尹海明，李 軍，陳富翔，胡冠華

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000；3.長安大學(xué) 陜西省公路橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展、國家路網(wǎng)規(guī)劃的不斷完善，公路和鐵路隧道建設(shè)日益增多，尤其是各種長大隧道的數(shù)量越來越多。由于隧道工程建設(shè)的特殊性、復(fù)雜性以及隧道圍巖的不確定性，不可避免地出現(xiàn)很多工程問題，其中對(duì)于隧道洞口段的施工處理尤顯重要［1-3］。通常情況下，隧道洞口段是指位于隧道進(jìn)出口前方對(duì)隧道施工有影響的地段。該地段是隧道的咽喉，地層多為坡積、堆積層，易于發(fā)生各種病害。另外，由于其隧道頂部覆蓋層較薄，很難形成拱效應(yīng)，故該部位的整體穩(wěn)定性較差［4-5］。如果隧道洞口段頂部已有工程構(gòu)筑物（原有公路），那么對(duì)隧道進(jìn)口段采取何種施工措施就更為重要。為了保證隧道整體施工的安全，應(yīng)對(duì)隧道洞口段的施工進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，分析開挖過程中洞口段對(duì)上部結(jié)構(gòu)物（原有公路）變形的影響，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)物的變形采取不同的支護(hù)措施。

本文以燕子山隧道出口段為例，結(jié)合具體的施工措施和數(shù)值模擬，研究該淺埋偏壓隧道洞口段施工對(duì)上部原有結(jié)構(gòu)物（原有公路）變形的影響，提出具體的支護(hù)措施，為隧道的安全施工提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

燕子山隧道位于龍麗溫高速公路文成至瑞安段工程某處，如圖1所示，它地處低山斜坡處，設(shè)計(jì)為分離式隧道。隧道出洞段里程右線為K105+152～K105+195，左線為K105+203～K105+242，走向與坡面走向大角度相交，洞口上部為公路，邊坡大面積中風(fēng)化巖形成陡崖，斜坡上覆薄層含黏性土碎石；下伏基巖為凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化呈碎塊狀，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體很破碎，巖質(zhì)較硬，自穩(wěn)性差，揭露厚度1～3m；中風(fēng)化巖體較完整～較破碎，巖質(zhì)堅(jiān)硬，具體地質(zhì)情況如圖2所示。

圖1 隧道洞口平面位置

該段水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地下水較豐富，以潛水和基巖裂隙水為主，開挖時(shí)會(huì)有滴水或滲水現(xiàn)象，雨季水量較大，有淋水現(xiàn)象。該段隧道埋深淺，主要穿越殘坡積體、強(qiáng)至中風(fēng)化基巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水較豐富，圍巖以松散結(jié)構(gòu)為主，［BQ］＜250，綜合評(píng)定為Ⅴ級(jí)圍巖。

圖2 隧道地質(zhì)縱斷面

1.2 隧道支護(hù)設(shè)計(jì)

燕子山隧道出口段圍巖判定為V級(jí)圍巖，故采用的輔助施工措施為超前長管棚支護(hù)，超前長管棚采用外徑108mm、壁厚6mm的熱軋無縫鋼管，鋼管環(huán)向間距為40cm，縱向外插角為1°，配合混凝土套拱施工，對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，以便安全進(jìn)洞。初支采用Φ25mm先錨后灌式注漿錨桿，長度為3.5m，錨桿環(huán)向和縱向間距為0.5m×1.0m；焊接網(wǎng)鋼筋直徑為6mm，間距為15cm×15cm；噴C20混凝土，厚度為25cm；鋼拱架采用18號(hào)工字鋼拱架，間距為50cm；二襯拱圈采用C30模筑鋼筋混凝土，其厚度為45cm；仰拱采用C30模筑鋼筋拱，厚度為45cm。

1.3 隧道擬采用的施工方案

燕子山隧道出口段有一條準(zhǔn)四級(jí)鄉(xiāng)村公路，為不影響其正常交通，采用提前明洞，在公路下方采用暗洞施工。又因?yàn)槠渌淼莱隹诙螄鷰r判定為V級(jí)圍巖，所以該段隧道的施工方法擬采用超前預(yù)支護(hù)后開挖，除特別說明外，均應(yīng)采用預(yù)留核心土方法施工。預(yù)留核心土施工采用人工和機(jī)械相結(jié)合的方法，主要分為上部、中間、下部3個(gè)施工區(qū)段。每個(gè)施工區(qū)段的最大預(yù)留長度為12m。地表路面預(yù)留變形量控制在15cm之內(nèi)。具體的施工順序見縱斷面圖3和橫斷面圖4。

2 燕子山隧道洞口段數(shù)值模擬及結(jié)果

2.1 隧道模型設(shè)計(jì)

隧道施工數(shù)值分析主要用于提前預(yù)判隧道施工時(shí)圍巖的變化，以及考察支護(hù)的穩(wěn)定性及其對(duì)周邊構(gòu)筑物的影響。在本文中主要用于模擬隧道洞口段施工對(duì)其地表（原有路面）沉降量的影響，因此通過有限元軟件MIDAS／GTS NX建立隧道洞口邊坡的數(shù)值計(jì)算模型，從而對(duì)隧道施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值分析，即分析隧道進(jìn)行分步施工時(shí)對(duì)地表（原有路面）沉降量的影響［6］。為了準(zhǔn)確模擬隧道的施工情況，對(duì)隧道的尺寸、邊界約束、荷載施加進(jìn)行相應(yīng)的說明。其中隧道凈寬10.25m，凈高5.0m。對(duì)于模型的邊界約束通常為：模型左、右兩側(cè)的約束為水平位移約束，距隧道邊墻的距離取洞跨的4倍；模型的上部邊界為自由面；下部邊界距隧道仰拱的距離為2倍洞跨，采用豎向位移約束；同時(shí)為了模擬隧道的施工情況，一般取軸向長度為80m，采用軸向位移約束。荷載的施加只考慮地層的初始應(yīng)力，即自重應(yīng)力。該三維模型一共劃分143 297個(gè)單元，50 077個(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖3 施工順序縱斷面

圖4 施工順序橫斷面

根據(jù)施工方案，該隧道擬采用環(huán)形預(yù)留核心土施工方法，故模型亦模擬該施工過程，分析施工的先后順序?qū)Φ乇恚ㄔ新访妫┏两档挠绊?。模擬隧道的施工順序及位置關(guān)系，如圖6所示。

圖5 隧道三維模型網(wǎng)格劃分

圖6 隧道三維模擬施工順序

2.2 隧道參數(shù)設(shè)定

在該模型的數(shù)值分析中，將其圍巖視作理性的彈塑性材料，同時(shí)材料的屈服準(zhǔn)則服從莫爾-庫倫準(zhǔn)則［7］。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)均根據(jù)浙江省龍麗溫高速公路文成至瑞安段第4合同段的燕子山隧道洞口出口段完整的勘測(cè)、調(diào)查資料及室內(nèi)巖石試驗(yàn)進(jìn)行選??；同時(shí)對(duì)于錨桿采用等效的原則進(jìn)行處理。具體的圍巖及支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)

2.3 隧道開挖各工序?qū)?yīng)的地表沉降變化量

隧道右線出口段采用環(huán)形預(yù)留核心土施工方法，根據(jù)隧道各工序的施工要求，采用有限元軟件MIDAS／GTS NX進(jìn)行各個(gè)工況的模擬施工。同時(shí)，為了更加準(zhǔn)確地模擬分析初始地應(yīng)力的釋放過程，地應(yīng)力釋放系數(shù)分別采用0.5、0.25、0.25。這樣可以保證在開挖完每一步土層后，不至于地應(yīng)力的大小發(fā)生突變，導(dǎo)致模型損壞。該模型主要選取樁號(hào)為YK105+180處斷面（地表原有路面外邊緣）進(jìn)行模擬開挖。一共進(jìn)行10個(gè)步驟，通過每一步的施工顯示其所引起地表（原有路面）沉降量的變化值；進(jìn)而通過模擬出的施工結(jié)果，對(duì)隧道洞口段地表（原有路面）進(jìn)行有效加固，或采取相應(yīng)的變更措施。具體每一步開挖或支護(hù)后所引起的地表（原有路面）沉降量如圖7～16所示。

圖7 右洞隧道進(jìn)行上部開挖引起的路面沉降量

圖8 右洞隧道進(jìn)行第一次上部加固引起的路面沉降量

為了更準(zhǔn)確和客觀地分析隧道洞口段環(huán)形預(yù)留核心土施工的順序?qū)λ淼赖乇恚ㄔ新访妫┘肮绊敵两盗康挠绊懀谒淼理敳垦赜叶粗休S線左右對(duì)稱各取9個(gè)特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的間距為3m；并在隧道斷面拱頂處設(shè)置監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)1個(gè)。隧道右洞地表9個(gè)特征點(diǎn)及拱頂處特征點(diǎn)的分布如圖17所示。

模擬施工的先后順序?qū)υO(shè)定隧道地表特征點(diǎn)沉降值的影響，結(jié)果如圖18所示。

模擬施工的先后順序?qū)υO(shè)定于隧道拱頂處的特征點(diǎn)沉降值的影響，結(jié)果如圖19所示。

圖9 右洞隧道進(jìn)行第二次上部加固引起的路面沉降量

圖10 右洞隧道進(jìn)行左下側(cè)開挖引起的路面沉降量

圖11 右洞隧道進(jìn)行第一次左下側(cè)加固引起的路面沉降量

圖12 右洞隧道進(jìn)行第二次左下側(cè)加固引起的路面沉降量

圖13 右洞隧道進(jìn)行右下側(cè)開挖引起的路面沉降量

圖14 右洞隧道進(jìn)行第一次右下側(cè)加固引起的路面沉降量

圖15 右洞隧道進(jìn)行第二次右下側(cè)加固引起的路面沉降量

圖16 右洞隧道進(jìn)行中部核心土開挖引起的路面沉降量

圖17 隧道記錄變形標(biāo)記點(diǎn)分布

圖18 隧道地表特征點(diǎn)隨模擬開挖先后順序引起的沉降值

圖19 隧道拱頂特征點(diǎn)A1隨模擬開挖先后順序所引起的沉降值

從圖17中可以清楚地看到，隧道地表（原有路面）的沉降監(jiān)測(cè)特征值主要分布在沿隧道中軸線左右兩側(cè)處（地表上原有路面外邊緣），一共9個(gè)特征點(diǎn)，從中能準(zhǔn)確地分析出地表的沉降變化量隨施工的先后順序而發(fā)生的變化。本次數(shù)值模擬開挖隧道洞口段采用“開挖與支護(hù)”的復(fù)合施工：首先開挖上部土層，接著初支；然后左下側(cè)開挖，初支；右下側(cè)開挖，初支，依次進(jìn)行；直到將隧道斷面開挖及支護(hù)完畢［8-9］。從圖7中可以看出，右洞洞口段進(jìn)行上部開挖時(shí)，其地表路面左側(cè)的沉降值上升，右側(cè)沉降值下降。當(dāng)進(jìn)行上部支護(hù)時(shí)，其左上部區(qū)域的上升沉降值逐漸減小，變化為下降沉降值逐漸增大。通過圖7、8可以看出，左側(cè)區(qū)域沉降值的變化主要是由于該隧道洞口段處于淺埋偏壓段，地勢(shì)區(qū)域?yàn)樽蟮陀腋摺Ｒ虼?，?dāng)隧道洞口段進(jìn)行上部土層開挖時(shí)，由于右側(cè)重力作用使得右側(cè)卸荷時(shí)造成左側(cè)地表隆起，進(jìn)而當(dāng)上部臨空面進(jìn)行加固后左側(cè)地表隆起值逐漸減小。此后每一步的開挖都將引起隧道左側(cè)區(qū)域地表處的隆起值增大，加固后隆起值逐漸減小。每一步的開挖與加固所引起豎向沉降量變化的原因都是一樣的。為了更加明確地分析該隧道洞口段施工的先后順序?qū)λ淼赖乇恚ㄔ新访妫┏两盗坑绊懙拇笮?，觀察圖18隧道地表特征點(diǎn)隨模擬開挖先后順序的沉降值。其中T3特征點(diǎn)處的沉降值最大，大約為57mm。T3特征點(diǎn)位于隧道左側(cè)拱頂上部，在進(jìn)行隧道施工時(shí)，要及時(shí)對(duì)隧道左側(cè)拱頂處進(jìn)行加固，盡可能早地封閉成環(huán)，避免沉降量過大影響地表（原有路面）的正常使用。所以，隧道洞口段施工時(shí)要嚴(yán)格遵循“超前地質(zhì)探測(cè)、超前預(yù)支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的工藝要求。

從圖17中可以看到，位于隧道拱頂處的特征點(diǎn)為A1，A1監(jiān)測(cè)的主要是隧道拱頂?shù)呢Q向變形。從圖19中可以看到，拱頂處的豎向變形量隨著施工的進(jìn)行最終穩(wěn)定在20.1mm左右。通過實(shí)際分析可知，該隧道洞口段地處強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r處。強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r呈灰褐色，裂隙發(fā)育，巖芯破碎，多呈碎塊狀，采取率低。鑒于此，開挖時(shí)要盡可能加強(qiáng)初期支護(hù)，盡早成環(huán)，避免拱頂處沉降量過大影響施工的正常進(jìn)行。

3 燕子山隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)的布設(shè)與監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 燕子山隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

在隧道的整個(gè)施工過程中，隧道洞口段的施工是關(guān)鍵，一般隧道施工遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則，盡量避免“大挖大刷”，破壞山體穩(wěn)定。其中隧道洞口段一般為淺埋段（埋深一般為50m），而隧道淺埋段一般處于地質(zhì)破碎、軟弱并且自穩(wěn)時(shí)間較短的圍巖處。如果在隧道淺埋段采取的進(jìn)洞施工方法不當(dāng)，將會(huì)引起隧道冒頂塌方或者地表的不均勻沉降，甚至使地表產(chǎn)生較大的裂縫，影響隧道的正常施工。特別是當(dāng)在隧道進(jìn)口段的上部地表存在原有工程構(gòu)筑物（公路路面）時(shí)，地表的不均勻沉降將會(huì)影響公路的安全使用。由此可知，在淺埋隧道洞口段施工時(shí)，對(duì)地表進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)十分重要。

燕子山隧道出口段為淺埋段，埋深為4.5m，其上方為一條準(zhǔn)四級(jí)鄉(xiāng)村公路。為保證在隧道施工過程中鄉(xiāng)村公路的正常使用，對(duì)隧道地表進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。在隧道地表布置2處量測(cè)地表沉降的斷面，樁號(hào)分別為YK105+180、YK105+170，每個(gè)斷面標(biāo)準(zhǔn)布置9個(gè)監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的間距為2～3m；同時(shí)布置1個(gè)不動(dòng)點(diǎn)作為后視點(diǎn)。具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖20所示。

圖20 隧道地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 地表監(jiān)測(cè)結(jié)果

在隧道地表處布置的2處斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行長達(dá)1個(gè)多月的監(jiān)控量測(cè)，得出有關(guān)隧道地表沉降的詳細(xì)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖21～24所示，為直觀地展示地表沉降，圖中縱坐標(biāo)均沿坐標(biāo)軸從大到小標(biāo)注。

圖21 YK105+180斷面地表（原有路面）沉降變化

經(jīng)過與數(shù)值模擬YK105+180斷面的地表沉降量數(shù)據(jù)比較可知，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果在地表（原有地面）沉降量曲線的整體趨勢(shì)上是接近的，出現(xiàn)的峰值點(diǎn)都在監(jiān)測(cè)點(diǎn)7處。由此可見，數(shù)值模擬地表（原有路面）沉降的結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是基本吻合的。故在該隧道洞口段施工時(shí)一定要謹(jǐn)記“弱爆破、早封閉、強(qiáng)支護(hù)”，避免對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)也應(yīng)該避免隧道地面（原有路面）沉降量過大，影響隧道的正常施工和原有路面的正常使用。

圖22 YK105+180斷面地表（原有路面）沉降

圖23 YK105+170斷面地表（原有路面）沉降變化

圖24 YK105+170斷面地表（原有路面）沉降

4 結(jié) 語

本文以浙江省龍麗溫高速公路文成至瑞安段第4合同段的燕子山隧道洞口出口段施工為工程背景，采用三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，較清楚和全面地分析淺埋偏壓隧道洞口段施工的先后順序?qū)λ淼赖乇恚ㄔ新访妫┏两档挠绊?。通過數(shù)值的模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，兩者的數(shù)據(jù)是接近的，在隧道施工時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，及早封閉成環(huán)，避免因施工后未及時(shí)支護(hù)引起地表（原有路面）不均勻或過大沉降，影響地表路面的正常使用。