李萬(wàn)勝，孫澤萍

（1.甘肅天隴鐵路有限公司，蘭州 730000；2.甘肅電通電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，蘭州 730000）

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)一直在如火如荼地向前發(fā)展，隨著城市化進(jìn)程不斷加快，對(duì)運(yùn)輸行業(yè)的要求也不斷提高。在我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)中鐵路橋梁隧道占據(jù)著非常大的比重，但隧道建設(shè)過程中也會(huì)遇到許多諸如軟巖等不良地質(zhì)情況，導(dǎo)致影響隧道開挖進(jìn)度甚至施工人員生命安全。

在隧道進(jìn)口段，若是遇到較陡的松散巖體地段，進(jìn)行隧道開挖時(shí)的擾動(dòng)很有可能會(huì)使上部土體滑落，造成冒頂、塌方，甚至滑坡。針對(duì)這種現(xiàn)象，丁財(cái)寶[1]在施工過程中通過采取鋼管樁注漿加固和減小偏壓后，實(shí)現(xiàn)了隧道順利施工。沈遠(yuǎn)等[2]采取支擋結(jié)合坡面排水措施，在滑坡前緣隧道進(jìn)口處設(shè)一排抗滑樁來防止滑坡。宿愛香[3]結(jié)合吉圖琿客專后鞍山隧道工程實(shí)踐，通過旋噴樁施工達(dá)到超前改良、加固土體。

近幾年，我國(guó)大部分地區(qū)都采用和推廣使用人工挖孔樁來改良軟土地層不良地質(zhì)基礎(chǔ)[4-6]，因人工挖孔樁具有較大的承載能力及經(jīng)濟(jì)靈活性，很快受到了較多勘察設(shè)計(jì)、施工單位的認(rèn)同，其是一種適宜在軟弱地基上施工使用的基礎(chǔ)形式[7-9]。但在目前治理隧道進(jìn)口段塌方等問題中，使用人工挖孔樁的案例較少，多數(shù)還是設(shè)計(jì)為錨索或者抗滑樁，但這樣一方面提高了工程造價(jià)，另一方面，也會(huì)拖延工程進(jìn)度。因此，很有必要研究人工挖孔樁在塌方問題中的影響，以填補(bǔ)該工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的空白。本文以杜家溝隧道進(jìn)口段為例，通過在隧道兩端增設(shè)人工挖孔樁，增加土體的穩(wěn)定性。經(jīng)數(shù)值模擬分析，本方案取得了良好的加固效果，可以為相似的隧道工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程概述

杜家溝隧道位于甘肅省隴南市武都區(qū)兩水鎮(zhèn)境內(nèi)，為中山區(qū)，地面高程1 085~1 375 m，相對(duì)高差約290 m，區(qū)內(nèi)地形起伏大，植被較茂密，隧道最大埋深約271.2 m，最小埋深約12 m。隧道起訖里程DK226+029-DK228+075，全長(zhǎng)2 046 m，為單線隧道，隧道DK226+404.45-DK228+075 段位于R-800 m 的左偏曲線上，其余均位于直線上；洞內(nèi)分別為-16.7‰/371 m、-15.9‰/1 675 m 的單面下坡，隧道進(jìn)口高程：1 102.73 m，出口高程為1 069.9 m。

1.2 氣象特征

隧址區(qū)地表水主要為白龍江及其支流溝壩河，屬嘉陵江水系。隧道進(jìn)口為白龍江支流溝壩河，為常年流水。隧道上方地表水為人工水渠，該水渠環(huán)山體半坡而建，流量小。隧道洞身下穿兩處沖溝，勘察期間未見地表水。沿線氣候?yàn)楸眮啛釒駶?rùn)向暖溫帶半濕潤(rùn)過渡的季風(fēng)氣候區(qū)，受高山深谷地形的影響，在氣候上有明顯的區(qū)域特征，氣候差異懸殊，垂直分帶明顯，河谷炎熱，山地寒冷。

1.3 地層巖性特征

隧道洞身通過的地層巖性主要為第四系上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土、細(xì)角礫土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土、卵石土及志留系千枚巖。隧道進(jìn)口段主要為志留系中上統(tǒng)白龍江群第一巖性段主要分布在隧道進(jìn)口及洞身段；主要為千枚巖，灰黑色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，層厚0.1~3 mm，成分主要為含鋁、鎂等為主的含水硅酸鹽礦物、長(zhǎng)石等，含炭質(zhì)礦物，呈絲絹光澤。巖體破碎，節(jié)理較發(fā)育，褶皺發(fā)育，巖質(zhì)軟，手捻易碎。表層風(fēng)化嚴(yán)重。Ⅳ級(jí)軟石，強(qiáng)風(fēng)化厚0.5～2 m，σ0=300 kPa；弱風(fēng)化，σ0=400 kPa?；緡鷰r分級(jí)Ⅴ級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際證明，在隧道開挖過程中，上覆土體經(jīng)擾動(dòng)后就會(huì)松動(dòng)坍塌。

2 隧道進(jìn)口段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目的

杜家溝隧道進(jìn)口為志留系薄層千枚巖層，巖體破碎，層面無(wú)粘結(jié)，產(chǎn)狀凌亂，巖層走向變化快，洞口仰坡坡度較陡，開挖稍有擾動(dòng)就會(huì)快速松動(dòng)坍塌。由于導(dǎo)向墻底部巖體穩(wěn)定性差，開挖后導(dǎo)向墻底部巖體在自重壓力下坍塌，導(dǎo)致導(dǎo)向墻右側(cè)墻角懸空下沉，牽引作用下導(dǎo)致洞內(nèi)沉降，洞頂松散土體變形，地表開裂，因此，需對(duì)進(jìn)口段隧道圍巖進(jìn)行加固處理，防止坍塌，通過分析加設(shè)人工挖孔樁后的治理效果，為今后相似工程實(shí)例提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.2 隧道進(jìn)口人工挖孔樁工程方案設(shè)計(jì)

為防止洞頂上方土體移動(dòng)，抵抗上部松散土體壓力，根據(jù)地形情況，在洞口兩側(cè)邊坡設(shè)置2 m×3 m（橫×縱）加固方樁，樁長(zhǎng)23 m。右側(cè)2 根，樁頂高程1 117 m，中心里程為DK226+0405，隧道中心線與左右兩側(cè)樁中心距為7.2 m，右側(cè)第二根樁與第一根樁中心間距4 m。左側(cè)1 根，樁頂高程1 114 m，樁中心里程為DK226+041.5。樁體為C30 鋼筋混凝土，護(hù)壁為30 cm厚C20 鋼筋混凝土，嵌固于洞頂兩側(cè)山坡上。布設(shè)位置如圖1 所示。

圖1 人工挖孔樁布設(shè)示意圖

人工挖孔樁施工順序：場(chǎng)地平整—測(cè)量放線—施工混凝土鎖口—挖孔樁土方—安裝護(hù)壁鋼筋—澆筑護(hù)壁砼（循環(huán)施工至設(shè)計(jì)標(biāo)高）—終孔驗(yàn)收—安放鋼筋籠—澆筑樁身砼。由于樁位于洞口仰坡上，坡面較陡，無(wú)法放置設(shè)備施工，且在坡面上無(wú)法施工挖樁鎖口，需在樁位處填土至樁頂位置，平臺(tái)外緣距樁外側(cè)不小于1.5 m，填土需逐層壓實(shí)。填土平臺(tái)位置如圖2 所示。

圖2 填土平臺(tái)示意圖

2.3 隧道進(jìn)口段工程設(shè)計(jì)方案

初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)形式，系統(tǒng)錨桿采用φ22砂漿錨桿，鋼架采用工字型鋼和H 型鋼鋼架，鋼筋網(wǎng)采用φ8 鋼筋制作，具體見表1。噴射混凝土采用濕式噴射作業(yè)。

表1 杜家溝隧道進(jìn)口段隧道工程參數(shù)表

噴錨作業(yè)緊跟開挖工作面進(jìn)行。在樁孔開挖之前要做好樁上口及槽上口邊的護(hù)理工作。放測(cè)出的樁孔位置，樁身外側(cè)加500 mm 為開挖輪廓，做好護(hù)樁，并加以保護(hù)鋼筋網(wǎng)在洞外事先焊接綁扎成片，運(yùn)至洞內(nèi)鋪設(shè)。固定在錨桿尾部。先進(jìn)行初噴，厚度4～5 cm，型鋼鋼架安設(shè)完成后，再進(jìn)行多次分層噴射至設(shè)計(jì)厚度，將噴層表面凹凸不平處噴射平整、圓順。隧道均采用復(fù)合式襯砌，根據(jù)圍巖形式，本隧道采用一般斷面襯砌、橢圓形斷面襯砌及圓形斷面襯砌。襯砌施工采用襯砌臺(tái)車施工，襯砌臺(tái)車按襯砌類型設(shè)計(jì)加工，二次襯砌一般在圍巖變形趨于基本穩(wěn)定后施作，變形趨于穩(wěn)定應(yīng)符合以下要求：隧道周邊變形速率明顯下降并趨于緩和；水平收斂小于0.2 mm/d、拱頂下沉速率小于0.15 mm/d。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

Plaxis2D 是一款有限元分析軟件，旨在對(duì)巖土工程和巖石力學(xué)中的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行二維分析，通過建立隧道縱斷面與橫斷面模型，并分析加設(shè)人工挖孔樁前后總位移與有效應(yīng)力變化，最終驗(yàn)證設(shè)計(jì)人工挖孔樁的合理性。

數(shù)值模擬采用強(qiáng)度折減法計(jì)算總安全因數(shù)。千枚巖材料模型選取摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，排水類型選擇不排水。人工挖孔樁材料類型為彈性。有限元材料模型其余參數(shù)見表2。

表2 有限元材料模型參數(shù)表

3.1 橫斷面分析

橫斷面總位移對(duì)比如圖3 所示。

圖3 橫斷面總位移對(duì)比圖

由圖3 可知，當(dāng)沒有設(shè)置人工挖孔樁時(shí)，由于上覆土壓力存在，襯砌右側(cè)變形最大，最大值約為1.3 m。而當(dāng)設(shè)置人工挖孔樁后，圍巖總體變形明顯變小，尤其邊界周圍上的總位移減少的最為明顯。

橫斷面有效應(yīng)力對(duì)比如圖4 所示。

圖4 橫斷面有效應(yīng)力對(duì)比圖

有效應(yīng)力，是指土壤在荷載作用下，通過粒間接觸面?zhèn)鬟f的平均法向應(yīng)力，會(huì)引起土體的變形和決定土的抗剪強(qiáng)度。土體的有效應(yīng)力越大，其抗剪強(qiáng)度也越大。

從圖4 有無(wú)人工挖孔樁時(shí)的總有效應(yīng)力對(duì)比圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有設(shè)置人工挖孔樁時(shí)，笛卡爾總有效應(yīng)力最大值為0.57 N/m2，最小值為-1.07 N/m2，有效應(yīng)力分布以隧道為中心，靠近隧道的有效應(yīng)力最大。當(dāng)增設(shè)人工挖孔樁時(shí)，笛卡爾總有效應(yīng)力最大值為10.05 N/m2，最小值為-1 848 N/m2，有效應(yīng)力絕對(duì)值與未加人工挖孔樁相比，增大了1 500 倍以上，有效應(yīng)力分布更加分散。這說明人工挖孔樁使得土體內(nèi)部的粒間應(yīng)力增加，使土體不易受開挖擾動(dòng)影響。

3.2 縱斷面分析

由圖5 可知，當(dāng)沒有設(shè)置人工挖孔樁時(shí)，土體最上層變形最大，而當(dāng)設(shè)置人工挖孔樁后，圍巖變形總體明顯減小。從圖6 有無(wú)人工挖孔樁時(shí)的總有效應(yīng)力對(duì)比圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有設(shè)置人工挖孔樁時(shí)，笛卡爾總有效應(yīng)力最大值為1.807 N/m2，最小值為-0.616 5 N/m2，有效應(yīng)力在坡腳與土體中部最大。當(dāng)增設(shè)人工挖孔樁時(shí)，笛卡爾總有效應(yīng)力最大值為7.865 N/m2，最小值為-1 675 N/m2。有效應(yīng)力變化情況與橫向隧道相似。

圖5 縱斷面總位移對(duì)比圖

圖6 縱斷面有效應(yīng)力對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文立足于杜家溝隧道，通過平整場(chǎng)地、測(cè)量放線等一系列工藝流程，得到人工挖孔樁，通過有限元分析軟件Plaxis2D 對(duì)設(shè)計(jì)好的人工挖孔樁從橫斷面與縱斷面2 個(gè)角度進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

（1）增設(shè)人工挖孔樁后，對(duì)橫斷面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)有效應(yīng)力絕對(duì)值大幅增加，并且分布整體上更加均勻，同時(shí)土體位移變形總體大幅減小，說明人工挖孔樁使得土體內(nèi)部的粒間應(yīng)力增加，使土體不易受開挖擾動(dòng)影響。

（2）增設(shè)人工挖孔樁后，對(duì)縱斷面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)有效應(yīng)力與總位移變化情況和橫斷面有限元分析結(jié)果相似。從橫斷面與縱斷面變形總量大幅減少，粒間應(yīng)力增加可以說明使用該方案布設(shè)的抗滑樁合理，可以為今后的相似工程提供依據(jù)。

（3）對(duì)于千枚巖等開挖稍有擾動(dòng)就快速松動(dòng)坍塌的地質(zhì)條件，可以使用人工挖孔樁使淺埋隧道變形減小，并使巖土體整體性提高。