軟圍巖地質條件下山區高速公路隧道施工技術

劉 波

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530003)

隨著我國現代化事業的建設和發展，越來越多的精品工程相繼涌現。以我國隧道工程為例，通過業內專家們數十載的不斷探索，現已形成比較完善的科研、施工一體化系統，隧道工程的整體施工及驗收標準處于世界領先地位，具有我國自主知識產權的一大批專利技術在國內外的隧道工程施工中被廣泛應用。然而，對于軟圍巖地質條件下的山區高速公路隧道施工領域而言，技術還不是很成熟，能獲取的、可應用的工程資料并不多，從目前已有的文獻來看，多側重于軟圍巖地質條件下山區高速公路隧道施工技術的理論層面的研究，與實際施工過程的結合較少，缺乏有力的基礎支撐及實例認證[1-2]。

本文通過對軟圍巖地質特征以及形變特征的詳細分析，進而總結出在此類地質條件下進行山區高速公路隧道施工的技術要求，包括對施工設備、人員安全以及風險因素方面的管控。通過精準的數值模擬分析過程，使施工中的具體工程參數得以呈現，而對計算模型的分析更能直觀、準確地定位巖體力學參數。最后，通過工程實例的解析來進一步對軟圍巖地質條件下的山區高速公路隧道施工技術加以論述，本文可為此類隧道工程的施工提供一定的理論依據，對于施工質量及安全性的管控具有參考意義[3-4]。

1 軟圍巖地質特征及形變特征

軟圍巖地質構造特殊，其周邊環境的復雜性決定了隧道在此類地質環境下施工所具有的特殊難度，對軟圍巖地質特征及形變特征的準確分析，可確保后續施工過程順利進行。

1.1 地質特征

軟圍巖的巖體強度極低。由我國巖體工程的分級標準、巖土勘察規范以及山區高速公路隧道的設計規范可知，軟圍巖的單軸最大抗壓強度在30 MPa以下，且軟圍巖通常易受強構造運動的沖擊，使節理、縫隙以及斷面結構發生變化，尤其是當結構面充填軟質物料時，極易對圍巖的自穩性造成影響。此外，軟圍巖的賦存環境較差，軟圍巖通常賦存于地應力多變以及高富水量的地質環境中，進而可造成涌水或塌方等地質事故[5-6]。

1.2 形變特征

在山區高速公路隧道開挖過程中，圍巖的形變過程通常會經歷彈性形變階段、彈性及塑形共同作用階段以及蠕變、塑形共同作用的三個階段，值得注意的是，在最后一個階段中，仍以蠕變形變為主。歸納起來，對于堅硬的圍巖來說，通常情況以彈性和塑形形變為主，而軟圍巖常以塑形形變和蠕變形變為主[7]。軟圍巖的形變有以下特點：

1.2.1 形變量大

在隧道開挖后，軟圍巖最顯著的特征便是形成明顯的塑形形變，具體參數變化如圖1所示。

1.2.2 形變速度快

當隧道開挖之后，堅硬圍巖形變在短時間內便可恢復到穩定的狀態，即形變速率較小，而軟圍巖在隧道開挖之后，形變速率卻非常大，尤其是在初始階段，其形變速率極大。

圖1 桂柳隧道ZK120+651軟圍巖形變收斂曲線圖

1.2.3 形變持續時間長且縱向形變特征顯著

軟圍巖開挖后，縱向形變常表現為拱頂沉降、側墻內擠等現象，所引起的位移一般都指向隧道開挖的中心方向。對于軟圍巖來說，在初始階段形變速率較快的同時，其持續性時間也較長，且具備顯著的蠕變形變特性[8]。

1.2.4 擾動范圍廣

軟圍巖隧道周圍的塑形區會隨著施工過程的推進而不斷擴大，尤其在支護措施不當或結構剛度不強時，圍巖的擾動范圍就會更大，致使錨桿長度無法到達彈性區，因此，常引起噴錨支護的失效。

2 數值模擬分析

2.1 理論模型概述

結合軟圍巖地質條件搭建理論模型，起止里程樁號為YK105+70～YK105+186，模型具體范圍：沿隧道的軸線長度為87 m，并分別沿隧道軸線兩側延伸大約3倍洞徑，仰拱距模型底部75 m處。為有效分析上下臺階法、單側壁法以及三臺階開挖法的效果，將理論模型統一，僅通過所定義的組件來顯示各自的差異性，如下頁圖2所示。同時，將邊界效應考慮其中，選用YK105+129斷面作為分析斷面，來對比具體的施工方案，而初襯以及二襯均采用彈性模型，但圍巖部分采用的則是彈塑性模型[9-10]。

2.2 計算模型分析

將模型的所有側面進行法向約束設置，而底部設置完全約束，且上邊界屬自由邊界。通過分析所設計的原始施工方案以及現場勘查資料，以上下臺階法為例，來確定實際施工過程中的開挖順序：(1)上臺階開挖1.0 m時對其錨固和初襯相同深度；(2)當上臺階開挖達到10 m后進行下臺階的開挖，并維持上、下臺階間的開挖距離為10 m；(3)當下臺階開挖1.0 m時，對其錨固、初襯并仰拱1.0 m；(4)當仰拱鋪設達20 m后開始進行二襯施工[11-12]。單元開挖覆蓋范圍如圖3所示。

圖2 理論模型網格示例圖

圖3 單元開挖覆蓋范圍圖

通過圖3推導可得到地表單元沉降表達式為：

(1)

其中，We——開挖后地表單元的沉降值；

β——所影響的范圍；

α——地表傾角；

θ——傳播角。

(2)

即當地表傾角α=0°且θ=90°時，單元沉降值為：

(3)

3 工程實例解析

3.1 橫斷面設計

以廣西桂柳高速公路軟圍巖隧道區域為例，對隧道的建筑邊界進行設計，建筑邊界單洞凈寬擬定15.0 m，V級圍巖隧道的橫斷面組成為：(0.85+0.5+3.85×3+0.85+0.85)m，隧道設有雙側的檢修通道，其內輪廓基于有效的結構受力和便于施工方面考慮，襯砌內輪廓擬采用三心圓策略，隧道凈空以及橫斷面除達到行車凈空標準外，還應將照明、消防以及其他運管等設施所需空間考慮其中[13-15]。隧道V級圍巖襯砌支護詳細參數如表1所示。

3.2 力學參數分析

因軟圍巖自身強度低、形變量大且結構松散，受施工過程中的擾動敏感，因此使得二襯受力偏大，而上下臺階法的最大壓應力值位于開挖邊界的二襯外側，大小約為37 MPa左右，受導洞臨時支護的拆除影響，底鼓現象發生在了仰拱中間，但通過對比可知，在上下臺階開挖邊界左右兩側和左右拱腳等處均發生了壓應力集中現象，而單側壁法在主洞開挖邊界處右側以及仰拱間發生了壓應力集中現象，因此，二襯受力較為合理，但施工過程中應注重局部支護，即采用單側壁法施工更為有效。

3.3 具體實施過程

桂柳高速公路隧道嚴格按照V級圍巖段式開挖，在超前支護等基礎措施準備完成之后，通過雙側壁導坑的方式進行，而側導洞的開挖過程利用正臺階斷面法，主洞的開挖通過斷面預留法進行，通常情況下，開挖進度<2 m/d。在實際的施工過程中，桂柳隧道采用“弱爆破、強支護”的原則，并及時分析、處理在施工過程中實時獲取的監測數據，保證了施工質量和工期。對于二襯過程，拱部及邊墻使用C25型防水混凝土進行施工，其抗滲級別超過S6級，仰拱使用C25型普通混凝土，回填階段使用C15片石混凝土，而仰拱的超挖部分均使用C25型混凝土回填。通過對該隧道施工期間以及后續工程的監測數據分析可知，軟圍巖地質條件下所采用的隧道施工技術效果顯著，工期和質量均得到了有效保證。

表1 隧道V級圍巖襯砌支護詳細參數表

4 結語

本文通過對軟圍巖地質條件下的山區高速公路隧道施工技術進行深入研究，來分析此條件下隧道的施工對環境的特殊要求以及主要技術難點，并提出了數值模型分析的方法，進而全面保證了此類隧道在施工過程中的工期、質量以及安全性。本文最后以廣西境內典型的軟圍巖地質條件為例，通過對桂柳高速公路隧道施工過程中圍巖及支護結構力學參數的分析，來對施工的可行性進行綜合預判，對于軟圍巖地質條件下的隧道施工技術研究具有一定的參考價值。

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