隧道穿越不良地質段加固措施優化及效果分析

李紹聰， 熊遠勛， 熊雪輝， 龔加懂， 周小軍， 張成良

(云南交投集團公路建設有限公司， 云南 昆明 650118)

0 引言

我國山地面積約占國土總面積的60%，由于我國地形地勢的特點，在修建山嶺隧道時，經常會穿越不良地質體，沖溝的存在致使圍巖破碎、隧道埋深淺、地表有水流通過等，受圍巖差、埋深淺、地表水等不良地質體的耦合作用影響，開挖擾動可能會引起坍塌、失穩、突水等不良地質災害發生，對施工安全產生較大影響，嚴重影響施工進度、質量和安全[1-2]。因此，如何確保隧道安全、快速地穿越不良地質體是隧道施工的重點，也是施工的難點。

1 工程概況

本隧道為分離式隧道，設計時速80km/h，單幅全寬12m，凈高5.0m，隧道高程介于1184.00～979.00m之間，相對高差205m，處于構造侵蝕地貌區，地形起伏較大，交通較為不便。隧道右幅起止樁號為K35+985～K38+797，長2812m，最大埋深約166m；隧道左幅起止樁號為ZK36+018～ZK38+772，長2754m，最大埋深約為168m。

2 隧道地質狀況

隧道右幅YK37+260～YK37+480、左幅ZK37+240～ZK37+460段為沖溝發育區域，長度約220m。因沖溝的存在致使圍巖破碎、谷底段隧道埋深淺，埋深最淺位置距離隧道洞頂標高不足25m，溝底有水流通過，水流受季節影響較大，冬春水流小、夏秋水流大。沖溝段現場地形見圖1，結合沖溝段范圍內220m地段圍巖地勘資料，并采用綜合物探的方法確定隧道沖溝段地質狀況。

1) 隧道沖溝段圍巖以全 — 強風化花崗巖為主，裂隙發育，裂隙多呈張開狀，充填粉質粘土和角礫，巖體破碎、松散，粘聚力差，開挖后易產生掉塊和塌方。

圖1 沖溝現場地形圖

2) 該段隧道地表周邊大型沖溝發育，覆蓋層較薄，地表水和基巖裂隙水易在此區域產生匯聚，富水性強。開挖擾動后裂隙水會向掌子面運移，隧道圍巖破碎松散，泥巖含量高，易軟化和泥化呈軟塑狀 — 流塑狀。

3 處治方案選擇

針對隧道沖溝不良地質段的處治措施可采用超前小導管注漿、管棚法、地表注漿3種處理方案，對比不同處治方案下圍巖的應力和變形情況及處治效果，確定合理的處治方案。

3.1 超前小導管注漿

超前小導管注漿支護是指在隧道施工時，沿隧道縱向拱部的外輪廓線以一定的仰角向掌子面前方打入帶泄漿孔的小導管，通過注漿填充土體孔隙，從而形成一定厚度的結合體，改善圍巖的強度和穩定性[3-5]。它可以有效控制開挖引起的地表沉降、圍巖變形和坍塌等，增強穩定性，超前小導管在起拱線以上120°范圍內采用φ42 mm的小導管，長4.5m，環向間距40cm，外插角10°～15°，搭接長度為1m。超前小導管布置如圖2所示。

圖2 超前小導管布置

3.2 管棚法注漿

管棚法具有安全性高、支護距離長、施工速度快、施工周期短等優點，可與錨桿共同作用提高承載力，使拱頂形成傘形保護圈[6]。管棚施工時，管棚應與鋼拱架配合使用，首先沿隧道開挖工作面的拱部，用φ110 mm水平鉆呈扇形地向地層中鉆一排孔眼。然后將鋼管插入鉆孔內形成管棚，環向間距為50cm，長度為12m，搭接長度為3m，外插角為1°～3°。管棚末端應搭設在鋼拱架上并焊死。相鄰兩榀鋼拱架間，應采用直徑為22mm的鋼筋作為受拉鋼筋，拉筋的環向間距約為1m。沿鋼架外緣環向每隔2m設置一道楔子，使其能立即承受圍巖壓力。管棚法布置如圖3所示。

圖3 管棚法布置

3.3 地表注漿

注漿法是通過在建筑物的巖土孔隙或裂隙中鉆孔注漿來改善圍巖物理力學性質的一種方法。地表注漿的主要作用是加固不良地質圍巖，如圍巖物理力學性質差、偏壓、洞口段及淺埋段砂巖、類土質地層等[5]。采用φ110 mm垂直鉆向地層中鉆孔，然后將鋼管插入鉆孔內形成管樁，間距為100cm，拱頂外長以50cm為標準。地表注漿鉆孔布置如圖4所示。

a) 平行于隧道的剖面圖

4 處治措施優化分析

由于軟弱圍巖沒有明顯的方向性且強度低，結構面的影響相對來說不顯著，一般都可傳遞壓應力和剪應力，因此可以作為各向同性的均勻連續體進行分析，彈性理論和彈塑性理論均適用于這類圍巖[6-8]。在模擬分析中，選用摩爾-庫倫彈塑性本構模型來模擬圍巖?？紤]超前支護加固效果時，采用地層-結構分析法能更好反映圍巖與隧道結構協調變形情況，很好顯示隧道結構和圍巖共同受力與變形。應用MIDAS/GTS NX對隧道預留核心土環形臺階法進行施工過程數值分析。

為簡化計算過程，并降低邊界條件對計算的影響，單幅隧道模型左右邊界自隧道中心線不少于5倍隧道半徑，隧道模型水平方向寬度選取100m；模型下部邊界距離隧道仰拱底部不少于3倍隧道高度，模型底部由隧道仰拱下部到模型邊緣取40m，模型高度按照隧道沖溝段實際埋深取至地表。沖溝尺寸按照實際取值為30m×40m(高×寬)，軸向長度40m，即最終模型尺寸為100 m×90 m×40 m(長×高×寬)。圍巖及超前支護的材料參數見表1。

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表1 圍巖及超前支護的材料參數材料密度ρ/kg·m-3 彈性模量E/MPa泊松比粘聚力c/MPa內摩擦角/(°)抗拉強度/MPa圍巖1 800500.350.3271.21鋼管7 850200 0000.3025.0——漿液2 4003000.3025.035—

采用超前小導管、管棚法、地表注漿3種注漿加固方案進行超前加固處治，其模擬方法如下。

超前小導管：選用直徑為45mm、長度為4m的無縫鋼管作為小導管。注漿孔排列成梅花形，孔徑采用8m、間距120cm及不小于30cm的尾部長度。小導管環向間距設定為20～50cm、外插角采用角度為20°，100cm的縱向水平標準搭接長度。

管棚法：采用外徑為150mm、長度為30m的熱軋無縫鋼管作導管，依據隧道開挖輪廓面的形狀進行管棚的形狀選擇及導管的布置。導管環向間距取為50cm，并以3.0m的水平搭接長度。導管上的注漿孔布置為梅花形，其孔徑選用12mm、間距選為20cm。鉆孔外插角約為3°，孔眼間距約為30cm。

地表注漿： 采用直徑為110 mrn的垂直鉆向地層中鉆孔，然后將鋼管插入鉆孔內形成管樁，間距為100cm，拱頂外長以50cm。

不同加固措施網格模型如圖5。

a)未注漿加固模型>

4.1 隧道圍巖變形位移場特征分析

通過數值分析，對比采用不同處治措施加固前后的拱頂和周邊收斂的位移發現:加固后位移控制明顯得到了改善，地表注漿對于控制巖體的變形最好，超前小導管產生的變形最大，管棚法其次。拱頂最終位移值為：未加固時155mm、超前小導管115mm、管棚法101mm、地表注漿法10mm；周邊收斂位移為：未加固時87mm、超前小導管85mm、管棚法84mm、地表注漿法84mm。

4.2 隧道圍巖應力場分布特征分析

通過數值分析，對比不同的處治措施加固前后的最大、最小主應力發現，加固后圍巖的穩定性明顯得到了改善，地表注漿對于控制巖體的變形和保證巖體的穩定性最好，超前小導管產生的應力最大，管棚法其次。最大主應力為: 未加固時2.39MPa、超前小導管2.31MPa、管棚法2.28MPa、地表注漿法2.25MPa；最小主應力為：未加固時0.93MPa、超前小導管0.89MPa、管棚法0.88MPa、地表注漿法0.86MPa。

4.3 隧道圍巖加固效果分析

超前小導管、管棚法與地表注漿三者的機理相似，都是通過注漿孔向圍巖的孔隙注入漿液，來改良圍巖的物理力學性質，從而提高圍巖的穩定性。在現場施工過程中，超前小導管和管棚法是搭配鋼拱架形成骨架的作用；地表注漿通過向地表注漿來改變圍巖的力學性質。三者所采用的加固理論是相同的，區別在于超前小導管和管棚法是在洞內掌子面前方進行加固，而地表注漿是在洞外對圍巖加固。超前小導管和管棚法的區別在于插入的角度不同致使他們的受力方式發生了很大變化。在3種加固措施中地表注漿對于控制巖體的穩定和控制巖體的變形效果最好，相比其他2種方法其加固的范圍大，隧道上覆圍巖的巖體力學參數得到了整體提高。超前小導管受漿液擴散范圍的限制其加固范圍有限，但該方法成本低、操作方便，經比較采用超前雙層小導管更為經濟、實用。

5 隧道沖溝段現場處治措施及驗證

5.1 隧道沖溝段不良地質段加固方案

經分析比較，隧道超前小導管加固方案操作簡單、成本低，支護效果可以滿足穩定性要求。根據現場使用情況，采用長度為4.5m的φ 42mm超前小導管，按1.2m循環實施，外插角度控制在10°～15°之間，搭接長度不小于2.0m，保證注漿加固質量，在沖溝段區域掌子面上方形成空間交叉的棚架作用，提高圍巖自穩能力，防止松動破碎圍巖滑落，避免局部坍塌。實際處治方案布置如圖6所示。

a)超前小導管交叉棚架示意圖

沖溝段采取超前小導管預支護后，采用預留核心土環形臺階法開挖支護技術，按照施工程序進行循環作業，臨時仰拱結構在仰拱成環后應逐步拆除，二襯跟進施工。要求施工方法落實到位，嚴格控制超挖，從拱架制作與安裝、錨桿鎖定、掛網噴射混凝土等工藝細節上保證支護質量。要求采取多項措施防止圍巖松弛，如采取預留變形量、減少短進尺擾動、逐榀開挖逐榀支護、素噴砼先封閉噴射滾凝土表面再立架支護，盡早成環仰拱并緊跟二襯等。

5.2 現場實施效果分析

5.2.1不良地質段施工的位移監測分析

隧道不良地質段處治后的位移觀測：拱頂沉降采用拓普康GTS-102N型全站儀，測量精度為1mm；周邊收斂采用SL-2型機械式收斂儀，測量精度0.01mm。隧道不良地質段監測斷面拱頂下沉和周邊收斂最終累計變形監測變形曲線如圖7所示。

圖7 監測斷面累計數據曲線

根據對隧道不良地質段典型斷面拱頂下沉及周邊收斂累計監測結果與數值模擬結果進行對比分析，可以得出：隨著時間的推移，圍巖的變形大致可分為急劇變形、緩慢變形、穩定收斂3個階段；且隨著開挖掌子面距離增大，圍巖變形速率逐漸趨于零，最終趨于穩定。二者所反映的圍巖變形規律相互驗證表明，數值模擬具有較高的準確性，并有一定的應用與參考價值。從圖7監測斷面位移分析可以看出，當沖溝存在時，隧道埋深由深到淺變化，過沖溝段谷底后，又由淺到深變化，拱頂下沉和周邊收斂也有不同程度的變化，在谷底位置圍巖位移達到最大值，但均在規定的允許范圍之內。

5.2.2不良地質段施工應力監測分析

通過埋設壓力盒和應力計對不良地質段施工的圍巖應力進行監測，沖溝段左幅監測斷面選測項目應力隨時間變化的關系曲線如圖8所示，可以得出：隨著隧道開挖，應力逐漸增大，開挖完成12d內，應力均有不同程度大幅增加，襯砌層間壓力、鋼筋軸力及砼應變均呈現快速增長趨勢，隨著圍巖變形和支護結構的相互協調，12d后增加幅度緩慢，隧道支護力逐漸趨于穩定。支護層間最大壓力出現在拱頂和左拱腰部位，最大值為0.10MPa。鋼筋最大軸力出現在拱頂處，最大值為7.6kN；其次是右拱腰位置，為7.5kN。總體上隧道支護襯砌結構應力均遠小于結構所能承受的力，通過采取一定加固處治措施后，有效地控制了隧道的支護應力，達到了安全施工目的。

a)襯砌層間壓力

6 結論

以隧道沖溝不良地質段為背景，針對沖溝所致隧道淺埋、圍巖破碎、地表水發育等特點，使用數值分析方法對不良地質段的加固措施進行優化分析，并對優化后的方案進行實施，埋設應力和位移測點對其穩定性和實施效果進行驗證，得出以下結論：

1) 針對隧道不良地質段地形地質條件，提出采用超前小導管、管棚法、地表注漿等3種加固方案進行加固，利用數值分析方法對3種處治措施進行優化分析，結果表明：隧道通過采取不同的洞內外處治方案后，提高了隧道圍巖的力學性能，進而增強了圍巖的自穩能力，能有效保證隧道安全施工。通過技術經濟比較，超前小導管支護具有簡單、方便、成本低等特點。

2) 結合隧道不良地質段的特殊性，提出了現場實施方案及相應措施，并制定了現場監測方案，與數值模擬結果進行對比分析，得出本工程的數值計算結果與監測值相似，擬合度較高，可為類似工程提供借鑒。