復(fù)雜環(huán)境地質(zhì)條件下隧洞進口段支護設(shè)計

劉嶺楠，王晗

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州311122）

1 項目簡介

長九（神山）灰?guī)r礦項目位于安徽省池州市，礦區(qū)礦種為灰?guī)r，毗鄰長江，砂石骨料從礦區(qū)利用帶式輸送機運至專用碼頭，輸送距離約13km。

帶式輸送機軸線從礦山加工生產(chǎn)區(qū)至碼頭混合堆料區(qū)需穿越水庫、湖泊、鐵路、公路、礦區(qū)、山脈等。其中，4 號隧洞下穿姥山礦區(qū)，位于小河王金礦礦區(qū)范圍內(nèi)。

該隧洞進口地質(zhì)、環(huán)境條件復(fù)雜，洞口大開挖布置方案受限，小開口方案開挖支護難度很大，需要論證可行的開挖支護方法，以確保隧洞安全順利建成。

2 環(huán)境條件及工程地質(zhì)

2.1 環(huán)境條件

該隧洞進口西側(cè)為小河王金礦尾礦沉淀池，主要為小河王金礦開礦后廢棄的礦渣和開礦剝離的坡積土和風化砂巖，穩(wěn)定性差，棄渣場表層的沉淀池依然在使用，隧洞進口土方開挖后，開挖邊界距離棄渣場較近，對隧洞進口邊坡存在滑坡隱患；隧洞進口東側(cè)為棄渣的坡積土，穩(wěn)定性差，且分布有容積較大的廢水池。因此，洞口地層及周圍環(huán)境對邊坡開挖面的穩(wěn)定均不利。在人工開挖邊坡情況下，洞口引坡面易發(fā)生坍塌，同時可能引發(fā)周邊棄渣場、坡積土的次生滑坡[1]。

2.2 地質(zhì)條件

本工程巖土工程勘察等級為甲級，原場區(qū)復(fù)雜程度按二級中等復(fù)雜場地考慮，根據(jù)勘察報告顯示，素填土層和全風化石英閃長巖層較厚，基巖面起伏較大。

1）①層素填土堆積年代大于30a，其中上部0～11m 段呈灰褐色、黃褐色，碎、塊石含量較高，約30%～40%，遇水易坍塌；下段11～23.4m 段基本不含碎、塊石，褐黃色、棕紅，土質(zhì)粉粒含量高，層理明顯，遇水易崩解，下限埋深約23.4m。

2）②層崩坡積塊石及碎石土：黃褐色，稍密～中密，碎、塊石含量約15%～20%，黏性土充填，層厚3～5m。

3）③層全風化石英閃長巖：褐黃色，原巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，主要礦物成分為長石、石英，長石、云母已風化成土狀，粉粒含量稍高，遇水易軟化崩解，層厚約8～10m。

4）④層強風化石英閃長巖網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀及碎塊夾砂礫狀，層厚約2～3m。④層和⑤層中風化石英閃長巖起伏變化大，沿物流廊道軸線80m 范圍內(nèi)基巖面高程起伏約20～25m[2]。

根據(jù)地勘鉆孔揭露，隧洞進洞口處素填土厚約23m，堆積時間久遠。下伏基巖為燕山回旋早期石英閃長巖，強風化石英閃長巖巖芯呈破碎塊狀，碎塊加沙礫狀，輕擊可碎，強風化下限埋深37.7m，隧洞進口位于素填土中，地質(zhì)條件差。

3 地下連續(xù)墻設(shè)計

根據(jù)場區(qū)地層條件和水文特征，結(jié)合連續(xù)墻圍護范圍和征地范圍，隧洞不可避免地在全風化巖層中進洞，該層巖土體工程性能較差，且地下水豐富。經(jīng)多方案論證，4#隧洞進口開挖支護形式擬采用地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)+鋼筋混凝土明洞形式。

3.1 地下連續(xù)墻嵌固深度

地下連續(xù)墻作為一種開挖技術(shù)，已在地下工程及深基坑支護中被廣泛應(yīng)用。本工程設(shè)計中，在4 號隧洞進口段布置連續(xù)墻（見圖1）。連續(xù)墻在巖層嵌固深度對后期隧洞成洞及開挖邊坡的穩(wěn)定性有較大影響。根據(jù)規(guī)范要求，連續(xù)墻嵌固深度需滿足構(gòu)造要求，嵌固深度不小于0.2 倍基坑深度。隧洞進口附近，基巖位置較淺，遠離隧洞進口，基巖位置較深，對此2 種情況，分別討論嵌固深度對隧洞穩(wěn)定的影響[3]。

連續(xù)墻布置形式見圖1。斷面基巖位置較淺位置段為A段，較深位置為B 段，在地下連續(xù)墻嵌固深度的設(shè)計過程中，需滿足構(gòu)造要求、整體滑動穩(wěn)定性要求和抗傾覆穩(wěn)定性要求，當坑底為軟土時，還應(yīng)滿足最下道支點圓弧抗隆起要求。通過對A、B 段地下連續(xù)墻在基巖中不同嵌固深度進行穩(wěn)定性分析計算，計算結(jié)果見圖2、圖3。

由此計算結(jié)果可看出，連續(xù)墻的穩(wěn)定性隨嵌固深度的增加而增大。綜合考慮施工因素與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確定A 段設(shè)計嵌固深度為5m，B 段設(shè)計嵌固深度為19.5m。并控制A 段地下連續(xù)墻在基礎(chǔ)底板以下嵌固深度不小于2m，控制B 段地下連續(xù)墻在基巖嵌固深度不小于2m。

圖2 A段不同嵌固深度下地下連續(xù)墻墻身穩(wěn)定分析

圖3 B段不同嵌固深度下地下連續(xù)墻墻身穩(wěn)定分析

3.2 內(nèi)支撐布置

內(nèi)支撐的主要作用是控制開挖面以上地下連續(xù)墻的單跨懸挑長度，抵抗地下連續(xù)墻的側(cè)向變形[4]。

為了探索內(nèi)支撐的設(shè)置對墻身變形和彎矩的影響，在地下連續(xù)墻內(nèi)布置不同數(shù)量內(nèi)支撐，并對其進行計算分析。內(nèi)支撐布置方案見表1；不同支撐設(shè)置下地下連續(xù)墻變形包絡(luò)圖和彎矩包絡(luò)圖見圖5；不同支撐設(shè)置下連續(xù)墻穩(wěn)定分析見圖6。

表1 內(nèi)支撐布置方案表m

圖6 不同支撐設(shè)置情況對地下連續(xù)墻穩(wěn)定安全系數(shù)敏感性分析

圖5 不同支撐設(shè)置情況下地下連續(xù)墻變形和彎矩包絡(luò)圖

由圖5 可以看出，內(nèi)支撐設(shè)置的越多，地下連續(xù)墻墻身位移和彎矩越小，加強支撐在控制墻體位移和改善墻身彎矩方面有積極作用，方案1 到方案2增加一道支撐，地下連續(xù)墻最大彎矩減小約17.7%，方案2 到方案3 增加1 道支撐，地下連續(xù)墻最大彎矩減小約12.4%。

由圖6 可以看出，墻內(nèi)支撐布置數(shù)量為連續(xù)墻基坑抗傾覆穩(wěn)定性的敏感因素，內(nèi)支撐布置越密，整體穩(wěn)定性越好[5]。

綜合考慮整體結(jié)構(gòu)合理、方便施工等因素，在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工要求的條件下，地下連續(xù)墻內(nèi)支撐布置選定方案2，連續(xù)墻內(nèi)布置3 道支撐。

4 洞臉開挖支護設(shè)計

隧洞進口綜合支護如圖7 所示。

由于隧洞需在軟弱土層中進洞以及隧洞進口開挖開口線范圍有限，洞臉至A 段連續(xù)墻頂部邊坡采用加筋擋墻支護，A段連續(xù)墻以上邊坡自然放坡的支護形式。隧洞進口采用鋼筋混凝土擋墻，減少開挖開口線，并增強坡腳蓋重，擋墻鋼筋與兩側(cè)地下連續(xù)墻墻身采用預(yù)埋鋼筋相連，形成整體受力結(jié)構(gòu)。墻身設(shè)置6m/9m 自進式錨桿穿過最危險滑弧面，可大幅提高邊坡抗滑力，增加邊坡整體穩(wěn)定性。擋土墻內(nèi)設(shè)φ76mm 排水孔，L=5m，上仰角為5°～10°，間排距為3m×1m；擋土墻墻身設(shè)置自進式錨桿，錨桿參數(shù)C25，L=6m/9m，間排距為2m×1m。

A 段連續(xù)墻以上段采用自然放坡，嚴格控制邊坡開挖坡比不陡于1∶2，減小邊坡頂部荷載，降低邊坡下滑力。邊坡掛網(wǎng)植草，掛網(wǎng)鋼筋為A6.5mm@20mm×20mm，邊坡內(nèi)設(shè)A76mm 坡面系統(tǒng)排水孔，L=5m，上仰角為5°～10°間排距為3m×3m，坡面采用U 型錨釘支護，梅花型布置。

隧洞進洞形式為超前大管棚進洞，超前大管棚具有梁拱效應(yīng)和加強效應(yīng)，形成梁拱結(jié)構(gòu)，防止圍巖崩塌和松弛，注漿提高鋼管周圍圍巖的強度和剛度。超前大管棚按門型布設(shè)，洞口設(shè)置混凝土導(dǎo)向墻以控制大管棚外插角精度，提高大管棚對軟弱圍巖的超前支護作用。管棚超前支護采用外徑A80mm，壁厚10mm 的熱軋無縫鋼尖管，鋼管前端呈尖錐狀，尾部焊接A16mm 加勁箍，管壁四周鉆A16mm 壓漿孔供預(yù)注漿用[6]。

圖74 號隧洞綜合支護圖

相同的口線條件下，采用加筋混凝土擋墻支護措施，提高了邊坡抗滑力，提高了穩(wěn)定安全系數(shù)，大幅降低了邊坡下滑力。墻身設(shè)置錨桿加固后，提高了抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。同時根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測情況，洞臉邊坡為穩(wěn)定安全狀態(tài)，加筋混凝土擋墻等支護措施提高了邊坡抗滑力，起到了抗滑效果。

5 結(jié)語

綜上所述，4 號隧洞進口段的開挖及支護設(shè)計思路正確，方便使用，確保了4 號隧洞工程順利建成。