強風化花崗巖隧道洞口段施工安全技術研究

汪碧云 李小彤 楊佳奇 連 正

(1.四川川交路橋有限責任公司,四川 成都 610031； 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

1 概述

隧道洞口段施工是隧道工程施工中的一個重點與難點，常常有“進洞難”的說法。這是由于洞口段一般處于淺埋地段，圍巖較為軟弱破碎，開挖后圍巖難以成拱；強風化花崗巖隧道洞口段的施工是隧道工程施工中的一個重點與難點，選擇合理的開挖工法對隧道安全施工極其關鍵。

國內外學者對于強風化花崗巖隧道進行了如下研究：李樹鵬，張俊儒等[1]以贛(州)龍(巖)鐵路新考塘隧道為工程依托，對強風化花崗巖淺埋地層超大斷面隧道的施工技術問題進行深入研究；劉金泉[2]設計了一套可考慮質量遷移及三向應力狀態的大型室內突水突泥試驗系統來研究強風化花崗巖隧道突水突泥變質量滲流特征及災害演化機理；潘以恒[3]以礦山法施工對地下水環境的影響為研究中心，以風化花崗巖隧道為工程背景，通過現場調查、理論分析、現場試驗、室內試驗、數值模擬等研究手段，開展了風化花崗巖隧道礦山法施工對地下水環境影響研究。

目前國內外針對強風化花崗巖隧道的研究已取得了較為豐富的成果，在設計與施工方面積累了一定的經驗。但對強風化花崗巖隧道洞口段施工的研究較少，若施工不當，極易對洞口附近巖土體產生影響，從而導致滑坡、崩塌、泥石流等不良地質災害的出現。本文依托金家莊隧道洞口工程，比選中隔壁(CD)法和三臺階預留核心土法兩種施工方法，通過數值模擬，比較兩種工況下的隧道位移、初支襯砌受力、二次襯砌受力，并得出優選工法，可為強風化花崗巖隧道洞口工程施工提供一定參考。

2 依托工程背景

延慶至崇禮高速公路河北段金家莊隧道位于赤城縣炮梁鄉磚樓村東、金家莊村西北方向，隧道最大埋深約314.5 m，隧道區地表標高為1 406 m～1 738 m，相對高差332 m，洞口入口端坡度為16°～24°，出口端坡度為26°～31°。隧道區地層以海西期二長花崗巖為主，局部為第四系覆蓋層。金家莊隧道洞口剖面圖如圖1所示。

本隧道圍巖等級主要為Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級，其中洞口段圍巖為Ⅴ級，考慮隧道施工的安全性、合理性和經濟性，隧道在洞口段擬采用中隔壁(CD)法和三臺階預留核心土法開挖施工。

3 隧道洞口施工數值分析

3.1 開挖工法比選

隧道在開挖后，圍巖中的初始應力將重新分布。對強風化花崗巖隧道洞口段來說，其對工程擾動更加敏感[4]。因此，選擇合理施工工法對施工安全至關重要。

3.2 隧道施工工法

本節針對金家莊隧道強風化花崗巖洞口淺埋段，采用中隔壁(CD)法、三臺階預留核心土開挖法進行數值模擬(見表1)。

表1 隧道開挖計算工法

3.3 建模情況及圍巖參數選取

本次計算以金家莊隧道為對象建立模型，此段隧道斷面設計圖見圖2。隧道圍巖、二次襯砌和初支采用實體單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬，其中圍巖采用摩爾—庫侖模型，二次襯砌和初支襯砌采用彈性本構模型計算。隧道二次襯砌厚度為60 cm，初支厚度為28 cm，錨桿為φ25中空注漿錨桿長400 cm間距為0.75 m×1.0 m(環×縱)。隧道結構和錨桿單元模型如圖3所示。

根據JTG D70—2004公路隧道設計規范和金家莊特長螺旋隧道地質勘察資料，本次計算選取的圍巖和隧道結構的物理力學參數和錨桿物理力學參數分別如表2，表3所示。

表2 隧道圍巖與襯砌物理力學參數

表3 錨桿物理力學參數

3.4 計算結果分析

根據計算結果，統一選取中間斷面即Y=40 m(Y為距離洞口的距離)，對比分析洞口段施工引起圍巖的位移、應力、初期支護內力和圍巖安全系數等指標。

3.4.1洞周圍巖位移分析

圍巖位移考察的主要內容包括拱頂沉降、底部隆起和周邊水平收斂。監測斷面共1個，監測點布設4處，如圖4所示。

各工況下監測點隨時間步的變化曲線如圖5～圖8所示。

綜合圖5～圖8對比可知：采用三臺階預留核心土法時的拱頂沉降量、仰拱隆起值、右邊墻水平位移和左邊墻水平位移較中隔壁(CD)法分別增加了15.3%,16.7%,13.4%和13.2%，說明三臺階預留核心土法施工對圍巖的擾動性較大[5]。但兩種工法施工對圍巖的變形影響相差不大。由此斷定，CD法在控制圍巖變形方面優于三臺階預留核心土法。

3.4.2初期支護應力分析

兩種工況下初期支護最大最小主應力及其分布位置如表4所示。

表4 初期支護最大最小主應力及其分布位置

對比分析兩種工況，采用中隔壁(CD)法施工時最大主應力為1.10 MPa，分布在拱頂位置，最小主應力值為-4.09 MPa，出現在仰拱處。采用三臺階預留核心土法和中隔壁(CD)法施工時的最大主應力和最小主應力出現位置相同，但其值對于中隔壁(CD)法分別減小了14.4%和17%。說明采用三臺階預留核心土法施工，初期支護受力更小，安全性更高。

3.4.3二次襯砌內力對比

兩種工況下二次襯砌最大最小主應力及其分布位置見表5。

對比分析兩種工況，工況1(中隔壁(CD)法)下最大主應力出現在仰拱位置，其值為1.84 MPa，最小主應力出現在仰拱處，其值為-4.32 MPa。工況2(三臺階預留核心土法)下最大主應力出現在拱腳位置，其值為1.25 MPa，最小主應力出現在拱頂處，其值為-3.16 MPa。三臺階預留核心土法的最大主應力和最小主應力值相對于中隔壁(CD)法分別減小了32%和26.8%。說明采用三臺階預留核心土法施工，二次襯砌受力更小，安全性更高。

表5 二次襯砌最大最小主應力及其分布位置

4 結語

本文通過對金家莊隧道洞口段安全穩定性進行數值模擬研究，從隧道位移、圍巖應力場、初支襯砌受力、二次襯砌受力及安全系數等方面進行對比分析，得出以下結論：

1)三臺階預留核心土法控制圍巖變形的效果不如中隔壁(CD)法，但兩者的控制效果相差不大。

2)在初期支護應力方面，三臺階預留核心土法的最大主應力和最小主應力的出現位置和中隔壁(CD)法相同，但其值對于中隔壁(CD)法分別減小了14.4%和17%。

3)在二次襯砌內力方面，三臺階預留核心土法的最大主應力和最小主應力值相對于中隔壁(CD)法分別減小了32%和26.8%。可以看出，三臺階預留核心土法的效果明顯優于中隔壁(CD)法。