譚勇

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，交通領(lǐng)域得到了飛躍式發(fā)展。在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，隧道所占比例逐漸增加[1]。但在較為復(fù)雜的地質(zhì)條件下，隧道易發(fā)生工程病害，影響隧道的使用壽命。因此，通過隧道圍巖支護(hù)技術(shù)確保隧道的穩(wěn)定性，具有重要意義。

通過文獻(xiàn)研究可知，圍巖支護(hù)技術(shù)是一種通過外圍施工，在隧道內(nèi)部或外部增加穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，從而提升隧道穩(wěn)定性的技術(shù)。使用此技術(shù)后可有效控制隧道的位移與下沉，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的控制與保護(hù)。但經(jīng)過大量的案例分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超長(zhǎng)公路隧道圍巖支護(hù)技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜地質(zhì)條件后，隧道的下沉速度得不到良好的控制[2]。針對(duì)此問題，在本次研究中將設(shè)計(jì)出一種可應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的新型超長(zhǎng)公路隧道圍巖支護(hù)技術(shù)，力求在當(dāng)前技術(shù)的基礎(chǔ)上，提升隧道穩(wěn)定程度，控制下沉速度，縮減隧道下沉深度，確保隧道的安全與穩(wěn)定。

1 復(fù)雜地質(zhì)條件下超長(zhǎng)公路隧道圍巖支護(hù)技術(shù)

1.1 隧道圍巖穩(wěn)定性分析

施工中，對(duì)影響隧道安全的因素進(jìn)行研究，并將其分為三種：一是地質(zhì)因素，即原巖應(yīng)力狀態(tài)、巖石組成、結(jié)構(gòu)、風(fēng)化情況等；二是工程因素，主要包括工程的規(guī)模、種類和尺寸等；三是施工因素，主要是指施工方法和圍巖的支護(hù)形式等。

為了對(duì)隧道提供更加具有針對(duì)性的保護(hù)，首先設(shè)定隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定外部環(huán)境的穩(wěn)定程度。通過大量的案例分析，在本次研究中將設(shè)定為隧道口位移距離、塑性區(qū)面積以及節(jié)理面剪切滑動(dòng)區(qū)面積三部分。通過對(duì)三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)的方式，確定研究區(qū)域的穩(wěn)定性。在分析的過程中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定各個(gè)指標(biāo)的極限值，并對(duì)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合理量化，以免在實(shí)際工程中出現(xiàn)誤判。同時(shí)，由于剪切滑動(dòng)區(qū)在隧道圍巖中所占面積較大，在穩(wěn)定性量化的過程中，將此指標(biāo)的計(jì)算權(quán)重設(shè)定為多個(gè)指標(biāo)中的最大值。

在隧道圍巖穩(wěn)定性正交分解試驗(yàn)中，將圍巖地層作為實(shí)體單位，使用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[3-4]作為分析指導(dǎo)性文件，在僅考慮初始應(yīng)力場(chǎng)的條件下，完成分解過程，并將分解結(jié)果作為后續(xù)隧道圍巖支護(hù)工作的首要參考條件。

1.2 工作面預(yù)支護(hù)設(shè)計(jì)

預(yù)支護(hù)是一種在隧洞輪廓線以內(nèi)和外側(cè)一定范圍內(nèi)或與基坑背面的支護(hù)聯(lián)合起來(lái)的一種支護(hù)體系。在開挖后直至洞口頂部的支護(hù)起到支護(hù)效果之前，可以對(duì)開挖面的巖石進(jìn)行支護(hù)，保持開挖面圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道圍巖分布區(qū)段的預(yù)支護(hù)類型選用超前小導(dǎo)管注漿及管棚支護(hù)方式。

1.2.1 小導(dǎo)管注漿設(shè)計(jì)

拱形頂部開挖后，沿著隧洞的縱向，在拱腳處有一個(gè)特定的傾角，或在拱腳處有一個(gè)垂直的傾角。注漿小導(dǎo)管往往在開挖面后面支撐網(wǎng)狀鋼框架，形成預(yù)支撐體系。注漿小導(dǎo)管既能加強(qiáng)在一定的巖體中的格柵鋼架，也能支護(hù)圍巖的支護(hù)剛性和預(yù)支撐效果。為防止在開挖過程中遇到的砂土層、砂卵石層、斷層破碎帶、軟弱圍巖層等區(qū)域提供了參考。根據(jù)實(shí)際情況選擇注漿小導(dǎo)管工藝，采用直徑為50×5m的熱軋鋼無(wú)縫鋼管，直徑5m的小導(dǎo)管內(nèi)壁間隔通常為30～50m，外部角度為10～30°。

1.2.2 管棚設(shè)計(jì)

在大破碎帶或涌水地段，超前小導(dǎo)管注漿無(wú)法保證其正常的支護(hù)要求，有時(shí)還會(huì)采取提前的管棚支護(hù)確保工程的安全性。管棚是將鋼花管插入已鉆好的鉆孔中，然后沿著隧洞的輪廓線排布而成，在管道中灌漿，并在需要時(shí)加入鋼筋籠，與堅(jiān)固的鋼梁組成預(yù)支護(hù)體系，用于支撐和加強(qiáng)具有較低穩(wěn)定性的圍巖體，對(duì)防止軟弱圍巖沉降、崩塌等具有重要作用。根據(jù)實(shí)際情況選擇長(zhǎng)管棚的設(shè)計(jì)指標(biāo)：管棚采用節(jié)長(zhǎng)6m、管環(huán)方向間隔40m、長(zhǎng)10～45mm、外插角度1°的熱軋無(wú)縫管。該管道的接頭按分段式進(jìn)行，兩端通過V形的焊接或螺釘固定，在管子上需要鉆注漿孔，鉆孔直徑10～16mm，間隔15～20m。在管道末端預(yù)留不鉆孔的止?jié){部分；為增加管道的彎曲性能，可以增設(shè)鋼筋籠。與管棚配套的鋼框由I16型工字鋼加工而成。

1.3 選擇隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)

在隧道圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過案例分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前可應(yīng)用于超長(zhǎng)公路隧道中的圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)大致可分為4類，每一種都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于本次研究環(huán)境為復(fù)雜地質(zhì)條件，在對(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)后，選擇加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)作為圍巖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)是一種在初期圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)上，再增加一層支護(hù)結(jié)構(gòu)與襯砌結(jié)構(gòu)，形成雙層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)或雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式。此種結(jié)構(gòu)會(huì)在一定程度上增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，可應(yīng)用在較為復(fù)雜或有特殊要求的地質(zhì)環(huán)境中。僅使用此結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)技術(shù)施工目標(biāo)，因此，在此結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，加入輔助穩(wěn)定技術(shù)。施工過程中，通過開挖外輪廓形成預(yù)支護(hù)拱棚控制地層變形與坍塌，或是提高圍巖的早期自承能力和整體剛度，限制圍巖變形，控制巖體位移。輔助支護(hù)技術(shù)在使用過程中需要根據(jù)隧道實(shí)際的施工情況進(jìn)行選擇。由于本次研究提出的技術(shù)，在一定程度上增加了施工量以及工程材料用量，在施工設(shè)備、施工技術(shù)以及工程材料的選擇上，需要盡可能控制其經(jīng)濟(jì)性，避免施工成本過高[5]。

2 研究論證分析

本次研究提出一種可應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的超長(zhǎng)公路隧道圍巖支護(hù)技術(shù)，為驗(yàn)證此計(jì)算可應(yīng)用于實(shí)際工程中且不會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失與安全問題，在理論設(shè)計(jì)部分完成后，構(gòu)建研究論證分析單元，通過研究分析的方式，確定此技術(shù)的應(yīng)用效果。

2.1 研究準(zhǔn)備

此次研究將我國(guó)西南地區(qū)某新建超長(zhǎng)公路隧道作為工程背景，該隧道全長(zhǎng)2 000.86m，為單洞雙線公路隧道，最大埋深約為50m，隧道洞身圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，隧道寬度約為13～18mm，高度約為12.35m，斷面面積為115.63～137.84m2。隧道基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過文獻(xiàn)分析可知，Ⅴ級(jí)隧道洞身圍巖在一定條件下會(huì)發(fā)生側(cè)壁以及拱部的坍塌問題。與此同時(shí)，經(jīng)過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)多為砂質(zhì)老黃土，整體結(jié)構(gòu)較為松軟，含水量較大，且此研究區(qū)域內(nèi)含有豐富的地下水[6]。由此可以確定此隧道具有濕陷性，且濕陷性較為強(qiáng)烈。因此，需要對(duì)該隧道進(jìn)行圍巖支護(hù)，以保證隧道的通行安全。圍巖支護(hù)前，在隧道中設(shè)定4個(gè)測(cè)定點(diǎn)，對(duì)隧道的初始風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，所得分析結(jié)果如表1所示。

表1 隧道初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析結(jié)果

表1中，0表示無(wú)災(zāi)害發(fā)生概率；Ⅰ表示可能發(fā)生災(zāi)害；Ⅱ表示偶爾會(huì)發(fā)生災(zāi)害；Ⅲ表示在一定時(shí)期內(nèi)會(huì)發(fā)生災(zāi)害。同時(shí)，災(zāi)害的威脅等級(jí)也可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)上述設(shè)定內(nèi)容對(duì)研究隧道的整體參數(shù)進(jìn)行分析，并將其作為后續(xù)研究環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。

2.2 研究方案設(shè)定

為避免研究操作過程對(duì)真實(shí)隧道造成影響，將隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)行模擬研究，以保證研究的可操作性與經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)研究隧道進(jìn)行分析后，按照分析結(jié)果進(jìn)行隧道圍巖支護(hù)處理。為保證研究的可控性，在本次研究中對(duì)研究所需材料進(jìn)行統(tǒng)一的選擇與設(shè)定。具體設(shè)定結(jié)果如表2所示。

將表2中內(nèi)容與文中計(jì)算進(jìn)行融合，完成超長(zhǎng)公路隧道圍巖支護(hù)施工過程，并通過數(shù)值模擬的方式計(jì)算1年后、3年后以及5年后的隧道下沉情況，將其作為研究結(jié)果輸出。在模擬過程中，首先對(duì)使用傳統(tǒng)技術(shù)的隧道下沉情況進(jìn)行分析（見表3），為本文技術(shù)研究結(jié)果提供對(duì)照組[7]。

表2 支護(hù)材料以及施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表3 基礎(chǔ)技術(shù)隧道下沉數(shù)據(jù)

在后續(xù)的研究分析中，將上述數(shù)據(jù)作為參照數(shù)據(jù)，完成本文的技術(shù)應(yīng)用性能分析。

2.3 研究結(jié)果分析

按照上文中預(yù)設(shè)的研究方法以及研究對(duì)象，完成超長(zhǎng)公路隧道圍巖支護(hù)工作，并模擬其使用過程，獲取支護(hù)處理后的隧道下沉數(shù)據(jù)，具體結(jié)果如表4所示。

表4 基礎(chǔ)技術(shù)隧道下沉數(shù)據(jù)

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，應(yīng)用本文技術(shù)后，隧道每年的下沉深度得到控制，隧道整體下沉速度得到緩解[8]。同時(shí)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向分析后可以確定，在5年的支護(hù)結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，隧道的下沉深度控制在3cm左右，與基礎(chǔ)技術(shù)相比減少了2cm，進(jìn)一步證實(shí)了文中技術(shù)對(duì)隧道的防護(hù)效果更佳[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著公路隧道工程的增加，隧道的安全性與穩(wěn)定性成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問題。如何提升隧道的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命成為當(dāng)前亟需解決的問題。本文研究中提出了一種復(fù)雜地質(zhì)條件下超長(zhǎng)公路隧道圍巖支護(hù)技術(shù)，分析隧道圍巖穩(wěn)定性，確定外部環(huán)境的穩(wěn)定程度；預(yù)支護(hù)類型選用超前小導(dǎo)管注漿及管棚支護(hù)方式；選擇加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)作為圍巖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，取得了較好的測(cè)試結(jié)果。由于公路隧道穿越的地層比較復(fù)雜，圍巖破損程度較大，其破壞規(guī)律復(fù)雜，本文的研究受技術(shù)方面的限制，在計(jì)算方面還存在些許問題，因此，在日后的研究中還需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。