复杂地质隧道洞口段穿越既有抗滑桩施工方案研究.pdf

第4 1卷第10 期2023年10 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)10-0 18 1-0 8Vol.41,No.10Journal of Municipal Technology0ct.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.10.181复杂地质隧道洞口段穿越既有抗滑桩施工方案研究张立军1,王怀正2.3*，宋战平2.3,王盼1,何芹！(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都6 11130；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安7 10 0 55;3.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安7 10 0 55)摘要：复杂地质条件下隧道洞口段施工对围岩扰动较大，容易发生滑塌现象，以四川省攀枝花市阳光隧道工程为例，采用MidasGTSNX软件建立隧道洞口段三维模型，探讨了在扶壁式挡墙十置换桩的综合治理措施下，隧道和置换桩结构以及边坡位移场和应力场的变化特征，分析了该施工方案的合理性，并预测了边坡潜在滑动面以及隧道开挖薄弱部位。通过研究可知，隧道边墙以及破桩区上部既有抗滑桩处为施工薄弱环节；隧道拱顶的最大沉降值为-2 5.0 7 mm，置换桩结构X、Y向最大位移分别为2.8 7、-4.47mm，边坡安全系数为1.7 0,均满足施工规范要求；典型断面拱顶沉降以及净空收敛均满足施工设计控制值要求。该施工方案对后续复杂地质条件下隧道开挖具有一定的参考价值。关键词：隧道；洞口段；昔格达地质；抗滑桩；数值模拟；置换桩结构中图分类号：U455；T U 4 57Study on Construction Scheme of the Complex Geological Tunnel PortalZhang Lijun,Wang Huaizheng*,Song Zhanping*,Wang Pan,He Qin(1.Sinohydro Bureau 7 Co.,Ltd.,Chengdu 611130,China;2.School of Civil Engineering,Xian University of Architectureand Technology,Xian 710055,China;3.Shanxi Key Laboratory of Geotechnical and Underground Space Engineering,Abstract:In complex geology,the construction of tunnel portal has great disturbance to the surrounding rocks andoften cause slides.Based on the Yangguang Tunnel Project in Panzhihua City,Sichuan Province,a 3D numericalmodel of the tunnel portal is established by Midas GTS NX software.Under the comprehensive treatment measures ofsupporting wall retaining wall+altered pile,the variation characteristics of tunnel,altered pile structure and dis-placement field and stress field of the slope are discussed.The rationality of the construction scheme is analyzed,and the potential sliding surface of the slope and the weak parts of the tunnel excavation are predicted.The researchshows that the existing anti-slide piles on the side wall and the upper part of the broken pile area are the weak links;The maximum settlement value of tunnel vault is-25.07 mm.The maximum displacement of altered piles in X and Ydirection is 2.87 mm and-4.47 mm respectively.The slope safety factor is 1.70.All meet the construction requirements;Both the settlement and headroom convergence of typical section arch meet the construction design control value.The construction scheme has reference value for the subsequent excavation under complex geological conditions.Key words:tunnel;the portal section;Xigeda geology;anti-slide piles;numerical simulation;altered pile structure文献标志码：ACrossing the Existing Anti-slide PileXian 710055,China)收稿日期：2 0 2 3-0 4-19基金项目：国家自然科学基金资助项目（52 17 8 393）；陕西省创新能力支撑计划-创新团队（No.2020TD-005）作者简介：张立军，男，高级工程师，学士，主要从事隧道施工技术研究工作。通讯作者：王怀正，男，在读博士研究生，主要研究方向为隧道施工技术。引文格式：张立军，王怀正，宋战平，等.复杂地质隧道洞口段穿越既有抗滑桩施工方案研究.市政技术，2 0 2 3,4 1（10)：18 1-18 8.（ZHANGLJ，WANG H Z,SONG Z P,et al.Study on construction scheme of the complex geological tunnel portal crossing the existing anti-slide pile JJ.Journal of municipal technology,2023,41(10):181-188.)市放技术182Journal of Municipal Technology近年来,山区城市为缓解交通压力，拓展新空间以及隧道建设已成为完善交通系统的发展趋势。对于城市隧道而言，施工区域周边环境复杂，隧道通常紧邻既有建(构)筑物,穿越交通流量较大的城市主干道且隧道埋深较浅 1-3。尤其对于隧道洞口段，隧道施工对围岩扰动大且对施工安全要求高，因此保证隧道洞口段施工安全是隧道施工的关键环节。目前,为寻求合理的隧道以及边坡治理措施，相关学者取得了一系列研究成果。李贵民 4 针对下穿岩堆段隧道地表开裂等问题，提出了增强管棚强度和优化隧道轮廓线等方式控制地表变形。丁祖德等 5对管棚力学模型进行了改进，引入了空间效应对管棚施工参数的合理性进行分析。张航等 6 、卢光兆等 7 针对下穿岩堆段隧道衬砌开裂等问题，得出了采用带有竖向支撑的中隔壁法或双侧壁导坑法更能保证隧道变形稳定的结论。Hu等 8 分析了偏压隧道入口断面的空间力学特性，提出了隧道浅埋侧采用反压措施以约束外凸变形的结论。Bayer等 9 建立了边坡地质、地貌模型，记录了滑坡运动的时空发展，认为滑坡下开挖远远大于水文地质对坡体的影响。而防治滑坡主要是通过增加抗滑力或减少滑动力来实现的,通常采用坡向回填、抗滑桩 10 、锚索 11、挡土墙等措施增加抗滑力，采用坡顶卸载、排水等措施减少滑动力。Wang等 12 研究了古滑坡与隧道相互作用机理,利用数值模拟反分析了滑坡变形范围,得出了拆除隧道上方部分区域以保证隧道正常施工运营的结论。董建华等 13 基于冻土边坡，创新性地提出了新型框架免动力加速对流锚杆，能明显降低边坡1330开挖方向13201310130012901270126012501240K5+7202数值模拟2.1模型建立及参数确定笔者采用MidasGTSNX软件建立阳光隧道左线第4 1卷土体冻胀效应。牌立芳等 14 对下托式抗滑桩加固效果进行了分析，认为下托式抗滑桩能减小仰拱变形破坏并改善隧道以下坡体滑移。郑明新等 15 为解决偏压隧道局部坡体滑移问题，提出了对坡面挂网喷浆支护、坡体施作锚杆支护和局部钢花管注浆等方式，经过实践证明该方案不仅提高了边坡稳定性，还大大减小了地表沉降。刘运泽等 16 针对堆积体边坡提出了抗滑桩十锚杆和锚索框架梁十坡脚回填反压综合治理措施。上述针对隧道边坡治理体系的研究较多，但对于穿越既有抗滑桩隧道治理体系的研究尚少。基于此，笔者以四川省攀枝花市阳光隧道工程为背景，提出扶壁式挡墙十置换桩的治理体系，并采用数值模拟分析隧道开挖薄弱环节以及边坡潜在滑动面，最终选取典型断面监测隧道拱顶沉降，从而验证施工方案的合理性，为类似工程提供借鉴。1工程概况四川省攀枝花市阳光隧道工程左线起止里程为K4+232K5+895，全长为16 6 3m。隧道出口段下伏基岩为昔格达组泥岩与粉砂岩互层，上覆素填土层，厚度为0.52.0 m（如图1所示）。隧道出口段规划从炳三区道路边坡下部桩板墙穿出，边坡高度约4357 m,边坡现已采用桩锚挡墙相结合的方式治理，坡底为抗滑桩十锚索支挡结构。为保证新建隧道和既有山体边坡的整体安全稳定，提出采用扶壁式挡墙十置换桩的转换体系承受由于局部抗滑桩截断诱发的下滑力。口甲刻素填土昔格达土（泥岩与粉砂岩互层）个K5+895图1阳光隧道地层分布图Fig.1 The stratum distribution of Yangguang TunnelK5+807K5+907段有限元模型，模型尺寸为10 0 mX90mx70m（长宽高），具体如图2 所示。模型中土体和转换体系的桩十板十肋以及既有抗滑桩采用三维实体单元模拟，新建隧道衬砌结构和边坡格构梁K5+978第10 期（等效后采用壳单元模拟，既有边坡锚杆采用植入式桁架单元模拟。模型中土体采用理想弹塑性本构模型，遵循摩尔-库伦屈服准则。根据地质勘察报告，模型材料参数见表1。原抗滑扶健式挡墙素填土泥岩与粉砂岩互层张立军等：复杂地质隧道洞口段穿越既有抗滑桩施工方案研究C20l海王回填隧道3 部隧道4部隧道部1832.2施工顺序1)置换桩体系施工：为降低原抗滑桩断裂对边坡稳定性和地基承载力的影响,采用扶壁式挡墙十置换桩来增强边坡和隧道体系的施工稳定性。原抗滑桩尺寸为2 mx3m,新建抗滑桩直径为2.5m,如图3a)所示。2)管棚施工：挖除板下管棚施作所需土体，并破除原抗滑桩;0 10 8 mm钢管管棚长为30 m,环向间距为4 0 mm，如图3b)所示。管棚原抗滑桩35.1413.82隧道2部20.29扶壁式挡墙27.45a)模型外观图13.0011.50混凝土支护锚杆新建抗滑桩a)平面图(m)板护拱管棚管棚破桩区b)破桩区模型细观图图2 阳光隧道有限元模型Fig.2 Finite element model of Yangguang Tunnel表1模型材料参数Tab.1 Model material parameters抗剪强度指标重度/泊松弹性模量/材料名称黏聚力/内摩擦角/(kN/m)比MPa素填土17.00泥岩与粉砂岩互层19.50隧道喷射混凝土24.00锚杆24.00扶壁式挡墙25.00新建抗滑桩24.00原抗滑桩24.00混凝土支护24.00管棚22.00C20混凝土回填23.56抗滑桩Fig.3 The structure of the altered piles3)护拱施工以及隧道开挖：采用C20混凝土回kPa（）0.3100.3600.23588000.22100000.233 6140.2319260.2255410.2315000.3300000.225500抗滑桩b)剖面图图3置换桩结构示意图填板底部和桩与隧道间隙；待混凝土养护完成后，8122024隧道采用交叉中隔墙法开挖；初期支护采用I20a钢拱架,纵向间距为6 0 mm并喷射厚为2 6 cm的C25混凝土。3施工方案合理性验证3.1隧道稳定性分析3.1.1隧道变形分析由于隧道围岩为昔格达土，受施工扰动后土体市放技术184Journal of Municipal Technology强度大幅降低，因此隧道围岩不能形成有效的土拱效应。采用扶壁式挡墙+置换桩加固后，,在CRD法开挖下不同施工阶段隧道沉降云图如图4 所示。Displacement,mm+1.435e+001+3.760e+000+2.364.e+000-14.26mm+1.535e+000+9.053.e001+4.356 e-001+7.152e002+14.35mm-1.858 e-001-5.596.e-001-1.217e+000-2.038e+000-3.037e+000-1.426e+001a）隧道1部开挖Displacement,mm+1.400e+001+4.245e+000-14.33mm+2.728 e+000+1.743 e+000+9.992e-001+4.682 e-001+6.614 e-002-2.070 e-001+14.00mm-6.756 e-001-1.444 e+000-2.406 e+000-3.467e+000-1.433e+001b）隧道2 部开挖Displacement,mm+1.530e+001+4.513 e+000-24.20mm+2.804e+000+1.741 e+000+9.633 e001+4.189 e-001+1.922.e-002+15.30mm2.608 e001-8.172e-001-1.648e+000-2.680 e+000-3.832e+000-2.420 e+001c)隧道3部开挖Displacement,mm+1.478e+001+1.150 e+001+8.219 e+000-24.60mm+4.937e+000+1.655 e+000-1.627 e+000-4.909e+000-8.191e+000-1.147 e+000+14.78mm-1.476 e+001-1.804e+001-2.132e+001-2.460 e+001d）隧道4 部开挖第4 1卷Displacement,mm+1.440e+001+4.567e+000+2.662e+000-25.07mm+1.582e+000+0.825e+000+0.290 e+000+0.085e+000-0.390e+000-1.084 e+000+14.40mm-2.013e+000-3.126e+000-4.534e+000-2.507 e+001e）临时支护体系拆除图4 CRD法开挖下不同施工阶段隧道沉降云图Fig.4 Cloud chart of tunnel settlement at different constructionstages by CRD excavation从图4 可以看出，隧道1部开挖时，最大沉降值为-14.2 6 mm，位于隧道左侧拱部；隧道2 部开挖时，最大沉降值为-14.33mm，较隧道1部开挖变化较小，但上覆土体变形沿隧道拱部继续向上发展；隧道3部开挖时，最大沉降值迅速增大至-2 4.2 0 mm，且岩体变形范围也逐渐增大；隧道4 部开挖时，最大沉降值为-2 4.6 0 mm；待临时支护体系拆除后，最大沉降值最终为-2 5.0 7 mm。因此，隧道1、3部开挖时土体沉降明显，表明隧道拱部是支护的重点。由于隧道开挖产生临空面造成周围岩土体变形，初期支护结构在围岩挤压下发生变形。初期支护结构变形呈不对称分布，这是由于抗滑桩剪断后抗滑力下降,造成深埋侧土体向隧洞内挤压,从而右侧初期支护结构变形较大，最大变形值为6.8 0 mm。隧道开挖后断面支护结构变形如图5所示。6.80mm6.43 mm1.79 mm图5隧道开挖后断面支护结构变形图Fig.5 Deformation of the section supporting structure after tunnelexcavation3.1.2隧道应力分析隧道支护结构应力分布云图如图6 所示。7.15mm2.51 mm第10 期2.6%3.4%4.6%6.0%7.0%8.5%10.1%11.6%12.0%11.7%10.5%12.0%3356124388201361658813704115879780 819568435471 3978 2194Fig.6 Cloud chart of structural stress distribution of tunnel support从图6 可以看出，隧道支护结构边墙处拉应力为33.56 MPa,破桩区处拉应力为15.17 MPa,表明两侧边墙以及破桩区处为支护结构薄弱点。3.2置换桩结构稳定性分析隧道穿越既有抗滑桩导致破桩区桩底失去抗剪强度，既有抗滑桩受边坡滑动以及隧道开挖扰动影响产生X、Y向的位移。置换桩结构位移计算云图如图7 所示。Displacement TX,mm0.5%0.6%0.3%0.2%0.4%2.1%21.8%18.7%23.5%29.3%2.1%0.4%+2.87+2.58+2.29+2.01+1.72+1.43+1.14+0.85+0.56+0.28-0.30-0.59Displacement TY,mm0.2%9.0%20.1%23.8%12.0%14.9%15.5%2.0%0.9%0.6%0.8%0.0%+0.63+0.20+0.22+0.65-1.07-1.50 1.92-2.35-3.19-3.624.04-4.47Fig.7 Cloud chart of displacement of the altered piles张立军等：复杂地质隧道洞口段穿越既有抗滑桩施工方案研究33.56MPa15.17MPaShell stress,kN/m?图6 隧道支护结构应力分布云图+2.87mma)X向-4.47 mmb）Y向图7 置换桩结构位移计算云图185从图7 可以看出，置换桩结构X向最大位移为2.87mm,Y向最大位移为-4.4 7 mm,表明破桩区上部抗滑桩处为置换桩结构施工薄弱点。置换桩结构应力计算云图如图8 所示。0.7%1.9%3.8%5.5%7.5%11.3%13.6%16.2%16.9%13.9%7.5%1.1%+10445+1978+1111+780.7+571.5+411.8+297.4+202.3+119.0+41.19-381.6-6194Fig.8 Cloud chart of structural stress of the altered piles从图8 可以看出，置换桩结构应力最大值为10.445MPa,位于破桩区最左侧抗滑桩处,这是由于破桩区左侧边坡较高，受到的边坡滑动力最大，且该桩被部分剪断，导致其直径减小，因此该处为施工薄弱环节。3.3边坡稳定性分析隧道开挖完成后边坡坡体变形云图如图9所示。4.15mm图9隧道开挖完成后边坡坡体变形云图Fig.9 Cloud chart of deformation characteristics of slope after thetunnel excavation从图9可以看出，隧道中轴线以及破桩区处地表沉降最大，沉降值分别为4.15、2.8 8 mm，均小于规范控制值2 5mm17,这表明边坡地表在隧道开挖后+10.445MPaSolid stress,kN/m?图8 置换桩结构应力计算云图Displacement,mm+2.998 e+001+1.117 e+0012.88mm+7.430 e+000+5.761 e+000+4.700 e+000+3.808 e+000+3.078 e+000+2.526 e+000+2.060 e+000+1.611 e+000+1.175 e+000+7.549 e-001+0.000 e+000市放技术186Journal of Municipal Technology变形值较小，仍处于安全状态,应在后续施工时将隧道拱顶以及破桩区作为重点监测区。以破桩区中点为特征断面,动态分析边坡X、Y向滑动面。不同开挖阶段边坡X、Y向滑动面塑性区分布如图10、11所示。潜在滑动面Za）管棚超前加固后潜在滑动面b）隧道开挖至破桩区潜在滑动面c）隧道开挖完毕图10 不同开挖阶段边坡X向滑动面塑性区分布图Fig.10 Plastic zone distribution of X-direction slide surface of slope at different tunneling stage从图10 可以看出，施作管棚后，破桩区抗滑桩被剪断，导致隧道破桩区上部塑性区发育明显，最大剪应变为0.16 5;随着隧道开挖至破桩区断面，上部抗滑桩塑性区进一步发育，土层交界面处剪应变增大至0.16 6；当隧道开挖完毕后，边坡内部土层交界第4 1卷面形成潜在滑动面，沿素填土与昔格达土交界面向边坡深处扩展，但并未发生贯通，表明该加固方案能确保边坡稳定。Solid strainE-max shear+0.165+0.065Solid strain+0.042E-max shear+0.028+0.165+0.020+0.065+0.014+0.042+0.028+0.020+0.014+0.010+0.006+0.004+0.002+0.001+0.000+0.000Solid strainE-max shear+0.166+0.061+0.039+0.026+0.018+0.012+0.009+0.006+0.004+0.003+0.001+0.001+0.000Solid strainE-maxshear+0.357+0.065+0.041+0.028+0.021+0.016+0.012+0.009+0.006+0.004+0.003+0.001+0.000+0.010+0.006+0.004+0.002+0.001+0.000+0.000a)管棚超前加固后Solid strainE-max shear+0.166+0.061+0.039+0.026+0.018+0.012+0.009+0.006+0.004+0.003+0.001+0.001+0.000b）隧道开挖至破桩区Solid strainE-max shear+0.357+0.065+0.041+0.028+0.021+0.016+0.012+0.009+0.006+0.004+0.003+0.001+0.000c）隧道开挖完毕图11不同开挖阶段边坡Y向滑动面塑性区分布图Fig.11 Plastic zone distribution of Y-direction slide surface ofslope at different tunneling stage从图11可以看出，管棚施作完毕后，隧道内破桩区土体以及上部抗滑桩塑性区发育明显，随着隧道开挖塑性区由隧道轮廓线向围岩内部发展，但Y向始终未产生潜在滑动面，表明该加固方案下边坡稳定性较强。第10 期4隧道施工监测分析张立军等：复杂地质隧道洞口段穿越既有抗滑桩施工方案研究3部开挖18781部开挖一浅埋侧深埋侧一4.1#拱顶沉降分析K5+780、K 5+7 9 0 断面隧道洞口段拱顶沉降时程曲线如图12 所示。02部开挖2643部开挖4 部开挖-4.81mm3.85mm2-4-6一8-10-12-14-16-180图12 隧道洞口段拱顶沉降时程曲线图Fig.12 Time history curves of vault settlement at the tunnel portal从图12 可以看出，隧道洞口段拱顶沉降变化趋势呈台阶式，在0 6 d拱顶快速沉降，当隧道2 部开挖后，对拱顶产生二次扰动，拱顶累计沉降值再次增大。当钢拱架架立完毕，且临时仰拱施作完成后，拱顶沉降在16 d时达到临时稳定，这也表明了初期支护结构参数安全可靠。在30 d后隧道开始开挖深埋侧，拱顶急剧沉降，4 0 d后初期支护结构闭合成环，目标断面达到稳定。K5+780K5+790断面拱顶最大沉降值分别为-15.13、-15.8 4 mm，均满足施工设计控制值（50 mm)17,表明在抗滑桩置换加固方案下，边坡土体变形稳定未对隧道拱顶变形产生较大影响。4.2净空收敛分析K5+790断面隧道净空收敛时程曲线如图13所示。从图13可以看出，隧道土体开挖后净空收敛值持续增大，随后出现回弹。这是由于土体开挖造成围岩失去部分约束，从三向受力状态变为二向受力状态，土体向隧道内部产生变形，随着架立钢拱架以及临时仰拱的施作，拱顶荷载以及仰拱隆起力传递至围岩两侧,抑制了围岩收敛。由于围岩呈偏压状态，两侧变形呈非对称性，因此深埋侧净空收敛值明显K5+780断面K5+790断面-15.13 mm-15.84mm1020监测时间/d001020304050607080监测时间/d图13K5+790断面隧道净空收敛时程曲线图Fig.13 Time history curves of tunnel clearance convergence atK5+790 section大于浅埋侧，拱腰处净空收敛值峰值相差1.8 4 mm，304015060最终值相差0.96 mm，与模拟结果一致,验证了数值模拟的准确性。拱腰处最大净空收敛值为6.6 3mm,满足施工设计控制值(50 mm)17。5结论1)在昔格达地质条件下，采用扶壁式挡墙十置换桩治理体系的隧道拱顶沉降值最终稳定在-2 5.0 7 mm，满足相关规范要求；同时隧道边墙处为支护结构薄弱点，最大拉应力可达33.56 MPa。2)通过分析置换桩结构稳定性可知,破桩区为施工薄弱环节,X、Y向最大位移分别为2.8 7、-4.4 7 mm，均位于破桩区上部抗滑桩处；破桩区左侧边坡较高，导致破桩区最左侧既有抗滑桩拉应力最大，其值为10.445 MPa。3)通过对边坡危险特征断面潜在滑动面进行动态分析可知，边坡变形值较小，未形成贯通式潜在滑动面,且边坡安全系数为1.7 0,满足相关规范要求，表明边坡处于安全状态，同时该隧道与边坡综合治理措施的成功应用为后续昔格达地质隧道开挖提供了一定的参考。4)通过监测结果可知，隧道拱顶沉降呈台阶式变化，净空收敛呈非对称性，深埋侧净空收敛值明显大于浅埋侧；围岩变形均在施工控制值内，表明在抗滑桩置换加固方案下，边坡土体变形稳定未对隧道支护结构产生较大影响。此外，通过监测信息反馈也证明了该隧道支护结构设计参数的合理性。市放技木188Journal of Municipal 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