粵東山區淺埋偏壓隧道進洞施工優化研究

官治立

(廣東交通實業投資有限公司，廣州 510623)

0 概述

洞口段淺埋偏壓是山嶺隧道施工中經常遇到的問題。由于洞口段巖層一般較破碎、風化程度較高，外加埋深較淺，開挖過程中難以形成拱效應。在偏壓作用下，使得隧道兩側受力不均，施工過程中易出現大變形、塌方、地表沉陷、滑坡等現象[1]。關于淺埋偏壓隧道的進洞施工研究方面，黃成林[2]采用數值模擬研究了洞口破碎巖體在不同施工工法下的圍巖變形和支護受力，并對不同工法的優缺點進行對比分析。祁宏柱以龔家灣隧道為研究背景，采用數值模擬的方法研究偏壓隧道各個開挖階段、開挖順序時的圍巖及支護結構變形情況，得到了最優工法。張向東[3]研究了淺埋破碎圍巖隧道的超前加固措施，發現管棚的效果較好，能很大程度上降低塌方的概率，但鑒于該措施的成本和施工復雜程度，應根據實際工程特點進行選用。趙永國[4]等對秦嶺某淺埋偏壓隧道開展仿真研究，給出了符合隧道設計規范和圍巖穩定性要求的施工方案。

隧道洞口段施工目前山嶺隧道常采用新奧法開挖。對淺埋偏壓隧道而言，為確保施工安全，常將開挖斷面分割成若干個小部分單獨開挖、快速封閉成環，以此為理念的CD法、CRD法、雙側壁導坑法等工法根據開挖斷面和圍巖條件靈活選用，并且使用效果較好，但這類工法最大的問題在于施工速度慢、成本高、工法轉換復雜[5]。此外，鑒于洞口段的不良條件，一般需配合采用各種工程措施來提前加固巖體。這些措施主要包括兩類：一類是掌子面預加固，包括管棚、水平旋噴法、超前小導管、超前錨桿等；另一類是地表預加固措施，包括地表錨桿、地面注漿、填土反壓、擋墻等[6-9]。監控量測也是隧道進洞施工中必不可少的工程措施，通過監控數據反映圍巖和支護結構的變形情況，以便及時指導施工[10]。

從現階段淺埋偏壓隧道進洞施工可知，為確保安全，一般進洞方案都較保守，在圍巖超前加固措施方面，從控制成本的角度一般都是適時選用。但針對某些工期較緊的特殊情況，現有的方案和理念不能滿足實際需求，需進行進洞施工的優化。本文以粵東山區大潮高速公路某偏壓隧道為背景，研究洞口段的偏壓處治及進洞方案優化調整，并結合實際施工效果對優化后的方案進行評價。

1 工程概況

粵東山區的大潮高速公路雙向四車道梅嶺隧道，建筑限界11.0m，開挖跨度13.0m。隧道穿過丘陵地貌區，降水較多，地形起伏大，地面標高43～204m。隧道最大埋深約110m，隧道右線進口K13+843～870段洞身存在地形偏壓，最小覆蓋層約1.5m(圖1)。根據地質勘察資料，洞口邊仰坡主要由坡殘積粉質粘土及全～強風化巖組成，自然坡度約38°～52°，局部有微型崩塌或水土流失形成的陡坎或沖溝。鉆探資料揭示，地層主要為碎塊狀強風化巖層，分布厚度大，節理裂隙極發育，巖體破碎。從上至下依次為：

圖1 洞口段右線地形偏壓

(1)粉質粘土(Qdl)，稍濕，可塑，土質不均，粘性一般，夾少量碎石，厚度1.0～3.1m。

(2)碎石土(Qdl)，稍濕，稍密，顆粒級配不均，呈棱角狀，粒徑3～7cm，最大約10cm,含量約為70%，由粉質粘土充填，零星分布，厚度為1.2m。

(3)強風化夾中風化變質砂巖(J3dl)，巖石風化不均，巖芯多呈碎塊狀，部分呈短柱狀，裂隙極發育，隙面普遍銹染，軟硬不均，零星分布，厚度3.4～40.3m。

(4)強風化變質砂巖(J3dl)，變余結構，塊狀構造，巖芯破碎多呈碎塊狀、短柱狀，塊徑2～5cm 不等，節理裂隙極發育，裂隙面銹染，巖石風化不均，局部偏中風化，全場地分布，厚度2.0～58.5m。

為控制圍巖變形，確保施工安全，原設計隧道偏壓段進洞方案為雙側壁導坑法，進洞40m后轉為臺階法施工。

2 洞口段偏壓處治及進洞方案優化

雙側壁導坑法在控制圍巖變形方面有較大優勢，該工法將開挖斷面分成多塊，每個分塊可在開挖后迅速各自封閉成環，施工過程中圍巖變形幾乎不發展。相關文獻表明，該工法所引起的地表沉陷約為臺階法的一半，施工安全度高，但雙側壁導坑法最大的缺陷在于施工流程復雜、速度慢、成本高。此外，采用雙側壁導坑法進洞，在后續掘進中的工法轉換也將耗費較多時間，于工期不利[5]。

依托項目工期較緊，采用雙側壁導坑法不能滿足通車條件，考慮到與后續工法的連續性，擬調整為短臺階預留核心土法進洞施工。粵東山區降水較多，為避免洞口段破碎巖體在雨水滲透劣化和淺埋偏壓雙重不利條件下的影響，進洞前在保留原40m長管棚的基礎上，對偏壓側圍巖采用“地表小導管注漿+混凝土反壓護拱”的方案進行加固，見表1和圖2所示。

表1 偏壓處治措施

圖2 洞口偏壓段處治加固

3 優化效果分析

洞口偏壓段圍巖按上節中的方案加固后，采用短臺階預留核心土開挖法進洞施工，單次進尺控制在0.5～1.0m。結合監控量測及二次襯砌結構安全評價，進行偏壓處治效果分析。

3.1 監控量測結果

圖3～圖5為進洞施工后的地表沉降、拱頂沉降及洞內周邊收斂觀測情況。由圖3～圖5可知，偏壓段圍巖地表注漿加固及護拱反壓后，配合短臺階預留核心土法開挖，圍巖變形情況總體較好，地表最大沉降約45mm，沉降速率趨緩后維持在0.8mm/d。因埋深較小，拱頂沉降與地表沉降值較接近，最大值約為45mm。周邊收斂情況峰值約為16mm，穩定后變形速率為0.3mm/d。

圖3 地表沉降觀測曲線

圖4 拱頂沉降觀測曲線

圖5 周邊收斂觀測曲線

監控量測數據在進洞施工一周左右出現增加的趨勢，主要是由于下臺階開挖所導致，仰拱閉合成環后，變形值基本趨于穩定。監控數據反映的圍巖變形趨勢表明，處治措施有效地確保了淺埋偏壓隧道快速進洞施工的安全。

3.2 裂縫出現及發展情況

洞口偏壓段采用優化后的方案進洞，施工情況總體較好，監控量測數據也較為平穩。但進洞30m后，在初期支護及管棚導向墻位置出現輕微裂縫，裂縫寬度約0.1mm，深度2cm。洞內裂縫出現后，立即組織工程技術人員在隧道地表位置進行巡查，未發現地表裂縫，表明地表注漿起到了較好的加固效果，裂縫并未貫通至地表。同時，在洞內加強裂縫發展情況的監測，半個月時間內裂縫寬度、深度基本穩定，也無新的裂縫增加，初步推測非貫穿的結構性裂縫，總體不影響隧道安全，但從設計規范的角度，仍需進一步進行結構驗算。

3.3 結構安全性驗算

按照《公路隧道設計規范》(JTG 3370.1-2018)規定，采用荷載-結構法進行二襯結構安全驗算，通過規范給出的方法確定淺埋偏壓圍巖荷載，并結合有限元軟件Midas進行計算。

圖6為規范[11]給出的淺埋偏壓隧道圍巖壓力計算示意圖。根據規范進行計算，依托工程中深淺埋分界高度為33m，洞口偏壓段K13+843～870范圍內，埋深19.4m的K13+870斷面為最不利條件，襯砌類型按淺埋驗算，并按照式(1)至式(8)計算圍巖壓力。

圖6 淺埋偏壓隧道圍巖壓力計算

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ei=γhiλ

(7)

(8)

式中：h、h′分別為內外側拱頂水平面至地面的高度，γ為隧道上覆圍巖重度，B為開挖跨度，λ和λ′分別為內外側的壓力系數，β和β′分別為內外側產生最大推力時的破裂角，φc為計算摩擦角，α為地面坡角，θ為頂板巖土柱兩側的摩擦角。

根據上述計算的圍巖荷載分布，本文假定50%的荷載由二次襯砌承擔，并采用Midas進行建模，由平面梁單元模擬二次襯砌結構，由地基彈簧模擬地基土及側墻漿砌片石等抗力作用，襯砌厚度為50cm。本文依托項目隧道洞口段圍巖主要以粉砂巖及其風化層組成，由于在通用計算的過程中均將圍巖考慮為均質同性巖體，通過對比實際工點的圍巖情況和規范提供的有關參數，本次計算的各級圍巖物理力學指標及鋼筋、混凝土參數情況見表2～表4。

表2 圍巖物理力學參數

表3 混凝土物理力學參數

表4 鋼筋物理力學參數

圖7至圖10為依托工程洞口淺埋偏壓段最不利開挖斷面K13+870處二襯結構的計算截面編號、位移變形、剪力、軸力及彎矩分布情況。表5為根據Midas計算結果確定的結構安全系數。根據現場觀測，裂縫位置為拱頂右側，截面編號為42、43、44，裂縫寬度約0.1mm。規范[11]要求，在“永久荷載”或“永久荷載+基本可變荷載”條件下，鋼筋混凝土襯砌按“鋼筋達極限強度或砼達抗壓、抗剪極限輕度”或“砼達抗拉極限”時的最低安全系數要求分別為2.0和2.4。由表5可知，裂縫位置在施工二次襯砌后可滿足結構安全。除了該位置外，拱頂、拱腰、兩側拱腳的最小安全系數均大于4，滿足結構安全的要求。

表5 洞口偏壓段二次襯砌裂縫位置安全系數

圖7 洞口偏壓段二次襯砌各截面編號

圖8 洞口偏壓段二次襯砌剪力分布

圖9 洞口偏壓段二次襯砌軸力分布

圖10 洞口偏壓段二次襯砌彎矩分布

因此，依托工程進行偏壓處治并優化進洞方案后，雖初支結構產生輕微裂縫，但施工二襯后可確保結構安全。

4 結論

本文以粵東山區大潮高速公路淺埋偏壓隧道梅嶺隧道為背景開展相關研究，為確保工期，對原雙側壁導坑法進洞進行優化。結論如下：

(1)針對粵東山區等降水較多的地區，采用“管棚+地表小導管注漿+混凝土反壓護拱”的措施能較好地起到圍巖超前加固作用。該加固條件配合“短臺階預留核心土法”進洞開挖，施工安全和圍巖變形可控，同時能較大縮短施工時間。

(2)進洞施工中應加強圍巖和結構變形觀測，配合結構驗算情況嚴格處治結構裂縫。本依托工程經驗算表明，二襯施工后可確保結構安全。

(3)依托工程的方案優化是基于工期緊的特殊條件，其他工程采用本優化方案應根據實際情況進行調整。

工程實踐表明，采用“管棚+地表小導管注漿+混凝土反壓護拱”的施工方案能較好地起到圍巖超前加固的作用，該加固條件配合“短臺階預留核心土法”進洞開挖，施工安全和圍巖變形可控，同時能較大縮短施工時間。