高海拔隧道洞口段超前支護技術研究

鄭小均

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、引言

在隧道坡積碎石土淺埋段施工中，由于隧道淺埋段開挖時工作面地質的復雜性，其穩定性往往難以保持。隧道穿越軟弱破碎圍巖時，開挖擾動會引起較大圍巖變形[1]。如果初期支護做不及時，圍巖變形可能超過其容許范圍，嚴重時引起掌子面失穩、隧道塌方，造成重大經濟損失[3]。而高海拔地區隧道坡積碎石土淺埋段施工和圍巖穩定性的保持的問題更加復雜，普通的超前支護達不到預期的超前支護的效果。因此需要一種高海拔地區碎石土淺埋松散坡積段隧道的超前支護工藝。本文依托西藏工布江達縣米拉山隧道工程，對高海拔坡積碎石土隧道淺埋段超前支護技術進行研究。

二、工程概況

米拉山隧道所在地位于工布江達縣境內，與拉薩市墨竹工卡縣相界，隧道南北向橫穿海拔5350m米拉山。采用分離式隧道，測設線間距約40m。隧道長5720米，最大埋深約391m。進口設計高程約4752m，出口設計高程約4774m，通風斜井口設計高程約4889.6m。隧道洞體設計限高7.8m，設計限寬10.25m

據工程地質測繪及鉆探揭露，隧址區地層主要為晚第三系新達拉(NX)花崗巖、下第三系-上白堊系林子宗(K2-E)l3)凝灰巖、前奧陶系松多巖群岔薩崗巖組(AnOc)板巖、冰水積(Q3fgl)碎石土、崩坡積(Q4c+dl)碎石土。米拉山隧道二維地震勘探共查明斷層25條(F1至F25)：按落差劃分，其中落差大于等于10m的斷層10條(F1、F2、F4、F7、F10、F11、F12、F14、F18、F24)，落差小于10m的斷層15條；其中正斷層22條，逆斷層3條。

三、數值模擬分析

本文設計了兩種針對高海拔地區松散坡積碎石土隧道淺埋段的超前支護組合工藝。第一種：首先在隧道淺埋段開挖前，對隧道地表新型地表注漿工藝進行注漿加固，在隧道開挖過程中，對拱頂以及邊墻設計密插小導管同時適當加強初期支護，仰拱開挖之前，對仰拱底部進行注漿加固。第二種：首先對隧道淺埋段進行管棚支護，在隧道開挖過程中，對拱頂以及邊墻設計密插小導管同時適當加強初期支護。本文對兩種組合工藝進行了對比和分析，最終選擇了第一種組合工藝。該工藝能在保護生態環境的前提下，隨著漿液擴散，填充圍巖裂隙，擠密巖土體[3]，增強圍巖的穩定性。

(一)計算模型

本文采用數值模擬方法，分析注漿加固范圍對于圍巖穩定性的影響規律，研究超前支護的加固效果。根據米拉山隧道設計參數，本次的數值模擬現擬定隧道模型尺寸：寬12.1m，高9.1m，拱部為半徑為605cm的半圓，仰拱為半徑為1550cm圓弧，仰拱與拱部間用一個小半徑為100cm的圓弧連接。在隧道開挖過程中，圍巖的豎向位移主要發生于隧道拱頂以上以及仰拱以下的區域[2]。數值分析采用適合模擬巖土非線性問題和大變形問題的FLAC3D進行模擬。根據米拉山隧道地質勘察資料與《公路隧道設計細則(JTG/T D70-2010)》，洞口圍巖物理力學參數取值：彈性模量0.15GPa，泊松比0.3，重度1800KN/m，粘聚力0.12MPa,摩擦角28°。

(二)計算工況

由于超前支護結構深入圍巖內部，且與初支結構剛性連接，構成“圍巖-超前支護-初期支護”整體承載結構，在研究超前支護作用效果時既要研究超前支護結構自身力學性質，更要考慮圍巖-支護結構的共同受力特征[4-5]。本次計算主要分析新型坡積碎石土隧道淺埋段超前預加固工法合理性。本次模擬采用兩種不同工況：工況一采用地表注漿加固、仰拱地基注漿加固、管棚超前支護；工況二只采用管棚超前支護。

(三)隧道圍巖穩定性分析

圍巖的位移為影響圍巖穩定性的主要因素，本節主要采用圍巖的位移作為新型坡積碎石土隧道淺埋段超前預加固工法合理性的評價指標。主要對比分析注漿加固后和未注漿加固的兩種工況下隧道拱頂、每個開挖步之后拱頂的最大位移以及地面的沉降。

通過對不同工況隧道豎向位移對比分析，發現隧道拱頂豎向位移隨著距洞口的距離增大而逐漸增大，隨著距離的增大增速不斷降低，在距洞口40米之后圍巖豎向位移逐漸趨于穩定，距洞口0-50米范圍內，通過對地表提前預注漿加固后，隧道拱頂的位移明顯降低，相對于未地表預注漿加固位移約減少了30%，很大程度上提高了隧道的穩定性。

通過對各個開挖步后隧道20米斷面拱頂位移分析，發現隧道拱頂的豎向位移主要集中在開挖第一步，約整個過程全部位移的60%，第2-4步每步開挖引起的位移約為整個過程圍巖位移的10%，在第五步開挖后，隧道拱頂的豎向位移逐漸趨于穩定；對比兩種工況可以看出在隧道開挖前，對地基進行預注漿加固可以明顯的降低拱頂的豎向位移，且注漿加固隧道每一步開挖引起的拱頂豎向位移均小于未注漿加固，更有利于位移的穩定性，更好的降低隧道的變形。

通過對兩種工況下由于隧道開挖造成的地表沉降的分析，發現地表的位移呈現出隧道拱軸線豎向位移最大，隨著距拱軸線的距離增加，地表位移不斷減少；注漿加固在拱軸線出約可以減少地表沉降10mm，相對于不注漿加固豎向位移約減少了30%。

四、結論

1.相對于傳統的隧道淺埋段預支護技術，高海拔地區坡積碎石土隧道淺埋段超前支護方式能提高隧道圍巖的穩定性，改善隧道圍巖的受力以及結構受力。

2.高海拔地區隧道淺埋段坡積碎石土淺埋段超前支護方式相對于傳統洞口預加固方式，能夠約降低隧道拱頂圍巖位移20%，降低地表沉降約30%，更有利于邊坡的穩定性。

3.隧道地表注漿加固范圍越大，越有利于控制隧道圍巖的變形，但當這些參數達到一定程度后，對隧道圍巖變形的影響的敏感性降低，最后其影響效果都趨于穩定。

本項研究形成的適合高海拔地區隧道坡積碎石土淺埋段的超前支護方式，豐富了我國在西藏、云南等地區的隧道淺埋段超前支護的建設經驗，在今后類似條件下的施工具有實際指導意義。