超淺埋軟弱圍巖隧道拱腳穩定性及其控制技術

楊 輝

(福州市城鄉建設發展總公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來隧道工程規模越來越大，地質情況愈加復雜，施工難度和風險劇增。從實踐經驗來看，在軟弱圍巖結構隧道進行施工過程中，拱腳部位變形較為嚴重，因此必須對拱腳部位進行變形監測與穩定控制，進而保證隧道整體結構可靠性[1-3]。隧道拱腳為開挖拱與未開挖巖體或路面的交界部位，當隧道采取分部開挖時，拱腳隨開挖斷面變化而變化。從力學分析，拱腳部位在隧道開挖拱中起到了對拱形斷面支撐基礎的作用[4]。自20世紀90年代以來，國內大量雙線鐵路公路修建，隧道斷面越來越大，地質情況也愈加復雜，施工的軟弱圍巖隧道拱腳沉降問題也日益突出，相應的，已有相關研究成果見諸報道[5-7]。賈劍青等運用有限元模擬分析了隧道深埋段支護結構穩定性以及圍巖塑性區的變化特點[8]。王小鳳，李崇蓮，馬朋濤等結合工程實踐對拱腳穩定性進行分析并提出了一些控制措施[9-11]。韓同春結合永寧高速高寶隧道施工過程中發生的拱腳塌方事故，分析隧道拱腳塌方的原因及所采用的加固措施[12]。李文江等采用數值分析的方法，結合現場監測資料，對軟弱圍巖拱腳穩定性控制技術進行分析[13]。

本文以某工程暗挖隧道施工為背景，以土力學和塌落拱理論為依據，以監控數據為最終判斷標準，對隧道拱腳進行力學分析及其穩定性控制技術討論總結，為今后相似工程提供借鑒。

1 工程概況

某工程南北雙洞雙線布置。選取南線K1+300～K1+330和北線K1+250～K1+280段為分析對象，此兩段暗挖隧道均處于Ⅵ級超淺埋軟弱富水圍巖地質，主要圍巖力學參數表如表1所示，埋深約11m。隧道開挖現場如圖1所示。

圖1 隧道開挖現場圖

場地內自上而下分別為雜填土①、 淤泥③、 (含砂礫)粘土④、 卵石(碎石)⑤和殘積砂質黏土⑥， 開挖斷面上部主要為淤泥③和(含砂礫)粘土④， 下部為卵石(碎石)⑤和殘積砂質黏土⑥， 各土層在水平及垂直方向分布，均勻性差。其中砂卵石層中的孔隙承壓水，水量豐富，由山體側向補給，并受大氣降水及地表滲流影響較大，隧道單位長度設計正常涌水量0.7～3.52m3/d。

表1 主要圍巖力學參數表

2 拱腳受力狀態分析

2.1 隧道力學狀態分析

(1)隧道開挖后力學狀態

隧道開挖后，開挖斷面空間形成開挖拱，開挖洞周界面圍巖土體一側解除約束，洞周圍一定范圍內圍巖應力重新分布。分布規律為洞周圍巖表面僅存在切向應力，處于單向應力狀態，向圍巖土體內部發展，逐步恢復到原有應力狀態，如圖2所示。

圖2 隧道開挖后洞周界面切向應力分布圖

洞周界面切向應力：

σt=σy((1-2cos2φ)+λ(1 +2cos2φ))

σy—洞周圍巖土體豎向應力；

φ—洞周圍巖土體摩擦角；

λ—洞周圍巖土體側向壓力系數，是摩擦角φ的函數，試驗測得。

(2)噴錨支護完成后洞周力學狀態

洞身開挖完成后，及時進行噴錨支護。噴錨支護體系附著于洞周圍巖表面，與圍巖共同作用，形成新的支護受力體系。隨著洞周圍巖土體的變形發展，支護結構在控制圍巖的變形過程中，自身將受到由于圍巖的變形所產生的圍巖壓力作用。支護結構新的受力體系受力如圖3所示。

圖3 以塌落拱理論分析支護結構受力體系

側壁穩定時：h=b/f

側壁不穩定時：

h=(b+H·tan(45°-φ/2))/f

b—洞室跨度之半；

h—塌落拱等效高度；

f—圍巖的堅固性系數，又叫似摩擦系數；

H—隧洞開挖高度。

以上是洞周圍巖穩定與失穩兩種情況時洞周支護結構可能出現的受力情況。文中所選分析對象均處于超淺埋施工范圍，簡化計算的淺埋洞室圍巖壓力計算公式如下：

qv=γH(1-HK1/2b1)

γ——圍巖重度(KN/m3)；

H——洞頂覆土厚度(m)；

K1——滑動體ABCD兩側AD和BC面上摩阻力系數，K1= tan2(45°-φ/2)tanφ；

b1——滑動體底寬，b1=b+htan(45°-φ/2)。

2.2 拱腳力學狀態分析

隧道開挖后，如圖2所示，洞周應力重新分布，在洞周一定范圍內形成應力拱，以及在隧道初期支護完成后，如圖3～圖4所示，支護結構形成的支護拱，都是支撐洞周圍巖土體維持隧洞空間平衡穩定的拱形受力體系。

圖4 淺埋洞室圍巖壓力計算簡圖

以拱的受力特性來簡化分析隧道施工中拱腳部位的受力情況，進而分析總結其穩定性控制技術，具有一定科學性和合理性。

拱的受力特點為，在荷載作用下，拱的拱腳部位不僅會產生豎向反力，還會產生水平反力，且不合理的拱軸，在拱的界面上還會產生彎矩和剪力作用。根據土體的力學特性，洞周應力拱和支護拱要保持穩定，須滿足兩個條件：①任一拱截面上彎矩和剪力作用不得使拱發生變形破壞；②拱腳不得下沉和滑動破壞。

3 隧道拱腳穩定性控制技術

3.1 控制拱腳沉降

拱腳沉降主要包括兩個部分：一是拱架連接間隙和拱腳與支撐基面間隙；二是拱腳基礎沉降變形。對于拱架連接間隙和拱腳與支撐基面間隙控制，可采取以下措施。

3.1.1拱架連接安裝豎直、緊密

每環拱架安裝采用吊垂線進行垂直度校正，避免拱架傾斜后承受偏心荷載，產生彎矩，發生變形破壞。拱架連接板連接緊密，必要時加墊鋼板或鋼筋，以消除變形發展空間。

3.1.2拱腳支墊于堅實的基礎上

在洞身開挖時，拱腳位置預留20cm～30cm，采用人工開挖清理松散渣土至原狀土，放置拱腳支墊構件(型鋼、混凝土塊或石塊等材料制成)，并放置平穩，接觸面密實。該工程中采用槽鋼擴大拱腳+混凝土楔形塊進行支墊，取得了良好效果。

對于拱腳位置地基沉降變形從以下兩個方面進行控制：

(1)提高基礎承載能力

①在不改變土體力學性能時，即地基承載能力不變的情況下，采取擴大拱腳提高拱腳承載能力，擴大拱腳操作簡單，且可以制成單獨構件，進行重復利用。

②改變土體力學性能，提高地基承載能力，主要技術措施包括：注漿法、擠密法、冷凍法等。

(2)減小拱腳上部荷載

上文所述，支護拱所受荷載主要來自洞周塌落拱范圍內圍巖土體自身重力及地下水靜水壓力。其中圍巖土體自重大小分洞身側壁穩定與否兩種情況，且支護拱所受荷載大小還與土體本身性質(內摩擦角、粘聚力等)依據隧道洞頂覆土厚度等有關。以此分析著手，減小拱腳上部所受荷載主要從以下幾個方面考慮：

①增強洞身側壁穩定性，降低塌落拱高度

洞身開挖前可對洞身兩側土體進行超前預加固(包括地表或洞內注漿或降水等)，改良土體力學性能，洞身開挖后能夠自穩；

控制超欠挖，并及時進行初噴，保護洞周應力拱的形成；

避免側壁墻角積水浸泡及地下水滲流降低側壁土體力學性能，導致失穩。

②提高洞頂覆土的自穩能力，降低塌落拱高度

施工前進行地表或洞內超前預加固(水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、洞內水平旋噴樁及超前支護等工藝技術)，地下水位較高時，可采取地表降水。

③控制掌子面擠出變形，以免導致洞頂失穩

掌子面擠出變形會導致掌子面前后洞頂土體凌空失穩，尤其軟弱圍巖隧道施工中，掌子面擠出變形導致拱頂沉降十分顯著。施工中控制掌子面擠出變形的手段包括：掌子面超前注漿加固、預留核心土或者CD/CRD分部開挖等。

④設置鎖腳錨桿(管)，分擔荷載

鎖腳錨桿(管)隧道施工噴錨支護工藝的一項重要技術措施，由于其工藝簡單易行、效果明顯，且經濟高效，施工中得到了廣泛應用。鎖腳錨桿(管)在分擔荷載和在接續下部開挖拱腳懸空時臨時承擔全部荷載，起到了控制變形沉降關鍵性作用。鎖腳錨桿(管)承載機理較為復雜，主要體現為與圍巖土體的摩擦力和本身材料的錨固抗剪能力。根據軟件模擬分析和工程實踐表明，鎖腳錨桿(管)的作用效果主要與注漿效果、設置角度和長度有關。

針對該工程地質情況，采取的技術措施為：地表高壓旋噴樁預加固，在隧道洞身兩側采用雙排Φ800@600高壓旋噴樁作為止水帷幕、改良洞周側壁和初支體系錨固基礎，加固深度為拱頂上4m至仰拱底下1m；洞身范圍采用Φ800@800高壓旋噴樁加固洞頂開挖輪廓線以外3.0m土體，改良洞頂覆土并形成拱形支護殼體，淤泥水泥土芯樣抗壓強度代表值1.3MPa(16d齡期)，內聚力提高2.5倍至約25kPa，內摩擦角提高3.6倍至約25°，堅固性系數從約0.5提高至約1.5。圍巖堅固性、摩阻力及自承能力成倍提升(達到砂土狀強風化花崗巖經驗值)，圍巖壓力降低20%。并局部間歇采取長樁加固至洞內淤泥層底，穩定開挖掌子面，對掌子面擠出變形有扼制作用。

3.2 控制拱腳水平位移

(1)拱腳水平外移控制

支護拱在荷載作用下，拱腳不僅有豎向反力，還有水平反力，故拱腳在洞周圍巖壓力下存在水平外移的趨勢。根據拱的上述力學特性，依據施工實踐證明，在洞身開挖時，上導坑的矢跨比不得小于1/3。

后陰即肛門，為大腸的下口，又稱魄門、谷道。魄門為粕之通道，魄門即粕門，飲食糟粕由此排出體外，所以稱為魄門。

(2)拱腳水平內移(收斂)控制

一般情況下，圍巖土體能夠提供的支撐反力要大于支護拱的外移動力。隧道施工收斂變形監測是必測項目。拱腳水平內移的原因，是洞周圍巖壓力較大，使拱架截面產生較大彎矩，發生變形。導致水平內移的圍巖壓力主要為水平壓力。

控制洞周圍巖水平壓力主要有以下措施：

①對洞身兩側土體進行超前預加固(包括地表或洞內注漿或降水等)，改良土體力學性能，降低其側向壓力系數；

②控制超欠挖，并及時進行初噴，防止風干收縮變形失穩；

③避免側壁墻角積水浸泡及地下水滲流降低側壁土體力學性能，導致失穩；

④設置鎖腳錨管，并注漿，在土體內形成錨固體，對支護拱架提供錨拉力，抵抗圍巖水平壓力；

⑤洞內兩側拱腳位置設置水平支撐。

針對該工程地質情況，采取的措施為：沿線路兩側各設置管井降水，間距8m，降水井深入隧底以下10m或進入中風化層5m，與開挖邊界水平距離不小于4m，降低水位至工作面以下1m為宜。優化施工工法，原交叉中隔壁工法優化為3臺階山形預留核心土環形開挖+中臺階臨時仰拱。

4 隧道變形控制效果分析

上述措施實施后，拱腳變形得到有效控制，選取南線K1+310和北線K1+260兩個斷面的拱頂沉降和周邊收斂現場測試圖如圖5～圖6所示。可以看出上臺階開挖至中臺階臨時仰拱封閉成環，拱頂沉降不大于3mm/d，最大累計變形35mm左右，拱腳水平收斂位移2mm/d，累計變形15mm；拆除臨時仰拱至襯砌仰拱施作完畢，拱頂沉降3～5mm/d，累計變形50mm，拱腳水平收斂位移3mm/d，累計變形30mm。從該工程的實施效果來看是可行的。

圖5 拱腳水平收斂

圖6 拱頂沉降

5 結論

把隧道開挖后和噴錨支護后的結構受力體系簡化為應力拱和支護拱進行力學分析，并以土力學、拱的受力特性以及塌落拱理論為依據，分析總結拱腳的變形失穩原因，有針對性采取相應的技術措施，從該工程的實施效果來看是可行的。

參考文獻

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