預應力錨索加固在淺埋偏壓隧道洞口開挖中的成效分析

孔陸敏

(三明市公路路面養護中心，三明 365001)

1 引言

近年來隨著我國隧道工程技術成熟，針對地形陡峭、開挖數量大、 地質破碎易發生災害的山區高等級公路建設，因受地形和公路線形指標限制，隧道需靠近山體坡面修建，形成淺埋偏壓隧道。施工中由于隧道開挖造成的圍巖應力變化，洞口邊坡易發生變形、開裂、甚至坍塌等病害，邊坡變形破壞與隧道開挖擾動密切相關，因此在隧道尤其是淺埋偏壓隧道洞口開挖前進行必要的加固尤其重要。 本文以三明莆炎高速明溪段林地隧道進口側坡預應力錨索加固后邊坡穩定性分析為例， 闡述預應力錨索加固措施在淺埋偏壓隧道洞口開挖過程中的成效。

2 工程概況

三明莆炎高速明溪段林地隧道設計為分離式長隧道，全長左右洞平均2408m，洞口采用端墻式結構。 進口位于一低山坡麓，隧址區屬剝蝕丘陵地貌，沿北西向穿越山體，地形起伏大。 隧道進口處埋深較淺，右洞距最近坡面處僅11m，坡體上部覆蓋層較薄，且節理密集帶、構造破碎帶發育，存在偏壓情況。根據工程地質調繪及鉆探成果，該隧道場區自然山坡坡度30°～40°，山脊陡峭，圍巖為坡積碎石土及碎塊狀強風化變質砂巖， 未發現有大型滑坡、崩塌及泥石流、巖溶、采空區等不良地質情況。 左、右洞口側坡體風化層主要為坡積粉質粘土、坡積碎石土、全風化及強風化變質砂巖，厚度約為5～9m 左右，結構較松散，穩定性較差，構造破碎帶發育，下伏碎塊狀強風化-中風化變質砂巖。地下水位高于設計隧道洞底標高，且碎塊狀強風化變質砂巖透水性較好。

隧道按新奧法原理進行施工，采用復合式襯砌，以錨桿、濕噴混凝土(鋼筋掛網)、鋼拱架等為初期支護，大管棚、超前注漿小導管、超前錨桿等為施工輔助措施，充分發揮圍巖的自承能力， 在監控量測信息的指導下施作初期支護和二次模筑襯砌。隧道洞口因地質構造破碎、節理發育、偏壓，易發生溜方、坍塌等地質災害，開挖前擬對洞口側坡進行加固。 隧道進洞口平面圖參見圖1。

3 開挖前加固措施

設計過程經充分研究、討論、比選，最終確定以下加固方案： 隧道開挖前對洞口側邊坡面采用2 排8m×8m 4孔預應力錨索框架進行預加固，坡度1：0.75，預應力錨索為壓力分散型結構， 每孔采用6 束Φ15.24mm 高強度低松弛無粘結鋼絞線，鉆孔孔徑150mm，錨索設計長度24～28m，設計拉力550kN，錨索錨固段進入中風化變質砂巖不小于10m。框架采用C30 砼澆筑，嵌入坡面30cm，外露30cm。 要求在隧道開挖前，先施打預應力錨索，在錨索施打并注漿后，注漿體強度達到設計強度后進行預張拉。詳見圖2～3。

4 隧道開挖過程穩定性分析

為分析預應力錨索框架在淺埋隧道洞口開挖中的加固成效和可行性， 本文從有限元模型加固與否的穩定性安全系數對比， 以及隧道洞口段開挖過程中實測監控量測數據兩個方面來分析預應力錨索框架加固在淺埋偏壓隧道洞口開挖中的成效。

圖1 隧道進洞口平面圖

圖2 隧道進口外側坡體防護加固平面圖

4.1 加固與否穩定性對比分析

4.1.1 模型及參數選取

采用MIDAS/Nx 軟件建立莫爾－庫倫有限元模型進行計算，巖土材料采用高階平面應變單元模擬，界面材料特性假定為理想彈塑性，錨索自由段采用桁架單元、錨索錨固段采用梁單元模擬。 每個錨單元均允許沿軸向產生變形并發生屈服。錨單元節點與網格節點重合，錨單元與平面應變單元聯結成整體，不產生相對位移。模型有限元網格如圖4 所示。

圖3 隧道進口外側坡體防護加固斷面圖

圖4 二維模型有限元網格

圍巖采取理想彈塑性模型。 根據勘察報告及現場實際情況，支護材料彈性模量及泊松比按如下取值：

中空錨桿：E=200GPa，μ=0.15，按彈性材料處理；

初支噴砼：E=6GPa，μ=0.25，按彈性材料處理；

噴砼硬化：E=16GPa，μ=0.18，按彈性材料處理；

預應力錨索： E=200GPa，μ=0.15，按彈性材料處理。

由于洞口開挖方式為CD 法， 考慮施工順序為左洞右→左洞左→右洞右→右洞左， 支護步驟簡化為土石方開挖→初支施工→噴砼硬化。分為加固(打設錨索)及不加固兩種情況，詳細計算各施工步驟坡體穩定性安全系數。為保證工程安全，使計算結果偏于安全，穩定性分析的安全系數均在洞身開挖之后進行計算， 不考慮初支及噴砼硬化。

表1 巖土物理力學性質推薦指標

4.1.2 坡體有、未加固情況下穩定性安全系數對比

由圖5、表2 可以看出，隧道開挖前，側坡穩定性安全系數Fs=1.2250，處于穩定狀態。在隧道開挖后，安全系數有所下降，尤其在左洞右側開挖完成未支護前，其安全系數降至1.1500， 說明洞室開挖改變了坡體內部應力分布狀態，從而導致坡體穩定性下降。隧道開挖完并拆除中隔墻后，由于考慮了初支等防護措施，側坡穩定性安全系數小幅回升至1.1750，但仍未達到規范要求，考慮到隧道右洞距坡面處最近僅為11m 左右，隧道開挖過程及后期的安全度不足，故應考慮對洞口側坡進行加固。對坡體采用錨索進行預加固后， 在隧道開挖過程中側坡坡體穩定性安全系數提升了30%～40%， 減少了山體偏壓影響，基本消除了施工安全隱患。

表2 穩定性安全系數對比表

圖5 隧道開挖前邊坡穩定性(安全系數Fs=1.2250)

4.2 隧道洞口段開挖監控量測數據

表3、表4 數據為加固措施完成后，洞口段開挖支護后一個月中實測累計下沉值、 累計收斂值和累計地表沉降值，以及最近三天的下沉和收斂速率，結果表明累計及變形速率均在控制范圍內，洞內變形緩慢，趨于穩定。 加固措施切實有效，提高邊坡穩定性，保障隧道安全進洞。

表3 隧道洞口段拱頂下沉、周邊收斂實測數據表

表4 隧道洞口段地表沉降實測數據表

5 結論及建議

(1)淺埋偏壓隧道的洞室開挖對側坡安全系數影響較大，本文中隧道進口右洞側坡表層風化層厚度6m 左右，下伏碎塊狀強風化變質砂巖，根據計算結果，隧道開挖后側坡的穩定性安全系數最大下降了30%以上， 即使在考慮了隧道防護措施后， 側坡穩定性安全系數仍然只有自然坡體的80%。 由上述結論可以推知， 坡體地質條件越差，巖土物理力學指標越低，隧道開挖過程中坡體穩定性安全系數則越小， 甚至可能對隧道施工及運營安全產生重大威脅， 故對于淺埋隧道， 尤其是其進出洞口處的邊坡，必須通過驗算確定穩定性安全系數。

(2)淺埋偏壓隧道側坡在隧道開挖前進行適當的坡體加固對施工期前后的安全很有裨益， 如采用預應力結構的加固措施能夠有效控制隧道開挖帶來的坡體應力場變化，提高坡體安全度。坡體加固設計時應當充分考慮整體地形地貌、 坡體形態及地質情況， 并參照穩定性計算結果，合理布置加固措施。施工過程中應嚴格按照技術規范和設計文件要求，精心組織，科學安排，規范施工，確保預應力框架錨索施工質量，才能保障隧道開挖的施工安全。