隧道洞口預加固樁作用機理研究

柏 署，易震宇，傅立新，王海林

(湖南省交通規劃勘察設計院，湖南長沙 410008)

0 引言

我國高速公路建設已進入新的發展時期，公路隧道的建設也已進入井噴階段，而與之相伴的是各種各樣的問題也凸現。尤其是洞口施工中，由于埋深淺，地形、地質條件差，洞口處理是整個隧道最關鍵而又最復雜的環節之一。

隧道洞口巖土受力變化與隧道洞內地段存在區別，有其特殊性。一般而言洞口設計方案的優劣直接關系到隧道的安全進洞及今后的運營安全，尤其在不良地質地段，隧道洞口設計更是需要得到充分的考慮。洞口部位一般來說，地形和地質等的圍巖條件都是不穩定的，埋深小、難于形成承載拱，由于地形地質、地下水、降雨等條件，易引發施工時的崩塌、滑動、地表面下沉、偏壓、掌子面崩塌等，如何采取有效的施工方法對隧道的安全進洞以及今后的運營安全都具有至關重要的作用。

隧道洞口病害產生的主要原因是由于隧道洞口開挖，改變了地表形態，形成路塹、洞口邊坡、仰坡，從而改變了洞口區域的巖土內力分布，引起應力重調整，臨空面應力松弛，在地質復雜地段就會導致仰坡的坍塌，誘發滑坡等地質病害。如果病害發生，要處理這些病害困難、費用高，投入運營后，也極易受自然災害的威脅。

隧道洞口設計施工，就是根據洞口地形條件與洞口地形協調，保護自然環境，按照“不破壞是對環境最大的保護”的理念，采取“早進洞、晚出洞”，減少洞口開挖，提早施作明洞或洞門結構，來減少病害的發生，但在實際施工中，洞口坍塌、滑坡的現象也經常出現，故如何事先有針對實際地質情況，做好洞門設計施工來保證隧道順利建設的重要條件是我們要考慮的問題［1］。

1 常用處理手段

目前針對復雜地質洞口處置常用方案有3種，一是鋼管坡體注漿，通過注漿改變洞口大片影響區域的巖土性質，形成人工石山，確保施工進洞安全。一是采用抗滑樁，洞口抗滑樁一般先假定洞口土體處于極限平衡狀態，反推出巖土C、φ值，再根據開挖后斷面，計算坡體下滑推力，按照規范確定的安全系數(一般為1.35)計算抗滑樁尺寸和鋼筋配置，采用抗滑樁對滑坡進行分段阻滑時，每段宜以單排布置為主，若彎矩過大，應采用預應力錨拉樁。在災害發生時，采用抗滑樁方案較常見，抗滑樁截面形狀以矩形為主，截面寬度一般為1.5～2.5 m，截面長度一般為2.0～3.5 m。第三是采用錨索或長錨桿配合混凝土框架梁對山體進行錨固。

第一種方案是因隧道開挖有可能發生滑動、坡面崩塌時，在隧道開挖之前、對坡面進行處理的常用方案，特點是工程量不容易控制，特別是注漿量控制困難大，加固效果差異大，影響因素多，通常還在隧道施工中再增加一些措施。

第二種方案由于理論限制，不用則已，一用就尺寸較大，特別是，隧道開挖邊仰坡后山體逐漸升高，計算下來，推力驚人，故在設計過程中主動采用較少，一般要山體發生滑動，才作為處置方案使用。

第三種方案由于只適用于巖石地質，對于松散土體，損失大，效果較差。

本文針對此種情況進行研究，提出一種預加固理論，以求采用一種比較經濟合適的預防加固措施，來保證特殊地質條件下隧道洞口施工和運營安全。

2 預加固樁計算分析

2.1 模型建立

開挖明洞前，在隧道洞身明暗分界處的左右兩側各布設1根加固樁，如圖1所示。

圖1 洞口預加固樁布置示意圖

簡化后，模型原始邊坡實體長寬均為100 m，最低高度35 m，最高點高度100 m。自上而下分為土、風化巖和基巖3層。隧道跨度12 m，最大埋深60 m，依次穿越各巖層。隧道洞口邊坡坡比1∶1(如圖2)。

圖2 預加固樁計算模型示意圖

各材料參數見表1。

2.2 施工計算步驟

為了便于對比分析，本項目采用在同一模型中，不同的施工步驟，來確定預加固樁的作用機理和在抵抗變形中的效應。

一般情況下的隧道施工步驟為:隧道邊仰坡及明洞開挖，暗洞開挖，暗洞支護(圖3～圖6)。

預支護下的隧道施工，主要是指在開挖擾動原狀山體前，先施作洞口加固樁，在加固山體的同時，也能平衡開挖后臨空面土體的下滑力。預加固施工步驟:洞口預加固樁(圖7);隧道邊仰坡及明洞開挖，暗洞開挖，暗洞支護。

表1 材料參數表

圖3 原狀山體計算模型示意圖

圖7 開挖前預加固樁支護計算模型示意圖

2.3 計算結果分析

通過比較是否施作預加固樁的模型的位移云圖(圖8，圖9)，可以發現，明暗交界處的總體位移量有較為明顯的差別，未施作預加固樁模型在拱頂處位移較大，而施作預加固樁后，大部分的土壓力由樁承擔，因而位移較小。

在模型中取對各施工步最敏感的明暗交界點拱頂處的變形量進行分析(圖10)，可以發現采用預加固樁預支護后，該節點變形量比未采用預支護減少了近90%，隨著后續洞身施工的進行，引起的應力逐漸釋放，節點位移相應增大，最終位移為未采用預支護狀態的60%。

圖10 節點位移統計圖

3 結語

1)洞口施工改變了地表形態，形成路塹、洞口邊坡、仰坡，從而改變了洞口區域的巖土內力分布，引起應力重調整，臨空面應力松弛，預加固樁能承擔破壞原狀山體受力平衡后產生的應力，因而能有效減少因洞口開挖而導致的變形。

2)預加固樁對洞口開挖時支護效果明顯，洞口附近洞身段開挖引起的應力釋放支護作用不大。

3)預加固樁宜用于埋深小、難形成承載拱或由于地形地質、地下水、降雨等條件，易引發施工時的崩塌、滑動、地表面下沉、偏壓、掌子面崩塌的復雜地質條件隧道洞口施工。

［1］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算(第二版)［M］.北京:水利電力出版社，1994.

［2］黃昌乾，丁恩保.邊坡工程常用穩定性分析方法［J］.水電站設計，1999，15(1):53 －58.

［3］Sloan SW.Lower bound limit analysis using finite elements and linear Programming［J］.International journal for Numerical and Anatytical Methods in Geomechanics.1989，12:61 －67.

［4］陳文勝，柏 署，楊 燕.離散元計算的位移控制方法［J］.巖土力學，2007(7).

［5］林 峰，黃潤秋.邊坡穩定性極限平衡條分法的探討［J］.地質災害與環境保護，1997，8(4):9 －13.

［6］JTG D30—2004，公路路基設計規范［S］.