簡(jiǎn)華華

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008）

0 引言

在山地和丘陵區(qū)域的公路建設(shè)中，以往所采用的通過(guò)依山繞行修建交通道路的方式已無(wú)法符合當(dāng)前的交通發(fā)展需求。出于對(duì)線形、土地資源、經(jīng)濟(jì)效益等方面的考慮，作為地下通道的隧道有其他結(jié)構(gòu)難以代替的作用。在隧道施工中，如何確保其安全性是重難點(diǎn)，而其中的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題則是關(guān)鍵。圍巖穩(wěn)定性指隧道洞室在施工后無(wú)支護(hù)條件時(shí)的自穩(wěn)性能[1]。隧道施工會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)應(yīng)力釋放的情況使其應(yīng)力重新分布和調(diào)整，此時(shí)圍巖將會(huì)發(fā)生變形。關(guān)于圍巖穩(wěn)定性，當(dāng)前已有較多學(xué)者從不同地質(zhì)因素的角度開展了研究[2-6]?；趪?guó)內(nèi)地形特點(diǎn)，山嶺隧道施工時(shí)常需要經(jīng)過(guò)各種不良地質(zhì)。沖溝作為不良地質(zhì)中的一種，當(dāng)其出現(xiàn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致圍巖破碎等病害，影響圍巖穩(wěn)定以及施工安全。因此，還需進(jìn)一步開展隧道穿越不良地質(zhì)段的研究。

1 工程概況

某隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h 的雙向4 車道高速公路，以公路-I 級(jí)為汽車荷載等級(jí)，以BZZ-100作為路面標(biāo)準(zhǔn)軸載，建筑界限凈寬0.75+0.75+2×3.75+1+1=11（m），建筑限界凈高5.0m。呈近南-北向展布，左幅洞長(zhǎng)4 943m，右幅洞長(zhǎng)4 995m，進(jìn)口端左右線洞口縱斷面分別位于R=17000,R=18000 凸型豎曲線上，出口端左右線縱斷面均位于R=17000 凸形豎曲線上。左、右線洞身直坡段縱坡分別為-2.1142%, -2.1000%。隧道最大埋深為345m。

2 有限元分析

從現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果可知，其不良地質(zhì)段圍巖等級(jí)為V級(jí)。在模擬分析隧道沖溝段時(shí)，為盡可能避免邊界條件帶來(lái)的影響，以5倍及以上隧道半徑作為隧道左右邊界和中心線的距離，以100m 作為隧道水平寬度，以3倍及以上的隧道高度作為模型拱底到仰拱的距離，以40m作為模型底部，以隧道埋深到地表的距離作為模型的高度。實(shí)際上，沖溝高30m、寬40m、軸向長(zhǎng)40m，最終建模模型尺寸為100m 長(zhǎng)、90m 高、40m 寬。對(duì)模型X、Y、Z方向進(jìn)行約束。隧道計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格示意圖

結(jié)合該隧道的施工工況，開挖時(shí)以CRD 法進(jìn)行施工，研究分析隧道淺埋段存在沖溝時(shí)的變形情況，具體開挖步驟如圖2所示：

圖2 CRD法開挖橫向施工工序示意圖

（1）開挖先行導(dǎo)坑上部Ⅰ；

（2）施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)①；

（3）開挖先行導(dǎo)坑上部Ⅱ；

（4）施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)②；

（5）開挖先行導(dǎo)坑上部Ⅲ；

（6）施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)③；

（7）開挖先行導(dǎo)坑上部Ⅳ；

（8）施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)④；

（9）澆筑仰拱⑤；

（10）仰拱回填⑥；

（11）整體模筑二次襯砌⑦。

遵照工程實(shí)際進(jìn)行循環(huán)開挖和支護(hù)施工。按1m/d的循環(huán)作為一個(gè)施工進(jìn)度，對(duì)隧道圍巖所受沖溝的影響進(jìn)行分析。

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 沖溝段的存在對(duì)穩(wěn)定性的影響分析

隧道在有無(wú)沖溝施工時(shí)的應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 最小主應(yīng)力云圖

限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。對(duì)比隧道圍巖在有無(wú)沖溝條件下的位移情況可知，隧道圍巖的穩(wěn)定性受沖溝的影響較大，圍巖位移在有沖溝時(shí)較大，需采取相應(yīng)措施確保施工安全。分析拱頂和周邊位移可看出，相比于周邊位移，拱頂位移較大，因此必須進(jìn)行加固以做好拱頂圍巖的變形控制。從拱頂和周邊位移的變化上看，其共有急劇、緩慢、穩(wěn)定3 個(gè)變形階段。從拱頂位移上看，隨著不斷進(jìn)行的施工，在前面1～7d 的隧道開挖時(shí)間內(nèi)有急劇變形出現(xiàn)，此時(shí)拱頂沉降速率較大；緩慢變形階段出現(xiàn)在8～15d，在第16d 開挖時(shí)，位移變化逐漸變?yōu)榱?，表明此時(shí)為穩(wěn)定變形階段。在隧道施工時(shí)，因通過(guò)CRD 施工存在相互擾動(dòng)的情況，故周邊收斂出現(xiàn)突變，說(shuō)明在施工時(shí)要及時(shí)開展初期支護(hù)。

進(jìn)一步對(duì)比兩種工況下的應(yīng)力情況可知，隧道在無(wú)沖溝存在時(shí)的主應(yīng)力要小于存在沖溝時(shí)的工況，并且在施工時(shí)，圍巖的最初平衡狀態(tài)因?yàn)樗淼赖氖┕ざ粩_動(dòng)破壞，且逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樾缕胶鉅顟B(tài)，隧道拱頂和拱腳位置在此時(shí)出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中的情況。因此可知，隧道圍巖在沖溝存在時(shí)較不穩(wěn)定，開挖隧道前應(yīng)采取相應(yīng)措施，避免開挖隧道時(shí)出現(xiàn)安全事故。

3.2 沖溝段存在位置不同對(duì)穩(wěn)定性的影響

不同沖溝段埋深和隧道豎向位移間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 豎向位移-埋深關(guān)系曲線

圍巖拱頂和仰拱處隨著隧道的不斷開挖表現(xiàn)出豎向位移不斷增加的規(guī)律，并且在拱頂位置位移不斷下沉，仰拱位置位移表現(xiàn)出拱底隆起。隨著隧道埋深的不斷減小，豎向位移不斷增大。隨著不斷加深的隧道水平進(jìn)尺，隧道沖溝段的埋深不斷從深變淺，經(jīng)過(guò)谷底時(shí)，又從淺變深，拱頂位移也有所改變，對(duì)隧道穩(wěn)定較為不利。

受到隧道開挖的影響，隧道淺埋段圍巖出現(xiàn)掉塊等情況，若處理不當(dāng)有可能發(fā)展至坍塌等，導(dǎo)致隧道安全性受到影響，應(yīng)采取一定措施避免隧道施工時(shí)出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)。進(jìn)一步分析隧道應(yīng)力可知，隧道圍巖因隧道施工的擾動(dòng)而使其應(yīng)力開始過(guò)渡到新平衡狀態(tài)，此時(shí)出現(xiàn)較大的應(yīng)力分布變化，且部分位置還有應(yīng)力集中的情況出現(xiàn)，較為明顯的是拱頂和拱腳位置。隧道應(yīng)力隨著埋深的減小而增大。谷底淺埋段在過(guò)沖溝時(shí)因?yàn)槭┕び绊憣?dǎo)致應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，淺埋段的地表應(yīng)力相比于深埋段出現(xiàn)較大增長(zhǎng)，不利于隧道穩(wěn)定，并且隧道圍巖在淺埋段較為破碎，自穩(wěn)性較差，對(duì)圍巖失穩(wěn)而言有較大風(fēng)險(xiǎn)。因此隧道圍巖在存在沖溝時(shí)其應(yīng)力會(huì)因?yàn)椴煌穆裆钋闆r而使圍巖失穩(wěn)出現(xiàn)不同程度的加劇，不利于其穩(wěn)定性。為避免隧道施工引起安全事故，需提前加固圍巖以抑制其變形。

4 處理措施優(yōu)化分析

4.1 超前小導(dǎo)管支護(hù)

超前小導(dǎo)管采用外徑?42mm、壁厚4mm 的熱軋無(wú)縫鋼管加工而成，長(zhǎng)400cm，鋼管前端加工成錐形，尾部焊接?6鋼筋加勁箍，管壁四周鉆?6mm注漿孔；超前小導(dǎo)管施工時(shí)，鋼管以45°外插角打入圍巖，鋼管環(huán)向間距為80cm，縱向排距為60cm；超前小導(dǎo)管注漿采用水泥液漿，可適當(dāng)摻入水玻璃調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，注漿參數(shù)為：1∶1 的水泥漿水灰比、0.5～1.0MPa 的注漿壓力、42.5 的水泥標(biāo)號(hào)；超前小導(dǎo)管尾端應(yīng)固定在鋼拱架上，施工中必須確保注漿質(zhì)量。超前小導(dǎo)管布置如圖5所示。

圖5 超前小導(dǎo)管布置圖

4.2 管棚支護(hù)

管棚法類似于超前小導(dǎo)管，如圖6所示。同樣是采用向隧道前方圍巖插入鋼管注入水泥漿的方式對(duì)圍巖參數(shù)進(jìn)行改良，并且因?yàn)橛休^長(zhǎng)的縱向長(zhǎng)度，鋼管能與錨桿共同發(fā)揮承載作用，以此對(duì)圍巖變形起到抑制作用，避免圍巖坍塌。若隧道施工遭遇松軟地區(qū)、需經(jīng)過(guò)塌方地段、淺埋段、地表或遇到較差的地質(zhì)條件時(shí)，都可先采用管棚法施加預(yù)支護(hù)后再進(jìn)洞。

圖6 管棚法示意圖

施工管棚時(shí)，應(yīng)一起使用管棚和鋼拱架，首先開挖隧道工作面拱部位置，在地層中采用大型水平鉆施工一排孔眼，再在鉆孔中插入鋼管以成形管棚，前后兩排管棚的搭接長(zhǎng)度應(yīng)在3m 以上。在鋼拱架上搭設(shè)并焊死管棚的尾部。拱架相鄰兩榀位置應(yīng)設(shè)置直徑為22mm、環(huán)向間距為1m 的鋼筋，并采用楔子按照2m 的間隔將其楔緊，確保其能有效承受圍巖壓力。

5 結(jié)論

以某隧道項(xiàng)目為背景，探討其在因沖溝存在而出現(xiàn)的淺埋和破碎等不良地質(zhì)環(huán)境下的圍巖穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)有限元分析，探討了不良地質(zhì)條件下的隧道穩(wěn)定性，基于預(yù)留核心土臺(tái)階法對(duì)沖溝存在與否以及存在沖溝時(shí)埋深不同的影響進(jìn)行分析，研究圍巖變形情況。

（2）基于該隧道的變形特點(diǎn)，提出超前小導(dǎo)管和管棚法兩種加固方案，并詳細(xì)闡述其布置方式。