摘要：文章以某隧道穿越卵石混合地層為例，為解決該隧道施工過程中存在開挖嚴(yán)重、錨桿穿深困難、巖塊連續(xù)下落等問題，提出了一種三臺階互補(bǔ)循環(huán)開挖方法，取代原有的CD法和CRD法，并優(yōu)化了支護(hù)體系。結(jié)果表明，該方法減小了圍巖擾動，提高了施工過程的安全性和結(jié)構(gòu)的可靠性。新的開挖方法和優(yōu)化的支護(hù)體系可以填補(bǔ)卵石混合層隧道設(shè)計(jì)與施工的空白，為今后此類隧道的施工提供參考。

關(guān)鍵詞：卵石混合地層；淺埋隧道；圍巖；三臺階互補(bǔ)循環(huán)開挖；支護(hù)

中圖分類號：U455.4

0 引言

卵石混合地層作為一種典型的顆粒體介質(zhì)，存在著易坍塌失穩(wěn)、大斷面隧道開挖難有效支護(hù)等問題。本文以某隧道穿越卵石混合地層為例，采用實(shí)地調(diào)查的方法，對卵石混合層隧道施工技術(shù)進(jìn)行研究。由于該隧道圍巖整體變形很小，圍巖壓力分布小，松散壓力占主導(dǎo)地位，二次襯砌安全儲備大。圍巖的變形過程主要集中在施工階段。在施工過程中，存在過開挖嚴(yán)重、錨桿穿深困難、巖塊連續(xù)下落等問題。因此本文提出了一種三臺階互補(bǔ)循環(huán)開挖方法，取代原有的CD法和CRD法。結(jié)果表明，該方法減小了圍巖擾動，提高了施工過程的安全性和結(jié)構(gòu)的可靠性。新的開挖方法和優(yōu)化的支護(hù)體系可以填補(bǔ)卵石混合層隧道設(shè)計(jì)與施工的空白，為今后此類隧道的施工提供參考。

1 工程概況

某隧道施工是一級公路的一部分，全長500多米，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，采用雙孔分離式、單孔雙車道標(biāo)準(zhǔn)。整個隧道較淺，暗開挖段深7～33 m。隧道位于泥陽河?xùn)|側(cè)二級地面上，穿過泥陽河三級階地和泥石流堆積區(qū)，地形起伏較大。開挖區(qū)域巖體處于致密狀態(tài)，圍巖為Ⅴ級。隧道主要位于密實(shí)BCM地層中，上部為中密實(shí)BCM地層覆蓋。這些場地主要由礫石組成，卵石占比gt;40%，礫石占比gt;60%，總體含量在60%～80%。因此，該場地屬于礫石土和鵝卵石土的混合場地，定義為BCM地層。

2 施工難點(diǎn)

隧道施工區(qū)域地形陡峭。左線實(shí)際開挖長度為300 m，右線實(shí)際開挖長度為328 m。采用原設(shè)計(jì)的隧道施工方法，發(fā)現(xiàn)錨桿鉆孔長度短，發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂，錨桿插入過程會使圍巖更加松散，難以發(fā)揮錨固作用［1］。且由于錨桿端部劇烈擺動，造成大面積碎石掉落，對初始支護(hù)鋼筋網(wǎng)造成破壞，嚴(yán)重影響圍巖穩(wěn)定性，需進(jìn)行處理。而且，在過度開挖嚴(yán)重的情況下，整個臨時圍護(hù)結(jié)構(gòu)失去了均勻受壓的優(yōu)勢，圍巖不能得到有效的穩(wěn)定［2］。針對現(xiàn)場存在的上述問題，應(yīng)優(yōu)化施工方法，包括開挖方法和支護(hù)體系。因此，設(shè)定ZK4357+857～ZK4357+900和ZK4358+200～ZK4358+282施工段采用原設(shè)計(jì)施工法；ZK4357+900～ZK4357+982和ZK4358+110～ZK4358+200施工段采用優(yōu)化施工法。右線實(shí)際開挖長度為328 m，其中YK4357+850～YK4357+910和YK4358+210～YK4358+280施工段采用原設(shè)計(jì)施工法；ZK4357+910～ZK4358+003和ZK4358+105～ZK4358+210施工段采用優(yōu)化施工法。

3 施工方法優(yōu)化

3.1 三臺階互補(bǔ)環(huán)形開挖

三臺階互補(bǔ)環(huán)形開挖法具有施工方便、工期短、干擾小等優(yōu)點(diǎn)。通過對三臺階開挖法的改進(jìn)，不僅可以降低成本，而且可以加快施工速度和結(jié)構(gòu)關(guān)閉時間。所謂的互補(bǔ)循環(huán)開挖方法的特點(diǎn)是鎖錨和拱腳回填的互補(bǔ)優(yōu)勢，以及不同開挖步驟中礦渣回填的交替循環(huán)。施工步驟如下。

上臺階弧導(dǎo)坑采用鋼框架施工，進(jìn)尺0.5 m，預(yù)留中部核心土，以核心土為施工平臺進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。核心土縱向?qū)挾葹? m。除去核心土后，將臺階中間部分向下開挖，槽寬為3.5 m，以便挖掘機(jī)移動到此位置進(jìn)行超前開挖。從槽頂?shù)缴吓_階的最長距離約為5 m，常規(guī)挖掘機(jī)臂長接近6 m。在本設(shè)計(jì)的開挖進(jìn)尺下，可以實(shí)現(xiàn)弧導(dǎo)坑前拱腳位置的開挖作業(yè)，充分發(fā)揮現(xiàn)場機(jī)械的基本性能。支護(hù)完成后，返回前部分開挖，并將開挖的礫石回填到部分拱腳?；靥钋?，確認(rèn)部分支護(hù)具有一定強(qiáng)度，回填高度約為1.7 m，可穩(wěn)定拱腳開挖部分及相應(yīng)的支護(hù)作業(yè)，支護(hù)作業(yè)完成后，將礫石回填至拱腳相同高度。

隧道原設(shè)計(jì)是在兩側(cè)墻內(nèi)插入直徑為25 mm的自進(jìn)式錨桿，但由于錨桿的貫入深度不夠，注漿效果不佳。且隧道最初的設(shè)計(jì)是在鋼框架的每一段拱腳處安裝兩個3 m長、直徑51 mm的自進(jìn)式錨桿。根據(jù)貫入試驗(yàn)結(jié)果，直徑為51 mm的錨桿無需鉆頭即可穿透平面，平均深度為1.15 m，僅為設(shè)計(jì)深度的1/3左右。結(jié)合錨桿貫入試驗(yàn)結(jié)果，將超前錨桿直徑由51 mm調(diào)整為25 mm，長度由2.5 m調(diào)整為1.8 m，間距由35 cm調(diào)整至25 cm，搭接長度基本取消。在原設(shè)計(jì)中，預(yù)緊螺栓重疊在鋼架上，調(diào)整后通過鋼架預(yù)留通道進(jìn)入。穿過錨桿時，施工面會受到擾動。因此，在鋼框架前方30 cm范圍內(nèi)進(jìn)行噴錨加固。

3.2 現(xiàn)場分析

施工完成后，在隧道內(nèi)共設(shè)置地表沉降監(jiān)測斷面22個，變形監(jiān)測斷面32個。由于變形監(jiān)測斷面較多，本文選取典型斷面進(jìn)行分析。選取YK4357+880（880段）和出口YK4358+270（270段），作為典型斷面進(jìn)行分析。兩組斷面具有代表性：第一組斷面靠近隧道入口，遠(yuǎn)離沖溝，主要在地下水位以上，且地層濕潤，但無明顯滲漏和外流，埋深分別為17.3 m和16.1 m；第二組是靠近溝谷，其地面充滿水，可以看到明顯的滲流從開挖面和局部位置流出，積水經(jīng)常發(fā)生在拱腳，埋深分別為24.1 m和26.4 m。

3.3 拱頂沉降

如圖1所示，在改進(jìn)開挖施工方法后，發(fā)現(xiàn)隨著地層含水量和埋深的增加，沉降變形仍呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同斷面拱頂?shù)某两抵挡町愝^大，兩組斷面的沉降特征存在明顯差異。第一組880段和270段有很大的相似度，第二組920段和150段有很大的相似度。前一組斷面的沉降發(fā)展特點(diǎn)是持續(xù)增加，開挖4～5 d后沉降發(fā)展加快，開挖18～20 d后沉降趨于穩(wěn)定，不再進(jìn)一步發(fā)展。同時觀察到在變形發(fā)展階段中，兩段最大沉降值分別為-24.3 mm和-28.0 mm，平均沉降值為-26.2 mm，沉降速率分別為-1.1 mm/d和-1.3 mm/d。后一組斷面在開挖5～6 d后發(fā)展迅速，開挖20～22 d后進(jìn)入變形穩(wěn)定階段。兩段最大沉降值分別為-13.0 mm和-14.6 mm，平均沉降值為-13.8 mm。快速沉降階段的變形速率分別為-0.6 mm/d和-0.7 mm/d。

3.4 水平收斂

提取4個典型斷面的水平收斂線，得到收斂變形與開挖時間的關(guān)系如圖2所示。為了便于與拱頂沉降聯(lián)合分析，在開挖初期對各斷面的水平收斂變形進(jìn)行了定時計(jì)算。從圖2可以看出，第一組斷面的水平收斂變形具有較高的相似性。中臺階開挖后，第一組斷面變形進(jìn)入快速發(fā)展階段。在第11 d時，水平收斂變形生長階段較短。第18 d仰拱閉合后，水平收斂迅速進(jìn)入穩(wěn)定階段。880段和270段的線段1水平收斂平均為17.4 mm，水平收斂速度分別為0.9 mm/d和1.1 mm/d，線段2的最大水平收斂速度分別為7.2 mm和10.3 mm。2號線水平收斂速度分別為0.8 mm/d和1.2 mm/d。水平收斂值雖小，但變形量和變形速率與直線1相同。第二組剖面920段和剖面150段的水平收斂變形模式略有不同。150段在早期增長更快，在后期增長較慢。920段在24 d左右趨于穩(wěn)定，其早期變形緩慢而穩(wěn)定。兩斷面的最大變形值分別為10.2 mm和9.4 mm；平均收斂值為9.8 mm，處于快速發(fā)展階段。水平收斂速率分別為0.5 mm/d和0.5 mm/d。第二段的平均水平收斂變形量是第一段的56.3%，水平收斂速度約為第一段的50%。無論是收斂變形還是沉降變形，卵石地基的變形都很?。?-4］，原設(shè)計(jì)中預(yù)留15 cm的變形明顯是多余的。第二段圍巖狀況明顯劣于第一段，但第二段變形優(yōu)于第一段，這主要是由于開挖和施工方法的優(yōu)化。

3.5 拉拔試驗(yàn)

在該施工地層中，自進(jìn)式錨桿是施工中常用的一種。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）［5］，卵石地層摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為400 kPa。在無咬合力的作用下，計(jì)算得出1.5 m長度范圍內(nèi)的錨桿拉拔力為47.1 kN，約等于50 kN的設(shè)計(jì)拉力。利用MSL-200型拉拔儀進(jìn)行了錨桿貫入試驗(yàn)的破壞性拉拔試驗(yàn)，最大負(fù)載值為100 kN。貫入試驗(yàn)后，選擇7個直徑25 mm、角度合適、端部無損傷的螺栓進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。在沒有灌漿的情況下，噴射混凝土完成后3 d進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。試驗(yàn)獲得的拉力數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，當(dāng)錨桿受極限拉力作用時［6］，拉力在一定的拉力值下會迅速減小，并迅速穩(wěn)定。分析表明，混凝土的粘結(jié)力和圍巖的摩擦力能夠平衡初始拉拔力，從而對錨桿產(chǎn)生影響。當(dāng)拉力作用達(dá)到極限時，錨桿與圍巖的界面出現(xiàn)相對位錯，摩擦力瞬間減小，混凝土與錨固的粘結(jié)力承受殘余荷載。因此，采用20 kN的邊界力修正極限拉拔力。結(jié)果表明，3根錨桿的平均長度為1.32 m，理論反向拔出阻力為41.5 kN，實(shí)際平均拉拔阻力約為55.2 kN，但在沒有鉆頭的情況下，平均長度為1.76 m的四根錨桿的理論反向拔出阻力為55.3 kN，實(shí)際平均拉拔阻力gt;74.7 kN。

3.6 地腳螺栓軸向力試驗(yàn)

從圖3中可以看出，不同位置地腳螺栓的軸向力分布不同。上臺階地腳螺栓受拉，中、下臺階受壓，上臺階張力絕對值遠(yuǎn)大于中、下臺階壓強(qiáng)絕對值。分析表明，上臺階拱腳的地腳螺栓接近水平，承受較大的豎向荷載。上臺階的拉力主要由端部受頂荷載彎曲引起，安裝中、下段時，地腳螺栓和水平線的角度為30°～50°，豎向壓力效應(yīng)較明顯時，整個臺階承受壓應(yīng)力。871段截面的最大抗拉強(qiáng)度為-14.8 kN，低于螺栓屈服強(qiáng)度的10%，壓縮應(yīng)力更小。結(jié)合以往拉拔試驗(yàn)的結(jié)果，卵石混合地層對螺栓具有很強(qiáng)的粘結(jié)力和包裹作用。事實(shí)上，鋼框架在施工階段也是由較低的臺階支撐的，其應(yīng)力受彎矩、豎向荷載和水平荷載的影響，軸向力的試驗(yàn)值不易評價。但是，從底部加固螺栓的分布情況可以看出，隨著螺栓數(shù)量的增加，螺栓軸向力的絕對值減小。871段中的4#螺栓和918段中的6#螺栓發(fā)生錨固失效，因此有必要增加螺栓的數(shù)量。螺栓軸向力隨安裝時間的變化如圖3所示。在這兩個斷面中，可以看出上部臺階的錨固力受下部臺階的影響，開挖后錨固力迅速增大，中部臺階施工完成后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，基本不增大。施工完成后7 d后，中、下臺階螺栓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，混凝土強(qiáng)度基本形成，支座之間縱向約束基本相等，所以不會改變。

4 結(jié)語

本文針對選取的兩組典型斷面，采用三臺階互補(bǔ)循環(huán)開挖法，拱頂平均沉降量由26.2 mm減小到13.8 mm，水平收斂線1的平均水平收斂值由17.4 mm減小至9.8 mm。錨桿拉拔試驗(yàn)表明，直徑為25 mm的錨桿有鉆頭時的抗拔阻力為55.2 kN，無鉆頭時的平均拉拔阻力gt;74.7 kN。不帶鉆頭的螺栓一般要比帶鉆的大。隨著足底加強(qiáng)錨桿數(shù)量的增加，錨桿的應(yīng)力趨于減小，從而增加了拱腳的約束力和安全儲備。

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收稿日期：2023-10-16

作者簡介：母茂村（1993—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)工作。