隧道洞口滑坡體土釘墻加固適應性研究

段 鋒

(中鐵二十局集團第六工程有限公司 陜西西安 710032)

1 引言

隧道洞口穿越滑坡體施工難度大，剪切變形在邊坡表面表現最為明顯，具有極大的工程建設安全隱患[1]，因此保證滑坡體隧道洞口的穩定性極為關鍵。研究出一種施工安全、工效高且成本相對較低的穿越滑坡體進洞施工方法尤顯重要[2]，依托在建隴漳高速公路烏梁隧道，在強度折減法基礎上，利用MIDAS-GTS建立隧道洞口滑坡體段三維有限元模型，提出了洞口段利用土釘墻代替微型樁墻加固的支護方案。

2 工程背景

2.1 隧道概況

隴漳高速公路烏梁隧道位于甘肅省隴西縣城東側，全長1.67 km，左右洞起訖里程分別為YK18＋555～YK20＋241、ZK18＋555～ZK20＋221。 其中小里程端洞口位于滑坡體上，地形展布為左側平緩、右側緊鄰沖溝邊緣，且洞口巖層破碎，節理發育，表層為滑坡堆積體，在流水及重力作用下極易崩塌。

2.2 優化方案

滑坡體對隧道進洞安全風險較大，原設計采用直徑φ＝24 cm、間距L＝50 cm的微型樁墻支護，并輔以16b型鋼加固。考慮到微型樁加固施工進度較慢，無法滿足隧道工期要求，經協商研究后提出采用土釘墻加固方案，C20網噴厚度d＝10 cm，φ42注漿鋼花管長度L＝9 m、土釘間距為1 m，現場施工見圖1。

圖1 土釘墻加固方案

2.3 施工安排

模擬烏梁隧道施工過程，先仰坡、邊坡開挖及支護，再進行洞口段開挖及支護。邊仰坡開挖時，坡面沿z軸從上向下分3次開挖，每開挖一部后，緊接著對每一級開挖邊仰坡支護，為防止巖體發生掉塊或崩塌采用C20網噴土釘墻進行支護，噴射支護完成后破除洞口處支護，然后進行明洞建設。洞口段開挖、支護時，先對左、右隧道進行首次開挖，破除套拱范圍內網噴支護，施作長度L＝2 m、厚度d＝60 cm的C20混凝土套拱，改變明暗交界部分屬性，變為型鋼混凝土結構。緊接著施工暗洞φ108管棚超前支護。

為防止隧道在開挖過程中由于自穩性下降而導致坍塌，斷面采用挖掘機按三臺階進行分部開挖，每循環0.6 m的進尺，并利用 20a型鋼鋼架及C25錨網噴進行初期支護。同時，在進洞一定距離后，及時完成仰拱初支成環和C35鋼筋混凝土二次襯砌，其中仰拱襯砌厚度為d＝60 cm，拱頂襯砌厚度為d＝50 cm，起到避免隧道在開挖過程中仰拱受到兩側巖土體擠壓而隆起的風險。

3 方案可行性校驗

為了論證土釘墻加固方案的合理性，一是采用數值模擬方法分析了不同進洞施工方案隧道圍巖、邊仰坡支護結構、二襯結構的位移及最大主應力的變化特征[3]；二是通過現場監測統計分析手段驗證了支護后滑坡體變形特征，進一步確定了土釘墻加固滑坡體方案的適應性、合理性[4]。

3.1 數值分析

3.1.1 計算模型

為了使模型計算時間與精度合適，通常對建模范圍有所要求。建模太大，計算時間將極大地增加；建模太小，可能受邊界條件影響得不到準確的計算結果[5]。本次計算模型沿x、y、z方向建立長度分別為96.4 m、120 m和84 m，且所有邊界面自動約束。

3.1.2 參數的設置

在有限元模型中，巖體采用莫爾-庫倫本構模型，隧道噴混等支護結構采用彈性本構類型，自然狀態下隧道巖土參數、各類材料參數設置見表1。

表1 隧道模型各類材料參數

3.2 數值模擬計算結果及分析

3.2.1 數值模擬應力分析

利用數值模擬對原設計與優化設計方案得出隧道開挖引起的圍巖、邊仰坡支護、二襯等的最大主應力出現部位及數值大小，以進一步對比分析隧道洞口圍巖穩定性[6]。微型樁墻模型與土釘墻模型最終工況下隧道圍巖的最大主應力云圖見圖2，邊仰坡支護最大主應力云圖見圖3，二襯最大主應力云圖見圖4，其山體圍巖、邊仰坡支護及二襯最大主應力特征見表2。

圖2 隧道開挖引起的圍巖最大主應力云圖

圖3 隧道開挖引起的邊仰坡支護最大主應力云圖

圖4 隧道開挖引起的二襯最大主應力云圖

表2 數值模擬不同方案最大主應力特征

雖然土釘墻方案計算模型的山體圍巖、邊仰坡支護最大主應力都遠大于原設計計算模型，但是根據地勘資料可知，該模型最大應力出現部位圍巖均為中風化砂巖，其最大主應力均小于砂巖的屈服強度，因此以最大主應力作為安全考慮因素，其優化方案各個部位力學特征滿足施工安全要求，方案可行[7]。

3.2.2 數值模擬變形分析

山嶺隧道在工程開挖中存在一定的危險性[8]，必須對開挖過程中圍巖位移、邊仰坡支護位移、微型樁墻和土釘墻位移、二襯位移等進行全面的變形監測[9]。微型樁墻模型與土釘墻模型最終工況下開挖引起的圍巖位移云圖見圖5，邊仰坡支護、微型樁墻及土釘墻位移云圖見圖6，二襯位移云圖見圖7，數值模擬位移特征見表3。

圖5 隧道開挖引起的圍巖位移云圖

圖6 隧道開挖引起的邊仰坡支護及微型樁墻位移云圖

圖7 隧道開挖引起的二襯位移云圖

表3 微型樁墻與土釘墻邊坡開挖數值模擬位移量 mm

表3對比了微型樁墻與土釘墻加固方案邊坡位移、邊坡處沉降、拱頂沉降、拱底隆起、拱頂二襯最大位移、拱底位移、拱頂位移等監測數據，從邊坡開挖隧道引起的位移來看，模型優化后邊坡支護最大位移出現在左洞口，但兩方案均滿足公路隧道施工技術細則(JTG/T F 60-2009)及建筑基坑工程監測技術規范(GB 50497-2019)隧道開挖允許最大變形要求[10]。

3.2.3 優化結果對比

根據統計，得出了兩個方案模型不同施工步驟各階段垂直總應力、水平總應力和位移三方面數值，本處選取了具有典型代表特征的8＃點進行了原設計和優化方案模型計算結果進行對比，見表4。

表4 原設計與優化方案結果對比

從表4可知，優化方案的圍巖位移最大值比原設計沒有發生較大變化，邊坡位移要略大于原設計方案，但其位移和變形都在允許范圍之內。通過模型計算對比分析，優化方案可以減少應力變化，且位移符合規范要求，其方案可行。

3.3 現場監測分析

隧道洞口地表沉降的趨勢有一定的變化規律，隨著隧道施工開挖，洞口地表開始產生變形，最大變形速率將發生在隧道開挖掌子面到達檢測點正下方時。若變形速率逐步減小，則說明隧道洞口趨于穩定；反之，則出現失穩，應及時防止洞口坍塌等災害，保證施工安全[11-12]。

為監測烏梁隧道施工過程中洞口段地表沉降情況，通過對監測點變化規律進行分析以保證施工安全，洞口段每個截面預埋16根直徑φ＝2.5 cm、長L＝200 cm的鋼筋作為觀測樁，外露長度50 cm，并在露頭頂端焊接5 cm×5 cm的鋼板。并現場選取了進洞前后過程中具有代表意義的6個觀測點進行了統計分析，見圖8。

圖8 洞口地表測點累計沉降曲線

由圖8可知，洞口上部15 d內沉降速率較低，15 d后沉降速率迅速增大，40 d后沉降速率趨于平緩，最大沉降量為22 mm，符合規范要求，表明優化方案可行。

4 應用效果分析

烏梁隧道洞口采用土釘墻代替微型樁墻加固方案施工，應用效果良好。實現了提前安全進洞目標，比原方案節約工期43 d，且在人、材、機方面節約建設成本約783萬元。

5 結束語

采用土釘墻代替微型樁墻加固滑坡體方案，通過數值模擬和現場監測分析兩種手段驗證，其推測最大主應力雖大于原設計方案，但推測變形值與實際變形值差異不大，符合規范要求，安全性良好；同時，實現了節約工期、減小施工難度和降低施工成本等諸多優點，充分說明土釘墻加固方案可行，可為類似隧道穿越滑坡體設計、施工提供一定參考。