鄧祥輝, 劉錦濤, 王 睿

(1. 西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2. 西安市軍民兩用土木工程測試技術(shù)與毀損分析重點(diǎn)實驗室，陜西 西安 710021)

0 引言

我國幅員遼闊，隧道在修建中將穿越多種多樣的地質(zhì)條件，其中，淺埋卵石土層就屬于較為特殊的地層。隧道穿越淺埋卵石土層時，容易出現(xiàn)隧道掌子面失穩(wěn)、拱頂局部失穩(wěn)、甚至坍塌等工程問題[1-2]。因此，在開挖前需要采取合理的超前支護(hù)并加固地層，開挖施工中需要嚴(yán)格按照規(guī)范施工，才能有效保證施工安全。鑒于此，對于淺埋卵石土層隧道，超前支護(hù)措施的選取將直接影響該類隧道的施工質(zhì)量和安全。

淺埋隧道在施工中常用的超前加固措施包括超前小導(dǎo)管、地表注漿、超前錨桿等方法[3-4]。從目前的研究情況來看，眾多學(xué)者對各種超前支護(hù)措施、施工方法、支護(hù)效果等方面進(jìn)行了研究[5-7]。如黃旭[8]采用現(xiàn)場監(jiān)控量測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法驗證了超前小導(dǎo)管注漿在淺埋軟弱圍巖隧道中的可行性。崔穎哲等[9]對富水砂卵石地層的淺埋暗挖施工進(jìn)行了研究，提出隧道開挖采用臺階法，并配以超前小導(dǎo)管的支護(hù)方式可有效控制隧道變形。唐國榮、張建斌等[10-11]對北京城市富水砂卵石隧道的淺埋施工進(jìn)行了研究，主要對CRD法+超前小導(dǎo)管與洞樁法+超前小導(dǎo)管進(jìn)行了對比分析，得出洞樁法+超前小導(dǎo)管可以更好地控制沉降，減少對周邊環(huán)境的影響。汪洋等[12]以成都市北延線隧道為工程背景，就富水砂卵石地層隧道施工開展了研究，提出在施作超前小導(dǎo)管、降低水位等支護(hù)措施后，采用淺埋暗挖的方法可有效控制隧道變形。劉魁剛等[13]對砂卵石地層隧道淺埋段超前小導(dǎo)管支護(hù)進(jìn)行了研究，提出在該類型隧道中，合理選擇小管徑的超前注漿小導(dǎo)管可大幅提升施工效率。魏龍海[14]采用離散元法對砂卵石隧道淺埋段施工進(jìn)行了模擬，提出采取設(shè)置管棚支護(hù)、小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)或錨桿預(yù)支護(hù)措施可有效控制變形；但由于地質(zhì)條件限制，施作超前管棚比較困難，建議采取小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)措施。王余富等[15]對水下隧道穿越淺埋富水河漫灘砂卵石層的地表注漿方案進(jìn)行了研究，認(rèn)為地表注漿可有效降低地層的透水性，滿足滲透系數(shù)的設(shè)計要求。隨著研究的深入，一些專家發(fā)現(xiàn)：在淺埋段，卵石土層隧道的超前支護(hù)措施與地表注漿相結(jié)合，可有效改善圍巖力學(xué)參數(shù)以達(dá)到控制變形的效果。胡鑫等[16]以鄧家灣隧道為工程依托，提出了一種淺埋軟弱地層隧道施工的地表注漿方法，采用竹管注漿與鋼管注漿相結(jié)合，可保證施工安全和節(jié)約施工成本。張明[17]對馬鞍梁隧道中淺埋砂卵石段采用的地表注漿加固工藝進(jìn)行了研究，提出約束-發(fā)散型的注漿模式能有效限制漿液外擴(kuò)，達(dá)到導(dǎo)水、擠壓密實地層的效果。龍凱等[18]針對卵石土層隧道圍巖自穩(wěn)能力差、在淺埋段開挖后易發(fā)生坍塌、地表沉陷等問題，采用先地表注漿加固圍巖，然后三臺階開挖；從結(jié)果來看，能有效提高圍巖強(qiáng)度和減小隧道變形。

上述學(xué)者對砂卵石土層隧道淺埋暗挖施工所采用的超前支護(hù)方法做了很多研究，但一般采用單一支護(hù)措施，很少對比分析綜合措施。本研究以青海省石羊嶺隧道淺埋卵石土層段為研究對象，對該淺埋段分別以無支護(hù)措施、超前小導(dǎo)管、地表注漿以及超前小導(dǎo)管+地表注漿聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)方法進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以期能達(dá)到對該類型隧道施工的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

石羊嶺隧道位于青海省互助土族自治縣，左、右線隧道長度分別為1 822 m和1 796 m，其中左線ZK0+975至ZK1+150、右線YK0+965至YK1+155穿越卵石土層，最淺埋深不足25 m，其圍巖等級劃分為V級，且上述里程為淺埋段。在實際施工中采用環(huán)形預(yù)留核心土開挖法，如圖1所示。

圖1 環(huán)形開挖預(yù)留核心土開挖法示意圖Fig.1 Schematic diagram of annular excavation reserved core soil excavation method

該段隧道在施工中采用了超前小導(dǎo)管與地表注漿兩種超前支護(hù)措施。小導(dǎo)管采用外徑42 mm、壁厚4.0 mm、長400 cm的熱軋無縫鋼花管。鋼花管環(huán)向間距約40～50 cm，外插角控制在10°～15°左右，設(shè)置于襯砌拱部約130°范圍內(nèi)，具體布置詳見圖2。地表注漿范圍內(nèi)豎向加固范圍為地表至設(shè)計高程以下3 m，橫向加固范圍為內(nèi)輪廓左側(cè)8 m至右側(cè)8 m。地表注漿孔采用梅花形布置，布孔間距為1.5 m×1.5 m，注漿時，先行鉆孔，鉆孔孔徑不小于φ110 mm，之后在孔內(nèi)放入φ50×5 mm的鋼管，注漿區(qū)段內(nèi)鋼管按15 cm間距、梅花形設(shè)置注漿孔，地表注漿示意圖見圖2。

圖2 超前小導(dǎo)管及地表注漿示意圖Fig.2 Schematic diagrams of advanced small pipe and surface grouting

2 模型建立及模擬結(jié)果分析

2.1 模型建立

本模型均采用Midas GTS NX有限元處理軟件進(jìn)行分析。模型選取淺埋段YK0+975至YK1+035，共60 m。其中，隧道開挖拱頂上部土層為卵石土層，洞身周邊圍巖為片巖。由于隧道的開挖會對一定范圍內(nèi)的巖體造成擾動，一般為3～5倍的洞徑。因此根據(jù)實際地質(zhì)勘察結(jié)果，計算模型左右各取75 m，工程中淺埋段最大埋深為24.3 m，本模型上部淺埋卵石土層設(shè)置為24 m，下部片巖取70 m。以水平向為X向，隧道掘進(jìn)方向為Y向，豎直方向為Z向，模擬隧道開挖順序，嚴(yán)格按照圖1所示進(jìn)行。

(1)計算假定

模型中卵石土層與片巖均選用莫爾-庫倫模型，錨桿則采用桿單元模型。同時，由于只模擬淺埋段，地應(yīng)力計算時僅考慮自重應(yīng)力。此外，二次襯砌一般作為安全儲備，在隧道結(jié)構(gòu)分析時受力較小甚至不受力，因此在模擬時也不做考慮。

(2)模型選擇

模型以等效小導(dǎo)管加固區(qū)來表示小導(dǎo)管與噴射混凝土的共同作用，以等效噴混來替代初支中鋼架、噴射混凝土等的共同作用。為保證模擬結(jié)果具有對比性，4種模擬都采用相同的工程參數(shù)，如表1所示，相關(guān)模擬參數(shù)根據(jù)隧道施工設(shè)計圖與現(xiàn)場試驗測試選取。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)Tab.1 Numerical simulation parameters

2.2 模擬結(jié)果分析對比分析

2.2.1 Z向位移對比分析

隧道在施工過程中，主要通過控制圍巖的變形來保證施工安全。本研究將對該淺埋卵石土層段隧道分別以無超前支護(hù)、超前小導(dǎo)管、地表注漿模擬以及超前小導(dǎo)管+地表注漿聯(lián)合支護(hù)這4種方式進(jìn)行模擬。對上述4種模型進(jìn)行模擬分析，得到隧道開挖后的Z向位移，如圖3所示。

圖3 四種支護(hù)方式模擬的Z向位移(單位:mm)Fig.3 Displacement in Z-direction simulated by 4 support modes(unit:mm)

由圖3可見，無任何超前支護(hù)措施的隧道Z向位移為105.4 mm，采用地表注漿的Z向位移為56.9 mm，采用超前小導(dǎo)管支護(hù)的Z向位移為81.2 mm，采用聯(lián)合支護(hù)的Z向位移為52.4 mm。從Z向位移結(jié)果可見，采用4種方式的排序為：聯(lián)合支護(hù)最好，地表注漿次之，超前小導(dǎo)管第3，無超前支護(hù)措施最差。同時，單獨(dú)采用地表注漿、超前小導(dǎo)管支護(hù)時，與無超前支護(hù)措施相比，Z向位移分別減小了46.1%和23.1%，因此單一支護(hù)方式中，采用地表注漿比采用超前小導(dǎo)管更為有效。

2.2.2 X向位移對比分析

通常，支護(hù)措施的效果通過隧道圍巖的豎向和水平向位移值來評價。對上述無超前支護(hù)措施、超前小導(dǎo)管、地表注漿以及超前小導(dǎo)管+地表注漿聯(lián)合支護(hù)這4種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到X向位移，如圖4所示。

圖4 四種支護(hù)方式模擬的X向位移(單位:mm)Fig.4 Displacement in X-direction simulated by 4 support modes(unit:mm)

從以上模擬結(jié)果可見，淺埋卵石土層隧道開挖過程中，在無超前支護(hù)措施情況下圍巖X向位移值為58.6 mm，采用地表注漿措施的位移值為40.7 mm，采用超前小導(dǎo)管支護(hù)措施的位移值為47.6 mm，采用聯(lián)合支護(hù)措施的位移值為36.8 mm。與無超前支護(hù)的變形值相比，地表注漿降低了30.5%，超前小導(dǎo)管降低了18.8%，聯(lián)合支護(hù)降低了32.1%，說明聯(lián)合支護(hù)方式在控制X向變形方面更好。同時，對比地表注漿和超前小導(dǎo)管，采用地表注漿支護(hù)變形更小，這與Z向位移的結(jié)論一致，即地表注漿的效果要優(yōu)于超前小導(dǎo)管。綜合4種支護(hù)方式的X向、Y向的數(shù)值分析結(jié)果可見，4種支護(hù)方式的排序為：聯(lián)合支護(hù)最好，地表注漿次之，超前小導(dǎo)管第3，無超前支護(hù)措施最差。

3 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比分析

3.1 監(jiān)控量測方案

本隧道監(jiān)控量測使用PENTAX R-422NM全站儀，儀器精度為1 mm+1 ppm與JTM-J7100系列收斂計，精度為0.01 mm，監(jiān)測方案嚴(yán)格按照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)[19]的要求進(jìn)行。沉降觀測點(diǎn)選取拱頂、拱頂偏左與拱頂偏右共3個測點(diǎn)，水平收斂測線布置在跨度最大的拱腰部位，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.5 Layout of monitoring points

3.2 典型斷面實測位移分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)論，現(xiàn)場隧道施工方案采用地表注漿+超前小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)方式，并對現(xiàn)場隧道變形進(jìn)行了監(jiān)測。由于監(jiān)測結(jié)果規(guī)律比較一致，變形數(shù)值相差不大，因此對右洞監(jiān)測斷面中的典型斷面進(jìn)行分析，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，4個典型斷面隧道的拱頂沉降和周邊收斂在開挖后10 d左右急劇增加，在15 d左右達(dá)到峰值。在YK0+976至YK1+032近60 m的監(jiān)測區(qū)段中，拱頂最大沉降達(dá)到50.9 mm，而采用共同支護(hù)情況下模擬的最大沉降為52.4 mm，誤差僅為2.9%；最大收斂值發(fā)生在YK0+976斷面，數(shù)值為29.3 mm，而采用共同支護(hù)情況下模擬的最大收斂值為36.8 mm，模擬值與實測值誤差為25.5%，模擬值與實測值較為接近。因此，采用本研究建立的數(shù)值模擬方法模擬淺埋卵石土層隧道變形是比較合理的。

圖6 典型斷面位移-時間曲線Fig.6 Displacement-time curves of typical section

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比分析

實際監(jiān)測區(qū)段為YK0+976至YK1+032，近60 m，淺埋卵石土層隧道模型為YK0+975至YK1+035，共60 m。因此實際監(jiān)測區(qū)段變形監(jiān)測結(jié)果可與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析?，F(xiàn)取模型中與典型斷面位置一致的斷面進(jìn)行對比分析，詳見表2和表3。

表2 典型斷面Z向位移對比Tab.2 Comparison of displacements of typical section in Z-direction

由表2和表3可見，隧道開挖后Z向、X向數(shù)值模擬位移和實測位移數(shù)值相差較小，且數(shù)值模擬的各斷面位移值變化趨勢與實測斷面的變化趨勢大致相同。從圖6和表2、表3可以看出，隨著隧道的開挖，數(shù)值模擬的變形率和實測的變形率逐漸減小，呈現(xiàn)出變形逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢和規(guī)律。但對比開挖過程中的位移可以看出：在Z向與X向位移中，實測值與模擬值的最終變形相差略大，最大偏差達(dá)到26%，主要原因是在實際施工中，施工人員可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工方案進(jìn)行優(yōu)化，如在位移變形較大時，可調(diào)整施工參數(shù)(如控制隧道的開挖進(jìn)尺、調(diào)整二襯支護(hù)時機(jī)等)。而模型在模擬計算過程中，難以對施工步驟進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，因此呈現(xiàn)出模擬值比實測值略大的情況。綜上所述，本研究建立的聯(lián)合支護(hù)模型可以較好地反映隧道地層參數(shù)、施工開挖過程以及支護(hù)情況。

表3 典型斷面X向位移對比Tab.3 Comparison of displacements of typical section in X-direction

4 結(jié)論

本研究以青海省石羊嶺隧道為工程依托，采用數(shù)值模擬的方法對無超前支護(hù)措施、超前小導(dǎo)管、地表注漿以及超前小導(dǎo)管+地表注漿聯(lián)合支護(hù)措施分別建立了模型，并對模型模擬的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。在此基礎(chǔ)上，通過對比數(shù)值模擬和實測的位移值，確定了淺埋卵石土層隧道的超前支護(hù)方式，得出的主要結(jié)論如下：

(1)從該隧道典型斷面對比結(jié)果中可以得出，模擬結(jié)果的變形趨勢與實測值的變形趨勢較為吻合，且各開挖部分的模擬結(jié)果也與實測值相近。因此，本研究建立的數(shù)值分析模型是合理和可行的。

(2)從數(shù)值模擬結(jié)果可見，與無超前支護(hù)措施相比，采用地表注漿的超前支護(hù)方式，X,Z向的變形分別減小了30.5%和46.1%；采用超前小導(dǎo)管的支護(hù)方式，在X,Z向的變形分別減小了18.8%和 23.1%；在超前小導(dǎo)管+地表注漿聯(lián)合支護(hù)作用下，X,Z向的變形分別減小了32.1%和50.3%。因此，在相同施工條件下，采用地表注漿+超前小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)的效果明顯優(yōu)于單一支護(hù)方式。

(3)從數(shù)值模擬結(jié)果來看，單獨(dú)采用地表注漿、超前小導(dǎo)管支護(hù)時，與無超前支護(hù)措施相比，Z向位移分別減小了46.1%和23.1%，X向位移分別減小了30.5%和18.8%。因此在兩種單一支護(hù)方式控制變形方面，采用地表注漿比超前小導(dǎo)管更為有效。