程 佳 戰(zhàn)啟芳 劉訓(xùn)臣

(石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學院 河北石家莊 050041)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對交通運輸有了更大的需求，然而我我國山地面積廣泛，約占全國總面積的 60%，因此隧道建設(shè)顯得極為重要。由于對環(huán)境的保護要求和施工技術(shù)不斷提升，隧道建設(shè)不可避免地要穿越富水、偏壓、淺埋、破碎圍巖等不良地質(zhì)段，給項目施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。本文依托巴達鐵路黎家灣隧道工程，針對其不良地質(zhì)段提出相應(yīng)的施工控制措施，并對其施工效果進行數(shù)值模擬分析，從而評價控制措施，可為類似工程提供參考意義。

2 工程概況

黎家灣隧道位于丘陵地區(qū)，地貌受到侵蝕，地形起伏小，地面標高在386～430 m之間。坡腳和山坡處基巖被侵蝕特征明顯，山頂呈現(xiàn)馬鞍形。隧道出口處通過202省道，交通較便利。隧道范圍內(nèi)上覆坡殘積粉質(zhì)粘土、坡洪積粉質(zhì)粘土、坡崩積粉質(zhì)粘土夾塊石，隧道以下土質(zhì)為上沙廟組砂巖夾泥巖，隧道洞口范圍內(nèi)有薄層黃土，基巖面起伏及風化不均。通過物探和地表測繪發(fā)現(xiàn)隧道通過范圍內(nèi)存在兩處斷裂構(gòu)造，分別位于：X2DK0+280和X2DK0+510附近。同時發(fā)現(xiàn)存在含泥質(zhì)極軟巖夾層，巖體破碎嚴重，位于X2DK0+530～X2DK0+660段。場地地下水為為基巖裂隙水，最大單位長度涌水量4.61 m3/d，屬于中等富水區(qū)。因此本隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度較大。

3 不良地質(zhì)段施工控制措施

由于黎家灣隧道圍巖含泥質(zhì)極軟巖夾層，容易引起塌方，且為中等富水區(qū)，因此采用拱墻格柵及拱部超前砂漿錨桿加強支護，開挖方式為臺階法，通過錨、網(wǎng)、噴進行初期支護，然后進行拱墻一次襯砌?？紤]到遂址范圍內(nèi)存在斷層和軟弱破碎帶，為保證隧道施工安全，防止涌水、突泥和坍塌事故的出現(xiàn)，隧道開挖過程中要嚴格進行監(jiān)控量測，隨時根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行后續(xù)施工方案調(diào)整。

3.1 預(yù)加固措施

在分析預(yù)測結(jié)果與地勘資料的基礎(chǔ)上，采用TSP對隧道前方100～200 m范圍內(nèi)的圍巖進行判釋。如果遇到溶洞時，需要應(yīng)用地質(zhì)雷達進行探測。全線隧道用Φ22的砂漿錨桿和中空錨桿進行支護，但針對Ⅴ級圍巖，必須提前施作Φ42超前小導(dǎo)管進行預(yù)加固，全環(huán)格柵鋼架。施工過程中加強監(jiān)控，注意通風。

3.2 注漿堵水加固

根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況，在分析超前探水鉆孔與超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上，確定注漿堵水方案。注漿方式包括開挖后周邊注漿、3 m徑向注漿、局部斷面注漿，有效的將地下水封堵在圍巖內(nèi)，從而保證施工安全。有效加固范圍為開挖輪廓線以外5 m范圍內(nèi)，注漿孔分布方式為梅花形，環(huán)向、縱向間距均為1.5 m，孔底間距不大于3 m，注漿孔直徑為46 mm，孔深4.5 m，與隧道軸線呈60°夾角，孔口需要設(shè)置孔口管，孔口管為0.5 m的熱軋無縫鋼管。根據(jù)不同范圍內(nèi)的具體地質(zhì)情況，注漿材料不同，如以加固為主采用純水泥漿，以堵水為主采用雙液漿，注漿壓力為靜水壓力的(2～3)倍，。在同一個注漿段范圍內(nèi)，從兩側(cè)到中間注漿，間隔施工，對于同一排孔注按從上往下的順序注漿。開挖時，一個注漿段范圍內(nèi)需保留5 m范圍不開挖，作為下一個注漿段的止?jié){巖盤。漿液濃度以現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整，注漿壓力初步定為0.5～1.5 MPa。

3.3 開挖方法

隧道開挖方法采用臺階法，分為上下兩個臺階。上部臺階先開挖，開挖完成后及時施作初期支護，即初噴4 cm厚混凝土，再進行混凝土噴射直至設(shè)計厚度，為保證圍巖和初期支護變形滿足設(shè)計要求，在施工鋼架時一般采用鎖腳小導(dǎo)管作為控制措施。下臺階進行開挖時(上臺階噴射混凝強度達到設(shè)計的70%以上)，采用兩邊開挖中間拉槽的方式，從而方便機械出渣和其他施工作業(yè)。待下臺階法開挖完成后，及時澆筑底板混凝土。

圖1 網(wǎng)格圖

4 數(shù)值模擬分析

為驗證支護方案的可行性，對隧道支護方案進行數(shù)值模擬分析，計算軟件采用 MIDAS公司的GTS軟件。建立的模型隧道埋深60 m，隧洞高度為9.7 m，下部寬度為7.5 m。支護錨桿及混凝土厚度按設(shè)計要求布置，開挖方式分兩步開挖。在隧道開挖分析中，共設(shè)置五種工況，即上部土體開挖、上部錨桿支護、下部土體開挖、下部錨桿支護、混凝土硬化。模型采用四邊形單元，土層單元體網(wǎng)格大小為2 m，隧道單元體網(wǎng)格大小為0.2 m；總共劃分4 251個單元，計算參數(shù)見表1，模型如圖1所示。

（1）水平位移分析（圖2所示）

圖2 隧道水平位移圖

通過數(shù)值模擬，可以得出隧道水平位移在開挖過程中沿中心線大致呈現(xiàn)對稱分布，最大水平位移值為 22.9 mm，其位置出現(xiàn)在左側(cè)拱腳。開挖初期水平位移較大，但施作錨桿后能有效的減小水平位移，然而隨著下部土體開挖，水平位移會繼續(xù)增大。當全部混凝土硬化完成后，隧道位移場達到穩(wěn)定。因此，本工程施工方案能夠有效的控制圍巖變形，防止隧道出現(xiàn)坍塌事故。

（2）拱頂沉降分析（圖3所示）

圖3 隧道豎向位移圖

通過數(shù)值模擬豎向云圖，得出開挖初期拱頂沉降增大，但施作錨桿后能有效的減小拱頂位移，然而隨著下部土體開挖，拱頂位移會繼續(xù)增大。當全部混凝土硬化完成后，隧道變形達到穩(wěn)定，沉降值最終得到控制。

通過對隧洞的數(shù)值模擬分析可以預(yù)測隧道在當前施工條件下的穩(wěn)定性，為設(shè)計院提供參考依據(jù)，為下一步施工做準備。

5 結(jié)論

本文以黎家灣隧道為工程依托，深分析其不良地質(zhì)災(zāi)害特性，有針對地制定災(zāi)害控制措施，并通過數(shù)值模擬分析對其控制效果進行評價，得出以下幾點結(jié)論。

（1）黎家灣隧道不良地質(zhì)段施工控制措施主要包括預(yù)加固措施、注漿堵水加固及開挖方法，其中預(yù)加固措施主要包括超前小導(dǎo)管注漿，開挖方法主要是臺階分部開挖法。

（2）對數(shù)值模擬得到的隧道水平位移及豎向位移可知，采用上述施工控制措施，其初期支護狀況良好，可初步判定該施工控制措施取得了良好的效果，隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)變形方面得到了有效控制，保證了施工安全，達到了預(yù)計目標。