張海波

（中鐵二十四局集團(tuán)浙江工程有限公司，310009，杭州∥工程師）

1 工程概況

寧波市象山縣野豬山隧道里程YK60+295—YK60+259穿越穩(wěn)定性差的碎石土和全-中風(fēng)化基巖圍巖，地下水豐富，修正的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)［BQ］＜250，總體評定為Ⅴ級圍巖。該段隧道開挖跨度為13.0 m，開挖高度為10.4 m，每循環(huán)開挖進(jìn)尺1.0 m。該地區(qū)夏季施工多出現(xiàn)連續(xù)降雨天氣，地表水侵入隧道巖體，容易對隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

該段隧道為低山坡麓，地勢起伏。其淺部為殘坡積層，以碎塊石和含碎石粉質(zhì)黏土為主。其中碎石約占70%，粒徑一般為2～4 cm、最大8 cm；碎石間隙充填膠結(jié)一般的黏性土，局部夾有粒徑1～2 cm的細(xì)角礫。據(jù)鉆孔資料，下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r，為全風(fēng)化凝灰?guī)r，呈淺灰色；原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造可見：巖質(zhì)軟，遇水易軟化，手捏易碎；局部夾有塊徑為2～4 cm的強(qiáng)風(fēng)化碎塊；巖芯呈土柱狀。該段是典型的軟弱圍巖土質(zhì)，各土層性質(zhì)見表1。

該段隧道開挖跨度大，達(dá)13.0 m，施工過程中洞口段易出現(xiàn)掌子面滑塌甚至冒頂事故；隧道圍巖為粉質(zhì)黏土，開挖容易造成圍巖沉降過大、失穩(wěn)、坍塌等危險(xiǎn)；該地區(qū)雨水充足，土壤含水量較大，對拱部及周圍巖體的壓力增大，隧道開挖時(shí)易出現(xiàn)淋雨?duì)罨蛴咳獱畛鏊?/p>

2 隧道開挖變形模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場的工程情況，該項(xiàng)目的圍巖條件取為Ⅴ級。對該工程建立有限元模型（如圖1所示），以分析隧道開挖時(shí)地表沉降和掌子面的變形情況。為了符合實(shí)際的施工情況，該隧道的開挖模擬采用全斷面開挖，以此反應(yīng)隧道開挖圍巖的真實(shí)變形，且模擬不考慮掌子面的加固。有限元模型的邊界條件為：除了上表面，其余面均法向固定。

圖1 有限元計(jì)算模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

對計(jì)算模型選取3處開挖至掌子面的拱頂沉降曲線和掌子面擠出變形曲線，如圖2～3所示。從圖2可以看出：隧道掌子面至前方1.5 D～2 D（D為隧道開挖的跨度）、后方3 D～4 D位置處，拱頂沉降變化尤為明顯。其中：開挖面位置處的沉降變化最為顯著，掌子面正上方最大沉降達(dá)到17.3 mm；掌子面前方30 m沉降逐漸收斂；掌子面后方4 D以后沉降逐漸收斂，達(dá)到43.56 mm。從圖3中可以看出：掌子面中心處變形最大，擠出量為24.4～28.6 mm；距離掌子面中心越遠(yuǎn)的位置，擠出量越小。

圖2 拱頂沉降曲線

圖3 掌子面擠出變形曲線

從圖2～3可以看出，當(dāng)掌子面不做加固時(shí)，隧道開挖引起的拱頂沉降和掌子面變形較大，容易造成掌子面坍塌及拱頂沉降過大等險(xiǎn)情。為此，需要對掌子面進(jìn)行加固，以降低拱頂沉降和掌子面的擠出變形。

3 隧道開挖的變形控制技術(shù)

有文獻(xiàn)［1-2］指出：Ⅴ級、Ⅵ級的大斷面軟弱圍巖隧道的施工宜采用預(yù)留核心土臺階法和單側(cè)壁法。預(yù)留核心土臺階法能夠提高掌子面的穩(wěn)定性，降低掌子面的擠出變形，但是當(dāng)隧道開挖斷面較大時(shí)，其安全性相對較低，且下部臺階開挖勢必影響上臺階支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。單側(cè)壁法可以探明掌子面前方的土質(zhì)情況，便于地表沉降的控制，但是工序較多，需要拆除臨時(shí)支撐，施工進(jìn)度較慢。

針對野豬山隧道的水文地質(zhì)特征、工期以及變形控制等要求，該隧道采取變形控制法［3-4］（即新意法）施工，以控制掌子面前后及拱頂?shù)某两底冃伪３衷诶硐敕秶鷥?nèi)，實(shí)現(xiàn)大斷面開挖，加快施工進(jìn)度。

3.1 玻璃纖維錨桿超前加固

為了避免拱頂沉降過大和掌子面變形過大等險(xiǎn)情，該段野豬山隧道施工中對掌子面全斷面進(jìn)行玻璃纖維錨桿的加固［5-6］。應(yīng)用玻璃纖維錨桿對隧道掌子面進(jìn)行超前預(yù)加固，可減小由于土壤張拉狀態(tài)改變帶來的影響，且與巖芯粘結(jié)（膠結(jié)）在一起，還可抵消由于開挖引起的部分圍束損失。錨桿采用1.2 m×1.2 m方形布置。掌子面錨桿加固模型見圖4。為選擇錨桿加固長度，對模型進(jìn)行無加固以及分別加固10 m、12 m、14 m、16 m的情況進(jìn)行計(jì)算。這5種情況的掌子面擠出變形曲線如圖5所示。從圖5中可以看出：在無錨桿加固情況下掌子面變形較大，掌子面中心變形為27.1 mm；當(dāng)加固10 m時(shí)，中心點(diǎn)處變形為18.2 mm，相比無錨桿加固變形量降低了32.8%；加固12 m時(shí)，中心點(diǎn)處變形為12.5 mm，相比無錨桿加固變形量降低了53.9%,加固效果明顯；加固16 m時(shí)，中心點(diǎn)變形為7.6 mm，相比加固14 m時(shí)的變形量只提高了6.0%。為了綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益及施工進(jìn)度等情況，該段施工采取玻璃纖維錨桿加固長度14 m就可以滿足變形控制的要求。

圖4 玻璃纖維錨桿加固示意圖

圖5 錨桿加固掌子面擠出變形曲線

掌子面錨桿的搭接長度對維持掌子面穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。文獻(xiàn)［6］指出，隧道開挖引起的掌面上方的松散土體將全部作用在隧道掌子面上，隧道掌子面將受到松弛荷載q的作用（如圖6所示）,掌子面加固存在一個(gè)最小加固長度L。

根據(jù)上述計(jì)算，該段隧道掌子面錨桿的搭接長度可選為8 m即可以保證掌子面開挖的穩(wěn)定性。

圖6 錨桿搭接長度計(jì)算示意圖

3.2 超前小導(dǎo)管加固

超前小導(dǎo)管分為兩排：第一排小導(dǎo)管打設(shè)時(shí)外插角控制在10°左右，尾端支撐于鋼架上；第二排打設(shè)時(shí)，鉆機(jī)鉆孔方向?yàn)榫o貼著工字鋼外?。拷鼑鷰r的弧段），外插角為40°。這樣就能避免第一、二排超前小導(dǎo)管重疊現(xiàn)象的發(fā)生。

小導(dǎo)管采用外徑42 mm、壁厚4 mm、長500 cm的熱軋無縫鋼管。小導(dǎo)管縱向搭接不小于1.5 m，雙排小導(dǎo)管縱向搭接不小于2.0 m。小導(dǎo)管加固示意圖見圖7。

圖7 小導(dǎo)管加固側(cè)視圖

小導(dǎo)管加固時(shí)還需要嚴(yán)格控制注漿壓力及注漿量，并根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)作適當(dāng)調(diào)整。注漿參數(shù)見表2。

表2 小導(dǎo)管注漿參數(shù)

3.3 大斷面開挖與支護(hù)

該段隧道掌子面進(jìn)行超前加固后采取機(jī)械大斷面開挖并輔以人工配合，每循環(huán)開挖進(jìn)度為1.0 m?？紤]錨桿加固長度，隧道每開挖6 m，搭設(shè)一環(huán)玻璃纖維錨桿，并做好開挖過程中的支護(hù)。支護(hù)采用厚28 cm的C25噴射混凝土加A6鋼筋焊接網(wǎng)和22a工字鋼拱架（縱向間距1.0 m）。

4 監(jiān)測結(jié)果

在施工過程中及時(shí)進(jìn)行地表沉降、拱頂沉降及掌子面變形等量測，以避免施工險(xiǎn)情。對于掌子面擠出變形的量測，在里程YK60+283打設(shè)A、B孔。其中：A孔埋設(shè)分別深為3 m、6 m、9 m的3個(gè)單點(diǎn)位移計(jì)測點(diǎn)，B孔埋設(shè)分別深為9 m、12 m、15 m的3個(gè)單點(diǎn)位移計(jì)測點(diǎn)。實(shí)際測得擠出變形如圖8所示。從圖8中可以看出，距離掌子面越遠(yuǎn)，擠出變形越小，埋深15 m時(shí)擠出變形小至0.36 mm，受開挖影響較小。所以，該段采用長14 m的玻璃纖維錨桿加固能夠滿足掌子面的變形要求。

隧道開挖時(shí)應(yīng)及時(shí)對拱頂沉降進(jìn)行量測。沉降點(diǎn)距離隧道掌子面后方每5 m布置1個(gè)拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)。對YK60+275～YK60+290里程中的4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行量測，其沉降曲線見圖9。由圖9可見，隧道開挖引起的沉降達(dá)到11.9 mm，相比無加固措施下的43.56 mm，沉降值降低了72.68%，加固效果明顯。

圖9 拱頂沉降隨時(shí)間變形曲線

圖10 拱頂沉降與掌子面擠出變形關(guān)系

4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處掌子面擠出變形與掌子面處拱頂沉降的關(guān)系曲線如圖10。同時(shí)對285斷面和290斷面兩處斷面的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知：掌子面擠出變形和拱頂沉降近似于線性關(guān)系，掌子面擠出變形越大，拱頂沉降越大。所以，可以通過掌子面加固措施降低拱頂沉降。從圖10還可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合，反映了數(shù)值模擬的合理性。

5 結(jié)語

本文以野豬山隧道工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過理論分析和數(shù)值模擬等方法，研究了軟弱圍巖大斷面隧道開挖面變形控制技術(shù)，得到以下結(jié)論：

（1）軟巖隧道開挖時(shí)由于掌子面的穩(wěn)定性差，容易造成掌子面滑塌甚至冒頂，所以必須加固掌子面核心土，使得超前核心土成為保證隧道穩(wěn)定的依托，且加固長度應(yīng)大于隧道開挖直徑，以提高掌子面的穩(wěn)定性。

（2）通過掌子面變形和拱頂沉降曲線可以看出，兩者近似于線性關(guān)系：掌子面擠出變形越大，拱頂沉降越大。所以，可以通過掌子面加固措施來降低拱頂沉降。

（3）可以通過拱頂沉降值的大小預(yù)測掌子面前方土體的穩(wěn)定性，以便及時(shí)采取加固措施。

［1］ 李鵬飛，趙勇，劉建友.隧道軟弱圍巖變形特征與控制方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2014，35（5）：55.

［2］ 趙勇.隧道軟弱圍巖變形機(jī)制與控制技術(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2012.

［3］ 任偉明，彭麗云.新意法及其預(yù)約束施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2013，42（1）：83.

［4］ 毛燕飛.基于巖土控制變形分析法的軟弱圍巖隧道開挖變形控制技術(shù)［D］.西安：長安大學(xué)，2015.

［5］ 崔柔柔，楊其新，蔣雅君.軟巖隧道掌子面玻璃纖維錨桿加固參數(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015，59（11）：79.

［6］ 李斌，漆泰岳，吳占瑞，等.隧道掌子面錨桿加固參數(shù)確定方法［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（10）：115.

［7］ 鄧思遠(yuǎn)，楊其新，蔣雅君，等.軟弱圍巖大斷面隧道環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相關(guān)參數(shù)研究［J］.城市軌道交通研究，2016（3）：95.