趙 敏，崔阿能

（西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021）

由于隧道洞口的圍巖大多處于淺埋、強(qiáng)風(fēng)化、破碎、松散的狀態(tài)，傳統(tǒng)的進(jìn)洞法需要對(duì)洞口處邊仰坡進(jìn)行大開(kāi)挖處理，嚴(yán)重破壞了洞口處的生態(tài)環(huán)境導(dǎo)致圍巖的整體穩(wěn)定性，并且在后期的運(yùn)營(yíng)中存在安全隱患［1］.管棚法是在隧道輪廓線的外圍打上一排鋼管，并在管內(nèi)注漿以加強(qiáng)整體剛度，當(dāng)漿液向管外擴(kuò)散連成整體，形成管棚架以支撐圍巖，具有良好的安全性［2］，但在破碎地段成孔難度系數(shù)較大，造價(jià)高、工藝復(fù)雜、施工周期長(zhǎng).明洞進(jìn)洞法［3］是先在洞口處進(jìn)行削坡、洞外拉槽，再進(jìn)行明洞底板灌注，洞身回填，最后襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu).由于明洞進(jìn)洞修筑了一定長(zhǎng)度的棚洞結(jié)構(gòu)，可以起到一定的安全作用，且能夠減少隧道開(kāi)挖，地表覆土回填后還能夠恢復(fù)一些原生植被，在一定程度上保護(hù)了山體的穩(wěn)定.文獻(xiàn)［4］針對(duì)洞口處的棚洞結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)要的分析，明洞進(jìn)洞法施做的棚洞結(jié)構(gòu)屬于臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度較弱，并且明洞進(jìn)洞法要先進(jìn)行削坡處理，對(duì)洞口處原生植被和生態(tài)環(huán)境的破壞無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，在洞口處地形、地質(zhì)條件較差的情況下，容易引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害.預(yù)支護(hù)拱法是在隧道施工前，先挖掘中央導(dǎo)坑（輔助隧道），從中央導(dǎo)坑開(kāi)挖，沿著隧道的拱形斷面，用水力開(kāi)挖的方式將曲線鋼管壓入土中，然后通過(guò)鋼管向土中灌漿［5］.根據(jù)文獻(xiàn)［6］的規(guī)范要求，這種方法能加固了地基，鋼管作為隧道的支撐體系，不需要大型的輔助措施能很好的抑制地表沉降，但對(duì)比施工工作量因素，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)［7］.

因此，文中在汲取采用這些方法的施工經(jīng)驗(yàn)后，在文獻(xiàn)［8］的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)［9－10］的相關(guān)技術(shù)要求，將以零開(kāi)挖施工理念的前置式洞口法引用到典型的山嶺隧道工況中，研究了在洞口淺埋，圍巖松散、破碎工況下，采用前置式洞口法施工時(shí)圍巖的位移場(chǎng)，給出了該施工方法的仿真結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行分析.

1 西施坡隧道工程實(shí)例

1.1 工程概況

西施坡隧道位于基巖低山丘陵區(qū)地貌，穿越的地層主要為第三系泥巖、砂巖互層，屬于低應(yīng)力區(qū)，是典型的山嶺隧道.隧址處植被發(fā)育茂盛，山體走向近北西－東南，隧道軸向與山脊斜交.隧道為分離式雙向四車(chē)道隧道.左線起止樁號(hào)K4＋498～K5＋053，設(shè)計(jì)縱坡為－1.5%，隧道長(zhǎng)555m.隧道凈空間為9.75m×5.0m.左線最大埋深約87 m，洞口處最小埋深不足2m.隧道洞口處圍巖主要由碎石土以及破碎強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖互層組成，屬于Ⅴ級(jí)圍巖.隧道兩端均有鄉(xiāng)村道路道路從隧道洞門(mén)前穿過(guò).

1.2 施工方案與施工難點(diǎn)

前置式洞口法是在洞外不開(kāi)挖山腳土體的情況下，采用兩側(cè)開(kāi)槽逐榀施作工字鋼拱架，隨著鋼拱架的推進(jìn)逐步接近山體，拱架間以縱向鋼筋連接為整體，澆筑混凝土以形成臨時(shí)村砌成洞，再進(jìn)行暗挖施工.

傳統(tǒng)的施工方法是在洞口處大挖大刷，當(dāng)暗洞施工一定距離后再施工明洞.與此相比，前置式洞口法是在進(jìn)行暗洞施工以前先形成臨時(shí)村砌作為開(kāi)挖邊仰坡的防護(hù)措施，可保全洞口山坡以及原生植被免遭破換，大大減少洞口仰坡開(kāi)挖及防護(hù)工程量，是保證仰坡穩(wěn)定較為理想的辦法.西施坡隧道屬于上下行分離式設(shè)置的隧道，該法可以保護(hù)單個(gè)洞口的植被，還可以避免兩洞間土埂的開(kāi)挖，這既可保護(hù)兩洞間土埂上的原生植被又可以借助土埂維持兩洞山體的穩(wěn)定.

由于隧道進(jìn)口處地形較陡，山體斜向西，坡角約45°，巖性為破殘積土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖互層，破殘積土疏松雜亂，大部分基巖裸露，坡體風(fēng)化強(qiáng)烈，巖石產(chǎn)狀約為180°∠20°，有明顯的塑性流動(dòng)變形和擠壓破換，巖體穩(wěn)定性不足.為確保隧道安全，進(jìn)行清理洞頂上部破殘積土，適當(dāng)加長(zhǎng)明洞.

1.3 支護(hù)、村砌參數(shù)、開(kāi)挖參數(shù)

洞口超前支護(hù)采用?108mm超前大管棚，環(huán)距40cm；20a＠750mm工字鋼拱架。洞口加強(qiáng)段初期支護(hù)噴射260mm的C20混凝土，?6.5mm＠150mm×150mm鋼筋網(wǎng)，L3.5M＠800mm×750mm隧道系統(tǒng)錨桿；二次村砌噴射500mm的C30混凝土.邊仰坡施工自上而下隨挖隨噴分層進(jìn)行，仰坡設(shè)置?22mm砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度350 mm，間距120mm×120mm梅花型布置；并掛鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑?6mm，網(wǎng)格間距200mm×200 mm；噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，厚度100mm.邊坡設(shè)置?22mm砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度350mm，間距150mm×150mm梅花布置；并掛鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑?6mm，網(wǎng)格間距200mm×200mm；噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，厚度100mm.

在洞外，截水天溝距邊仰坡開(kāi)挖邊緣不小于5 m，溝底至襯砌拱頂外緣的高度不小于1.0m.在洞內(nèi)，由于洞口處為土質(zhì)巖體和松軟破碎的石質(zhì)巖體，原則上進(jìn)入暗洞前5～8m范圍內(nèi)是禁止爆破施工的.洞口開(kāi)挖采用的是兩臺(tái)階法，挖深較小段采用人工風(fēng)鎬開(kāi)挖，以減少對(duì)邊坡的擾動(dòng)；挖深較大段配合挖掘機(jī)采取2m臺(tái)階逐層開(kāi)挖施工.

2 數(shù)值分析模型

采用有限元分析軟件3D－Sigma進(jìn)行數(shù)值模擬.采用六面體8節(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元，鋼拱架的作用可采用等效的方法來(lái)考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴混凝土.在進(jìn)行彈性材料模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，圍巖采用體單元，錨桿采用桿單元，型鋼采用梁?jiǎn)卧?，噴射混凝土襯砌采用殼單元.建模時(shí)，為確保計(jì)算精度，共分19731個(gè)單元，72134個(gè)節(jié)點(diǎn)，靠近隧道區(qū)域網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離隧道處網(wǎng)格劃分較稀疏.

表1 材料力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of materials

2.1 模擬范圍的確定及邊界條件

X軸即水平范圍：以隧道中心軸線向外各延伸40m，總的水平計(jì)算范圍為137m；Y軸即隧道縱向范圍：自支護(hù)起點(diǎn)向洞內(nèi)延伸50m；Z軸即豎向范圍：以隧道中心水平軸為界上下各延伸40m.地表表層土厚約2m，往下是厚約5m的強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，再往下是弱風(fēng)化灰?guī)r.洞口處一襯混凝土厚度30cm，二村混凝土厚度50cm，洞內(nèi)和施工槽分別采用15cm和20cm厚噴錨支護(hù).

邊界條件：模型的X方向，左右邊界有橫向約束，Y方向只有朝洞內(nèi)的縱向約束，Z方向只有朝地面以下的豎直方向約束.

2.2 施工步驟和計(jì)算工況

按照實(shí)際施工過(guò)程的各階段先后順序進(jìn)行模擬，共12個(gè)施工步驟：①自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算；②左洞開(kāi)挖施工槽；③邊仰坡錨噴支護(hù)；④前置支護(hù)施工；⑤洞口回填；⑥前置支護(hù)內(nèi)開(kāi)挖；⑦～?，暗洞內(nèi)開(kāi)挖、支護(hù)循環(huán)施工，暗洞共施工8m.網(wǎng)格劃分與前置支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1～2所示.

圖2 前置支護(hù)模型Fig.2 The pre－support model

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 拱 頂

計(jì)算結(jié)果如圖3～4所示，在拱頂處出現(xiàn)最大值，由拱頂朝兩側(cè)逐漸減小.由于結(jié)構(gòu)自重影響，當(dāng)前置支護(hù)施作完成時(shí)支護(hù)邊緣處的沉降約2cm，暗洞拱頂沉降最大值約8.4mm，前置支護(hù)外端最大值為1.96cm，說(shuō)明前置支護(hù)拱頂沉降受暗洞施工影響很小.外端拱頂沉降比前置支護(hù)與暗洞交界處拱頂沉降值大很多，說(shuō)明前置支護(hù)結(jié)構(gòu)承載水平荷載的作用很明顯，為確保安前置全支護(hù)結(jié)構(gòu)施作完應(yīng)盡快進(jìn)行回填.

2.3.2 水平方向

如圖5所示，洞口施工槽兩側(cè)水平向位移不超過(guò)5mm，洞口施工槽開(kāi)挖仰坡處縱向位移最大約3mm，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)及兩洞間土體對(duì)洞口處山體有明顯的支撐作用，確保了洞口處仰坡的穩(wěn)定性.

2.3.3 周邊收斂

如圖6所示，前置支護(hù)與暗洞交界處拱腰收斂相對(duì)于邊墻收斂值稍大，最大值不超過(guò)1.3mm，暗洞開(kāi)始施工時(shí)收斂較明顯.說(shuō)明前置支護(hù)與暗洞交界處周邊收斂位移受其附近圍巖開(kāi)挖施工影響較大，位移量受后續(xù)施工影響逐步減小，暗洞施工6m時(shí)，周邊收斂位移趨于穩(wěn)定.

圖3 洞口第一斷面開(kāi)挖豎向位移圖Fig.3 The vertical displacement diagram of first section of excavation

圖4 暗洞拱頂豎向位移變化過(guò)程Fig.4 The vertical displacement of dark vault

圖5 洞口第一斷面水平位移圖Fig.5 The horizontal displacement diagram of first section of excavation

3 隧道洞口處施工監(jiān)測(cè)

圖6 周邊收斂位移隨施工過(guò)程變化Fig.6 The peripheral convergence displacement changed with the construction process

通過(guò)地表下沉、周邊收斂、拱頂下沉等變形監(jiān)測(cè)，對(duì)可能出現(xiàn)的塌方、失穩(wěn)、冒頂、大變形等安全事故及時(shí)預(yù)測(cè)及預(yù)警，以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，防患于未然；通過(guò)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，完善施工方案、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和合理預(yù)留變形量，實(shí)現(xiàn)隧道信息化施工，以保證施工安全和隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定.

由圖像時(shí)態(tài)曲線整體分析得出，地表下沉變形速率、周邊收斂變形速率逐步變緩并趨于回歸，且符合《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60－2009）中對(duì)最大位移變形的要求.由于入口左洞月初尚處于洞口淺埋段施工，變形量相對(duì)較大，隨著工程的不斷推進(jìn)，對(duì)圍巖擾動(dòng)也相對(duì)變小，地表下沉、拱頂下沉和周邊收斂總體變形量趨于穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出收斂趨勢(shì).從整個(gè)進(jìn)洞階段位移變化圖中可知，圍巖整體穩(wěn)定較好，并未出現(xiàn)變形過(guò)大導(dǎo)致失穩(wěn)的現(xiàn)象，驗(yàn)證了支護(hù)方式的合理性、施工參數(shù)的有效性和施工方案的可行性.

1）洞口段地表第一斷面（離洞口20m）沉降56d的監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如圖7所示.整體上，監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，地表沉降都控制在安全、較為合理范圍之內(nèi).地表沉降值都是在隧道拱頂處較大朝兩邊逐漸減小的分布形式，沉降變形主要集中在拱頂處10m的范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示左洞口里程樁號(hào)ZK5＋033處地表變形沉降槽中的最大穩(wěn)定值為25.01mm，而模擬結(jié)果為26.56mm；由于洞口施工期間連續(xù)降雨的影響，監(jiān)測(cè)得到遠(yuǎn)離拱頂部的地表沉降值略大于模擬結(jié)果，拱頂最大沉降量相差1mm.在監(jiān)控量測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)地表沉降主要發(fā)生在上臺(tái)階開(kāi)挖的過(guò)程中，所以要減少地表沉降應(yīng)采取超前支護(hù)，同時(shí)及時(shí)加強(qiáng)初期支護(hù).

圖7 入口左洞第一斷面ZK5＋033地表累計(jì)下沉曲線對(duì)比圖Fig.7 The surface accumulated subsidence curves of first section（ZK5＋033）of left tunnel entrance

2）洞口淺埋段第一斷面（距離洞口12m）拱頂下沉35d的觀測(cè)結(jié)果如圖8所示.左洞口典型斷面ZK5＋041和斷面ZK5＋033拱頂下沉變化曲線總體上呈“廠”型，在監(jiān)測(cè)的前10天3個(gè)測(cè)點(diǎn)變化都比較大，但隨著圍巖繼續(xù)加固，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的拱頂下沉變化都得到有效的控制，在監(jiān)測(cè)的第18天，3個(gè)測(cè)點(diǎn)拱頂下沉變化已基本穩(wěn)定，最大的變形量為34.33mm，最終最大穩(wěn)定值為34.15mm.

圖8 入口左洞第一斷面ZK5＋041拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線圖Fig.8 The vault subsidence curves of first section（ZK5＋041）of left tunnel entrance

3）洞口淺埋段第一斷面（距離洞口12m）周邊收斂26d監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示.在初始階段圍巖周邊收斂值變化較快，是因?yàn)樽{加固圍巖的效果還不明顯，但是隨著時(shí)間的推移此處圍巖各個(gè)參數(shù)得到提高，另外鋼拱架本身受力較大拱圈下沉，但拱圈下沉到一定程度后，其承載力得到充分發(fā)揮，此時(shí)周邊收斂逐漸趨于平衡狀態(tài).由此可以說(shuō)明采取的措施是有效及時(shí)的.

4 結(jié)論

對(duì)比分析實(shí)際量測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果，主要結(jié)論如下：

圖9 入口左洞第一斷面ZK5＋041周邊收斂變化曲線圖Fig.9 The peripheral convergence curves of first section（ZK5＋041）of left tunnel entrance

1）前置式洞口法可以顯著地減少洞口邊仰坡的開(kāi)挖和有效地保護(hù)洞口原生植被，該法能較好地解決長(zhǎng)期以來(lái)傳統(tǒng)洞口施工方法造成的各種邊仰坡病害，達(dá)到真正意義上的綠色環(huán)保.

2）數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中隧道洞口處各項(xiàng)變形值都在安全范圍之內(nèi)，洞口施工槽兩側(cè)及仰坡處的水平向位移均不超過(guò)5mm，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)施工方法的沉降值，表明前置洞口法是處理山嶺隧道洞口淺埋的有效方法，該方案的前置支護(hù)措施可以提高隧道洞口處土體的整體穩(wěn)定性.數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，用臺(tái)階法施工時(shí)地表沉降主要發(fā)生在上臺(tái)階開(kāi)挖的過(guò)程中，所以采用超前支護(hù)是減小地表下沉的有效措施.

3）前置支護(hù)與暗洞交界處拱頂沉降值遠(yuǎn)小于外端拱頂沉降，說(shuō)明前置支護(hù)結(jié)構(gòu)受水平荷載的約束作用很明顯，因此前置支護(hù)結(jié)構(gòu)施作后應(yīng)盡快進(jìn)行回填.

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