及施作仰拱为第二步。

隧道围岩为Ⅴ~Ⅵ类围岩, 因围岩计算参数取值较难确定, 考虑JTGD70—2004《公路隧道设计规范》的规定并结合该工程岩土勘察资料, 选用围岩参数。围岩、夹层、喷射混凝土支护的材料物理力学参数取值见表2。

3.2 模拟计算结果

数值分析结果见图2~图5所示。对围岩应力变形进行讨论, 由计算结果可见:不含夹层和夹层位于拱底时地层竖向位移、塑性应变与图2、图4显示的形式大致相同。不含夹层、夹层位于拱顶及拱底时, 开挖使地层形成拱顶至地表的竖向V形沉降槽。且不含夹层、夹层位于拱顶及拱底时位移量相当, 但有 (拱顶) > (拱底) > (不含) 的趋势;夹层位于拱脚时, 沉降槽接近于U形, 且沉降量为最大, 上部开挖后达到其它情况的1.5倍左右, 下部开挖后达到其它情况的1.3~1.4倍。模拟的拱顶地层变形也说明该隧道未形成承载拱, 为浅埋隧道。

上部开挖后, 拱脚下及外侧土体发生竖向塑性压应变, 拱脚内侧发生竖向塑性拉应变。不含夹层、夹层位于拱顶及拱底时塑性应变范围在2.5m内, 夹层位于拱脚时塑性应变范围较小, 主要分布在夹层内;下部开挖后, 拱脚外侧塑性压应变范围均有所增大。由计算结果分析可知, 含有夹层时拱脚处竖向塑性应变增大, 夹层位于拱顶、拱底时应变值增加幅度较小, 而夹层位于拱脚时, 开挖后拱脚下压应变值达到其它情况的约4倍。

由以上模拟计算结果可知, 在软弱夹层的影响下, 围岩变形及应力均增大, 拱脚两侧范围开挖后应力最大, 拱脚处产生塑性应变, 是最薄弱部位, 软弱夹层位于隧道开挖拱脚时这种影响最大。

4 工程实例分析

天恒山隧道2007年2月22日隧道上行线进口段SK88+457~SK88+488段发生沉陷, 隧道进口至SK88+457段初期支护完好稳定, SK88+457~+462.3段塌通至地表。隧道SK88+462.3~+488区段, 支护拱与其上覆土体整体沉陷2m~3m, 塌方段隧道埋深12m左右。隧道塌方示意图见图6。

分析隧道塌方机理, 根据勘探结果显示, 该段隧道开挖拱脚下部含有软弱夹层, 其力学参数C、明显偏小。洞口的稳定段施作了仰拱, 衬砌得到了封闭, 其稳定性得到保证;掌子面后25.7m发生整体沉陷, 且沉陷段初期支护完好, 说明塌方原因不在于初期支护本身的强度。根据论文以该塌方为背景进行的数值分析可见:在隧道上部开挖后, 拱脚处为最薄弱环节, 在软弱夹层的影响下, 围岩应力、变形增大, 地基承载力不足, 导致开挖后初期支护下沉量过大, 围岩进一步松动, 使隧道结构失稳, 尤其是软弱夹层位于拱脚时这种失稳更易发生。因此, 此次塌方的直接原因是拱脚处软弱夹层地基承载力不足所致。这与塌方的整体塌陷方式是相符的, 塌通至地表的5.3m是因为受整体沉陷段的牵拉发生剪切破坏。

5 结语

土质隧道开挖、支护形成的土拱效应使得拱脚处出现应力集中, 在含有软弱夹层的时, 夹层位于隧道拱脚附近为最危险情况, 此时易因地基承载力不足而导致拱脚处地基失稳下沉, 从而引起整体隧道塌陷, 这种整体下沉破坏形式的可预见性较低, 在土质隧道施工中地基承载力问题应引起重视, 可采取设置锁脚锚杆、增大初支拱脚面积、增设横支撑、地基注浆预加固等方法处理。

摘要：哈尔滨绕城公路天恒山隧道为严寒地区的浅埋土质隧道, 隧道地质条件较差, 隧道洞身含有软弱夹层, 本文分析了软弱夹层位于隧道不同位置时对隧道施工期间稳定性的影响, 得出了隧道开挖时, 软弱夹层位于拱脚附近时为最不利情况的结论, 此时易引起地基承载力不足而发生失稳。论文研究成果对指导天恒山隧道的施工有积极的实用价值。

关键词：隧道工程,土质隧道,软弱夹层,稳定性

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