風積沙地層明挖隧道支護優化及圍巖壓力研究

楊志君

西藏鐵路建設有限公司，拉薩 850000

風積沙地層黏聚力低甚至無黏聚力，具有自穩性差、顆粒小、滲透性強等工程特點［1-2］。穿越風積沙地層的隧道進出口段埋深淺，圍巖結構松散，施工時極易出現坍塌、失穩破壞等［3］。針對隧道穿越風積沙地層已有一些研究。文獻［4］在風積沙隧道明挖段采用坡率法和噴錨支護聯合防護措施，應用效果良好。文獻［5］以榆神高速公路神木一號隧道為工程背景，在隧道出口風積沙段采用水平旋噴樁超前支護方案，發現水平旋噴樁加固體系能夠較好地控制圍巖的變形。文獻［6］提出采用導向水平旋噴樁結合先行施工仰拱邊墻結合部預留核心土臺階法的施工方法。文獻［7］通過數值模擬和監控量測的方法對小導管+上下臺階臨時仰拱法、水平旋噴樁+三臺階臨時仰拱法和大管棚+上下臺階臨時仰拱法3種施工方案進行比選，并給出3 種施工方案的適用范圍。文獻［8］對蒙華鐵路王家灣隧道開展現場量測試驗，并與數值模擬對比得到了到深埋風積沙隧道的圍巖壓力計算模式。文獻［9］采用數值計算與現場實測結合的方式，探究了風積沙地層隧道在開挖過程中圍巖壓力的變化形態等。

隧道穿越風積沙地層施工難度大，且相關研究成果較少，支護手段單一，施工成本較高。因此，本文依托拉林鐵路嘎拉山隧道，對隧道進口段采用明挖方式，通過對比分析進口段基坑不同支護參數下的支護效果，結合風積沙的特性得到較優的支護設計參數，為風積沙隧道的設計與施工提供經驗。

1 工程概況

嘎拉山隧道位于拉薩市曲水縣、山南市貢嘎縣境內，是拉林鐵路的第一座隧道，全長4 373 m，最大埋深674 m，平均海拔3 600 m。隧道進口DK35+205—DK35+472 段位于粉砂段地層中，采用明挖方式施作隧道進口段，施作完成后再進行回填（圖1）。

圖1 DK35+300—DK35+345基坑支護設計（單位：cm）

其中DK35+300—DK35+345 段基坑最大開挖深度為21.3 m，在邊坡開挖至垂直基坑頂部平臺時采用護樁支擋（鉆孔樁）。鉆孔灌注樁直徑1.25 m，樁長20 m，間距1.4 m，材料采用C30 鋼筋混凝土，樁間采用φ500 旋噴樁進行止砂。混凝土橫向支撐截面60 cm（寬）×80 cm（高）。

2 基坑支護結構優化分析

通過建立三維仿真模型計算不同工況下支撐體系的位移及受力情況，并對其進行優化。

2.1 計算工況

結合其他工程施工經驗及現場實際施工情況，將“鉆孔灌注樁+旋噴樁”簡化成類似地下連續墻的板面結構，通過等體積強度換算方法得到圍護結構的強度。圍護結構和橫向支撐計算工況見表1。其中，工況6—工況9 是在最優圍護結構情況下計算不同橫向支撐間距。

表1 圍護結構和橫向支撐計算工況

2.2 計算參數

風積沙的物理力學指標參照地勘資料、GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》選取，見表2；支護材料的重度、彈性模量等參數按DB J08-61—97《基坑工程設計規程》、JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》選取，見表3。

表2 圍巖物理力學指標

表3 建筑材料力學指標

2.3 計算模型

采用FLAC3D有限差分通用程序建立模型。為反映實際情況，模型沿基坑橫向的寬度取基坑跨度的3.6倍，沿隧道縱向的寬度取隧道跨度的3.5倍。基坑連續墻采用彈性實體單元模擬，地層采用彈塑性實體單元模擬，橫向支撐及圍護結構均采用實體單元模擬，見圖2。

圖2 數值計算三維模型

2.4 計算結果分析

2.4.1 最優圍護結構厚度

以工況1 為例進行分析，計算結果見圖3。可知：采用0.5 m 厚的圍護結構支護后，基坑周邊最大水平位移為15.3 mm，最大豎向位移為3.1 mm；連續墻作為基坑的圍護結構，與基坑協同變形，水平、豎向最大位移與基坑相同。另外，基坑橫向支撐軸向最大壓應力為3.46 MPa，在材料容許應力（14.3 MPa）范圍內。

圖3 工況1計算結果

提取工況1—工況5的計算結果，繪制不同圍護結構厚度與其水平位移、橫向支撐最大軸向壓應力關系曲線，見圖4。可知，隨著圍護結構的厚度逐漸增加，圍護結構的水平位移及橫向支撐最大軸向壓應力逐漸減小。當圍護結構厚度為0.5 m 時，基坑最大水平位移為15.93 mm，小于GB 50497—2019《建筑基坑工程監測技術標準》要求的深基坑最大水平位移30.0 mm，橫支撐最大軸向壓應力為3.46 MPa，遠小于橫向支撐的極限抗壓強度，滿足變形及安全要求。另外，圍護結構厚度越小，橫向支撐的最大軸向壓應力越大，表明其支撐作用越明顯。

圖4 圍護結構厚度與其水平位移、橫向支撐軸向壓應力關系曲線

風積沙壓縮模量大，壓實后具有較好的穩定性和較高的強度。在基坑施工過程中，由于圍護結構為預支護結構，能夠提高基坑開挖過程中風積沙的密實度，因此在圍護結構厚度較小的情況下就能保證基坑的穩定。考慮風積沙的流動特性，施作圍護結構時應保證其相互咬合，避免出現漏沙、涌沙，因此厚度不能過小。綜合考慮，本工程風積沙地層中最優基坑圍護結構厚度為1.00～1.25 m。

2.4.2 最優橫梁間距

以工況6 為例進行分析，計算結果見圖5。可知，采用4 m 橫向支撐間距支護后，基坑周邊土體最大水平位移為10.46 mm，最大豎向位移為1.72 mm。另外，基坑橫向支撐的最大軸向壓應力為3.02 MPa，在材料應力容許范圍內。

圖5 工況6計算結果

提取工況6—工況9的計算結果，繪制不同橫向支撐間距與最大軸向壓應力、水平位移的關系曲線，見圖6。可知，隨著橫向支撐間距的逐漸增加，其最大軸向壓應力和圍護結構水平位移均線性增加。說明橫梁和圍護結構共同組成的承載體系中，當橫向支撐間距增大時，圍護結構承受了更多的變形壓力。當橫向支撐間距為7 m 時，基坑最大水平位移為13.93 mm，小于GB 50497—2019 中規定的深基坑最大水平位移30 mm，橫向支撐最大軸向壓應力為4.71 MPa，遠小于橫向支撐的極限抗壓強度，能夠保證基坑施工安全。

圖6 橫向支撐間距與圍護結構水平位移、橫支撐最大軸向壓應力曲線

合理的橫向支撐間距不僅能夠保證基坑施工安全，還能預留足夠施工空間保證后續施工進度。綜合考慮，建議最佳橫支撐間距取7 m。

3 風積沙明挖回填段圍巖壓力測試

在傳統的超淺埋隧道中，圍巖壓力可用上覆巖土體重力等效計算，即Q=γH。其中，Q為圍巖壓力；γ為土體重度；H為覆土高度。在明挖風積沙隧道中，該公式的適用性還有待考究。因此，本文采用現場測試的方法對圍巖壓力進行監測并分析測試數據，以期得到明挖風積沙隧道圍巖壓力的計算公式。

3.1 測試方案

為了測量回填過程中明挖斷面襯砌的圍巖壓力，選取4個斷面測試拱頂部位所受圍巖壓力。現場測量儀器布置見圖7。

圖7 現場測量儀器布置（單位：m）

3.2 測試結果

經試驗可知，襯砌拱頂所受圍巖壓力隨回填高度的增加而增加，當回填高度不再增加時，圍巖壓力趨于穩定。回填高度約16 m，回填風積沙重度取1.9 g∕cm3，按照Q=γH計算得到回填壓力為0.304 MPa。圍巖壓力時程曲線見圖8。可知，由于512813 測點處于仰坡的坡腳，該處出現應力集中，測得最終圍巖壓力為0.420 MPa，大于0.304 MPa。513493、513468、515483測點最終圍巖壓力分別為0.294、0.196、0.167 MPa。顯然，各測點的圍巖壓力均在γH的數值上下波動。因此，在實際應用中可采用該公式計算圍巖壓力。

圖8 圍巖壓力時程曲線

4 結論

1）考慮風積沙的流動特性，以及施工便利性、安全性和圍護結構的相互咬合效果，本工程中風積沙地層中最優基坑圍護結構厚度為1.00～1.25 m。

2）為保證基坑施工安全并預留足夠施工空間，最佳橫支撐間距取7 m。

3）在風積沙地層，可以用土體重度與覆土高度的乘積計算明挖隧道圍巖壓力。