黃 戡 ，丁國華，彭立敏，彭建國，安永林，馮德山

(1. 中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長沙，410075；2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長沙，410008；3. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙，410083)

武廣(武漢-廣州)客運(yùn)專線曾為當(dāng)時(shí)我國在建線路最長、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最高、投資規(guī)模最大的客運(yùn)專線，其穿過的瀏陽河隧道也是當(dāng)時(shí)國內(nèi)首座穿越城市、河流、高速公路的鐵路隧道，屬于國內(nèi)特長、特大斷面隧道。該隧道位于湖南省長沙市東部，起于長沙市開福區(qū)撈刀河鎮(zhèn)，止于雨花區(qū)黎托鄉(xiāng)，進(jìn)口里程為DIIK1560+550 km，出口里程為DIIK1570+670 km，全長為 10.120 km。瀏陽河隧道在 DⅡK1565+120～DⅡK1565+250 km段出現(xiàn)風(fēng)化槽谷，強(qiáng)風(fēng)化最大深度達(dá)53.6 m，已深入至隧道開挖底部，若技術(shù)措施不當(dāng)極易發(fā)生坍塌事故；因此，對于該風(fēng)化槽地段隧道施工安全的研究具有十分重要的意義。目前，關(guān)于隧道施工安全的研究較多[1-2]，但對過風(fēng)化槽特殊地段的研究較少，目前文獻(xiàn)報(bào)道的只有關(guān)于廈門海底隧道過風(fēng)化槽地段的穩(wěn)定性和施工技術(shù)研究[3-4]、利用范例推理方法評價(jià)瀏陽河隧道過該風(fēng)化槽地段的坍方風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。在此，本文作者分析瀏陽河隧道過風(fēng)化槽地段存在的問題及其原因，及時(shí)修正施工方案，并結(jié)合數(shù)值仿真和現(xiàn)場監(jiān)測研究施工方案的安全性。

圖1 風(fēng)化槽谷段地質(zhì)縱斷面Fig.1 Longitudinal geological distribution in weathered trough slot

圖2 過風(fēng)化槽谷隧道斷面設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design of tunnel cross section for trough slot

1 風(fēng)化槽地段地質(zhì)情況與原設(shè)計(jì)方案

1.1 地質(zhì)情況

瀏陽河隧道在DⅡK1565+120～DⅡK1565+250 km段出現(xiàn)風(fēng)化槽谷，強(qiáng)風(fēng)化最大深度達(dá)53.6 m，已深入至隧道開挖底部，地質(zhì)縱斷面如圖1所示。隧道主要穿越強(qiáng)至弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，夾薄層狀石膏和泥灰?guī)r均為軟巖，巖體完整性差，易風(fēng)化、軟化，且?guī)r溶較發(fā)育，巖層破碎，節(jié)理發(fā)育不均，裂隙水發(fā)育，巖層風(fēng)化極不均勻。

1.2 原設(shè)計(jì)方案

隧道原設(shè)計(jì)施工方法為三臺階臨時(shí)仰拱法，如圖2所示。超前支護(hù)采用直徑為 108 cm的大管棚套打42 cm的超前小導(dǎo)管，在隧道拱部從隧道中線分別向左、右兩則各約108°范圍內(nèi)設(shè)置管棚長度為18 m，搭接6 m，每12 m施作1環(huán)。初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)為：全環(huán)設(shè)置I 20工字鋼架，間距為60 cm/榀；采用摻用改性聚酯纖維混凝土，強(qiáng)度等級為C25；拱墻初期支護(hù)設(shè)置鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑為8 cm，網(wǎng)格為20 cm×20 cm；拱部系統(tǒng)錨桿采用帶排氣裝置的中空注漿錨桿，邊墻采用普通砂漿錨桿，錨桿長3.5 m，錨桿環(huán)向間距×縱向間距為1.0 m×1.0 m。

2 施工過程中遇到的問題與施工方案修正

2.1 施工過程中遇到的問題及原因

(1) 地質(zhì)條件差。隧道穿越地層多為泥巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等Ⅴ級至Ⅵ級軟弱圍巖，且風(fēng)化不均勻，地下水豐富，開挖斷面大，在施工中易失穩(wěn)，難以控制隧道的沉降變形。

(2) 地表上方為水塘洼地回填，回填土深度為8～12 m，隧道沉降容易引起地表結(jié)構(gòu)物變形或破壞。受地形和建筑物影響，前期地質(zhì)鉆孔選位困難，設(shè)計(jì)地質(zhì)勘測資料的精度不夠。

2.2 新施工方案的確定

經(jīng)過現(xiàn)場勘察，結(jié)合風(fēng)化槽谷圍巖的實(shí)際地質(zhì)情況，從多方面綜合考慮，從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[6-8]：

(1) 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。風(fēng)化槽谷處于不均勻風(fēng)化帶上，且地表上方為密集工業(yè)園區(qū)，大型廠房、建筑物繁多，受地形和地理位置條件限制，前期設(shè)計(jì)地質(zhì)鉆探資料不夠詳細(xì)、準(zhǔn)確，施工時(shí)存在不確定因素。采取 TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、紅外探水、超前水平鉆孔長短結(jié)合等超前預(yù)報(bào)方法進(jìn)一步探明前方地質(zhì)變化情況和地下水位情況。

(2) 加強(qiáng)超前支護(hù)。將與水平面呈12°斜插直徑為108 cm的超前長管棚優(yōu)化為水平超前管棚，管棚長度由原設(shè)計(jì)12 m/環(huán)調(diào)整為40 m/環(huán)，管棚搭接長度仍為6 m，并加強(qiáng)超前注漿，以減少管棚施作次數(shù)，縮短管棚施作時(shí)間，以避免斜插管棚易造成拱部超挖，增強(qiáng)風(fēng)化段圍巖的整體穩(wěn)定性。

(3) 改進(jìn)開挖工法。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，圍巖上軟下硬，采用三臺階臨時(shí)仰拱加設(shè)豎向鋼支撐的動態(tài)分部開挖工法施工。開挖時(shí)嚴(yán)格遵循“弱爆破、短進(jìn)尺、快封閉”原則，嚴(yán)防出現(xiàn)坍塌，上臺階拱部采用機(jī)械進(jìn)行開挖，人工加以修邊。中、下臺階采用弱松動爆破，通過人工或機(jī)械出碴，每次開挖進(jìn)尺不大于一榀鋼架間距60 cm。

1) 上臺階開挖。采用環(huán)形預(yù)留核心土的開挖方法。為增加臨時(shí)仰拱的剛度，臨時(shí)仰拱工字鋼由原設(shè)計(jì)的Ⅰ18輕型工字鋼加大為Ⅰ20工字鋼，臨時(shí)仰拱噴射混凝土厚度由18 cm調(diào)整為20 cm。上臺階臨時(shí)仰拱封閉后，立即在初支拱頂和臨時(shí)仰拱間增設(shè)豎向Ⅰ20工字鋼支撐，以減少初支拱頂圍巖頂部壓力，如圖3所示。上臺階豎向鋼支撐間距與初支鋼架間距相同，每榀60 cm，通過連接鋼板和螺栓進(jìn)行連接。

2) 中臺階開挖。在中臺階與上臺階之間采用短臺階法施工，臺階長度控制在5～8 m，以便挖掘機(jī)進(jìn)行出碴作業(yè)和快速封閉。中臺階1次開挖進(jìn)尺1榀鋼架間距，迅速支立邊墻鋼架和安裝中臺階臨時(shí)仰拱，快速噴混凝土封閉成環(huán)。由于中臺階開挖跨度最大，開挖寬達(dá)15.12 m，且地質(zhì)松軟，為增強(qiáng)中臺階穩(wěn)定性，中臺階臨時(shí)仰拱亦設(shè)置Ⅰ20工字鋼支撐并噴射厚為20 cm的混凝土進(jìn)行封閉。根據(jù)監(jiān)控量測信息，初支沉降變形仍然較大，中臺階臨時(shí)仰拱封閉后，故上臺階臨時(shí)仰拱及豎向支撐仍然保留。若初支仍然繼續(xù)沉降，則將上臺階豎向支撐加長至中臺階仰拱底。

圖3 上臺階臨時(shí)仰拱、豎向支撐設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Diagram of temporary vertical support and invert in up-bench

3) 下臺階與仰拱快速緊跟。下臺階開挖時(shí)，左右側(cè)應(yīng)錯(cuò)開開挖，每次開挖進(jìn)尺不得大于2榀鋼架間距。仰拱開挖進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化軟弱圍巖時(shí)，1次進(jìn)尺不得大于2 m，初支快速封閉，及時(shí)施作仰拱填充和拱墻襯砌。

3 新施工方案的數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型的建立

采用FLACE 3D 分析計(jì)算軟件，數(shù)值模型如圖4所示，計(jì)算參數(shù)如表1所示(其中：圍巖平面采用平面應(yīng)變單元模擬，而噴射混凝土和二次襯砌用梁單元進(jìn)行模擬，鎖腳錨桿采用桿單元模擬，模型共分 3 037個(gè)單元，2 807個(gè)節(jié)點(diǎn))。圍巖穩(wěn)定性采用莫爾庫侖屈服準(zhǔn)則分析。模型的左右邊界和底邊界被約束，頂面可自由移動[7]。

3.2 圍巖沉降分析

為了與現(xiàn)場監(jiān)測的位移進(jìn)行分析對比，下面僅以圍巖沉降進(jìn)行研究。圖5所示為各施工工序下的圍巖豎向位移分布情況。從圖5可知：對于圍巖整體豎向位移，在各臺階開挖底板出現(xiàn)隆起，而在拱頂附近出現(xiàn)沉降；最大隆起量隨著開挖的進(jìn)行，整體上呈減小的趨勢；最大沉降位移發(fā)生在中臺階開挖階段，達(dá)到170 mm；對于拱頂沉降，其大部分沉降發(fā)生在上臺階開挖階段，而當(dāng)設(shè)置臨時(shí)豎向支撐后，沉降位移的梯度減小，中臺階開挖后，拱頂又有所沉降；在下臺階開挖時(shí)，拱頂略微發(fā)生隆起，沉降減小，最終沉降位移為 156 mm。因此，隧道施工的關(guān)鍵步為上臺階開挖，設(shè)置臨時(shí)豎向工字鋼支撐有利于控制圍巖的沉降。

圖4 計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分Fig.4 Calculation model and grids division

表1 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)Table1 Calculation parameters of numerical model

4 圍巖穩(wěn)定的整體性分析

在臺階法施工中，隧道的關(guān)鍵步驟一般是上臺階開挖，而隧道的風(fēng)險(xiǎn)事故也大多發(fā)生在上臺階，特別是在掌子面附近；因此，應(yīng)用強(qiáng)度折減法，首先對上述風(fēng)化槽地段 DIIK1565+120斷面上臺階開挖時(shí)橫向的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并以特征部位拱頂沉降位移、地表中線點(diǎn)沉降位移、最大塑性應(yīng)變、最大主應(yīng)力(主拉應(yīng)力)的突變性或不收斂性、塑性區(qū)是否貫通及計(jì)算是否收斂作為隧道失穩(wěn)的判據(jù)[6-7,9-16]。

圖6所示為拱頂沉降位移、地表中線點(diǎn)沉降位移、最大塑性應(yīng)變、最大主應(yīng)力(以壓為負(fù))隨折減系數(shù)的變化曲線。從圖6可知：

(1) 整體上，拱頂沉降位移和地表中線點(diǎn)沉降位移都隨著折減系數(shù)的增加而增大，但各自增加的梯度不一樣，拱頂沉降位移梯度要比地表梯度增加得較快；當(dāng)折減系數(shù)大于1.8時(shí)，拱頂沉降位移梯度顯著上升，可以判斷隧道的橫向穩(wěn)定系數(shù)為1.8，而地表的沉降位移梯度則出現(xiàn)抖動狀態(tài)，這與此處為深埋、洞內(nèi)沉降不宜波及到地表有關(guān)。

圖5 圍巖豎向位移分布云圖Fig.5 Vertical displacement contours

圖6 不同指標(biāo)與折減系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between different indexes and reduction factor

(2) 最大塑性應(yīng)變隨折減系數(shù)的增加而增大，最大主應(yīng)力隨折減系數(shù)的增加先增加而后趨于平緩，這與隨著折減系數(shù)的增加、塑性區(qū)越來越大，圍巖應(yīng)力將不斷進(jìn)行降低、重新分布有關(guān)。

綜上所述，判斷軟弱圍巖深埋隧道是否失穩(wěn)應(yīng)以拱頂沉降位移為主要指標(biāo)，而其他指標(biāo)表現(xiàn)不明顯；隧道上臺階開挖時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)約為1.8。

5 實(shí)施效果分析

根據(jù)選定的以動態(tài)分部臺階法為主選施工方案組織施工。在施工過程中采用地質(zhì)分析法、隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TSP)、水平鉆孔等綜合預(yù)報(bào)方法，分中、長、短距離相結(jié)合的方法準(zhǔn)確地探測前方圍巖的地質(zhì)狀況，并不斷對施工方案加以優(yōu)化和動態(tài)調(diào)整；同時(shí)，采用精密電子水準(zhǔn)儀、高精度全站儀無尺量測系統(tǒng)對初支拱頂下沉、收斂及地表沉降位移、建筑等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖7所示為斷面DIIK1565+165的拱頂沉降時(shí)程曲線。從圖7可知：變形總體呈臺階狀，安設(shè)豎向鋼支撐后，拱頂沉降速率變緩；當(dāng)中臺階的掌子面開挖到此斷面時(shí)，由于此時(shí)要拆除臨時(shí)豎向鋼支撐，拱頂又出現(xiàn)一定下沉。由此可見：豎向鋼支撐對于控制拱頂沉降位移的效果是非常明顯的，也表明提出的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施是合理、可行的。對比圍巖沉降分析結(jié)果可知：數(shù)值模擬的拱頂沉降位移較現(xiàn)場監(jiān)測值小，這可能與模型中未考慮圍巖的節(jié)理及地下水的作用有關(guān)。

圖7 斷面DIIK1565+165 m拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Crown settlements in section of DIIK1565+165 m

經(jīng)過分析研究，采取相應(yīng)的措施有利地保證了隧道安全、順利地穿過風(fēng)化槽谷地段。在整個(gè)風(fēng)化槽谷施工過程中，取得了日平均進(jìn)尺為1.2 m的較好成績，拱頂沉降也得到了很好控制。這說明過風(fēng)化槽谷施工方案是合理的，從而保證了隧道及地表建筑物的安全。

6 結(jié)論

(1) 對隧道風(fēng)化槽地段施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，特別是采取多種方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，如采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和水平鉆芯取樣試驗(yàn)相結(jié)合的方法探明風(fēng)化槽段的地質(zhì)分布情況；同時(shí)加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度，并打設(shè)鎖腳錨桿。

(2) 隧道風(fēng)化槽地段開挖方法宜采用臺階法+豎向工字鋼支撐的施工方案，根據(jù)地質(zhì)情況決定豎向工字鋼是否向中、下臺階延伸。

(3) 本文所提出的施工方案是合理、可行的，豎向工字鋼支撐能有效控制圍巖變形。強(qiáng)度折減法表明：隧道的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.8，且應(yīng)以拱頂沉降位移作為圍巖失穩(wěn)的主要指標(biāo)。

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