淺埋偏壓隧道洞口段施工力學特性及控制技術研究

文/山西省公路局太原分局 梁玉榮

隨著國家公路網的不斷完善及“一帶一路”發展戰略的逐步實施，我國高速公路逐步向山區邁進。大量的高速公路隧道洞口段面臨軟弱破碎圍巖、淺埋、偏壓、富水、滑坡等不良地質條件，因此在隧道洞口段施工過程中，難免會對原有圍巖產生擾動，破壞原有的平衡狀態，從而導致隧道洞口段施工難度大、施工災害多，嚴重威脅隧道洞口段施工機械及人員的安全。

本文結合山西某淺埋偏壓隧道洞口段的工程案例，總結分析其工程地質特點，利用數值模擬手段分析其施工過程中的力學特性，從而有針對性的提出施工控制措施，其研究成果可為類似工程提供技術支撐。

工程概況

山西某高速公路隧道為雙洞分離式特產隧道，左線起訖里程為ZK85+805至ZK88+860，全長為3055m；右線起訖里程為K85+757至K88+870，全長為3133m。隧址區位于山西北部蘆芽山脈中，其地勢險峻，相對高差達1000余米，隧道洞身段地勢起伏較大，屬典型的高山溝壑地區。

根據隧道地質勘查資料，隧址區地層主要有第四系上更新統松散堆積層、寒武系上統及寒武系中統。其中，第四系上更新統松散堆積層主要為坡積層（Q3el+dl），主要分布于隧道洞口段及洞身地表處，其巖性為碎石土、雜填土，屬于典型的軟弱破碎圍巖；寒武系上統主要呈層狀構造，上層為白云質灰巖、頁巖，下層為厚層白云巖，呈細粒結構；寒武系中統主要巖性為薄層石英砂巖，呈細粒結構，與下層太古界地層接觸關系為角度不整合。

在地質構造方面，隧址區內分布有一斷層帶，屬于逆斷層，其斷層走向為NE35°，傾向為NW320°，傾角為45°，斷層帶在隧道洞口段分布寬度為100m，且受地質構造的影響，斷層帶圍巖節理裂隙極為發育，屬于軟弱破碎圍巖，加之隧道洞口段存在淺埋偏壓情況，其施工風險較大。

施工力學特性分析

數值模型

由該項目隧道洞口段屬于典型的淺埋偏壓地段，且圍巖屬于強風化灰巖，圍巖較為破碎、節理裂隙發育、圍巖整體穩定性極差，為全面掌握施工過程中的力學特性，選用ANSYS有限元分析軟件建立數值模型，對其上下臺階法施工過程進行模擬。該模型采用彈塑性本構模型，并服從摩爾-庫侖屈服準則。模型邊界范圍為：上邊界采用實際地表情況，下邊界為2.5倍的隧道洞徑，左右兩側邊界分別為2倍的隧道洞徑。在約束條件方面，模型左右兩側施加X方向的約束，底部施加Y方向的約束。

在建立模型過程中，隧道軟弱圍巖、初期支護、注漿體均采用平面二維6節點單元，二襯采用平面Beam（梁）單元進行模擬，其具體物理力學參數情況見表1。

表1 模型材料的物理力學參數

上臺階開挖力學特性

在隧道開挖施工模擬過程中，首先確定荷載分擔比，結合該項目的實際情況，取初支施作時荷載釋放80%，二襯施作后荷載釋放20%；其次利用“Kill”命令“殺死”上臺階部位的地層單元；再將相應初支部位的Beam單元激活，以模擬該部位的支護結構施作，其所得分析結果如圖3、4所示。

從圖1、2中可以看出，隧道上臺階開挖后出現了臨空面，圍巖產生卸荷而向內收斂，圍巖應力在X方向呈現出“V”形，且支護結構應力在隧道臨時仰拱和兩側拱腳處相對較大，而在Y方向上隧道拱頂和仰拱處相對較大。可見，臨空面的產生破壞了原有初始地應力的平衡狀態。

圖1 上臺階開挖后X方向應力分布圖

圖2 上臺階開挖后Y方向應力分布圖

下臺階開挖力學特性

從圖3、4中可以看出，隧道下臺階開挖后，仰拱施做完成，整個初期支護封閉成環，圍巖應力在X方向上的分布基本均衡，但在兩側邊墻處產生應力集中現象，且左側應力值明顯大于右側應力值；在Y方向上，拱頂、仰拱部位應力值普遍較大，但與上臺階開挖后的應力值相比，該部位應力值大幅下降。可見，初期支護封閉成環后，在一定程度上抵抗了淺埋偏壓地形造成的不均衡荷載。

圖3 下臺階開挖后X方向應力分布圖

圖4 下臺階開挖后Y方向應力分布圖

二襯施工力學特性

從圖5、6中可以看出，二襯施作完成后，隧道拱腳、仰拱、拱頂處的軸力值較大，產生了應力集中現象，其最大值為2100kN，位于仰拱部位；而彎矩值在兩側拱腳處、兩側邊墻處均較大，最大彎矩值為25kN·m，發生在左側拱腳處；且左側邊墻部位彎矩值明顯大于右側邊墻彎矩值。可見淺埋偏壓地形情況下隧道襯砌彎矩值分布不均衡。

圖5 下臺階開挖后Y方向應力分布圖

圖6 二襯彎矩圖

控制措施

通過上述力學特性分析可知，對于淺埋偏壓隧道洞口段，當采用上下臺階法施工時，開挖臨空面的產生破壞了原有初始地應力的平衡狀態，隧道襯砌彎矩值分布不均衡，不利于隧道整體穩定性，因此需要通過優化施工工藝，并采用輔助工法。

管棚注漿

管棚注漿作為隧道洞口段施工的主要輔助措施，其一方面能夠提高破碎圍巖強度，另一方面能夠改善淺埋偏壓地形條件下的隧道力學特性。該項目中管棚采用鋼花管，管徑為108mm，管壁厚度為4mm。在管棚施工過程中，應使得鋼花管與隧道襯砌邊緣保持3°至5°的夾角。注漿孔外徑為5mm，呈梅花形布設，間距為30cm；其漿液采用水灰比為1∶1的水泥漿，注漿壓力應為初壓0.75MPa，終壓2.2MPa。通過隧道洞口掌子面開挖揭露，圍巖內分布有清晰的漿脈，圍巖強度得到大幅提升。

雙側壁導坑法施工

雙側壁導坑法是將隧道斷面分塊進行開挖，先挖隧道兩側導坑，施做初期支護，然后開挖中間部分，從而通過初期支護和臨時支撐形成穩定的支護結構形式，其對于淺埋偏壓隧道洞口段具有較好的力學特性。結合項目的實際情況，采用I18作為臨時鋼架和橫撐，并采用18cm厚的噴射混凝土封閉臨時鋼架。在施工過程中，采用機械開挖和人工配合修整的方法。

結論

淺埋偏壓隧道洞口段采用上下臺階法施工時，其力學特性表現為：開挖臨空面的產生破壞了原有初始地應力的平衡狀態，隧道襯砌彎矩值分布不均衡，不利于隧道整體穩定性。

管棚注漿可提高破碎圍巖強度，能夠改善淺埋偏壓地形條件下的隧道力學特性。該項目采用管棚注漿后，其掌子面圍巖內分布有清晰的漿脈，圍巖強度得到大幅提升。

采用雙側壁導坑法可將隧道斷面分塊進行開挖，并通過初期支護和臨時支撐形成穩定的支護結構形式，其對于淺埋偏壓隧道洞口段具有較好的力學特性。