西峽隧道安全工程穩定性研究

李 慧 劉文濤

（北京信息科技大學，北京 102200）

中國西部地區山嶺環繞，復雜的地質條件和環境對隧道工程建設設計人員來說是一項挑戰。根據工業工程專業領域中安全工程的專業知識，結合目前大數據時代數值模擬的圍巖穩定性分析方法，同時根據施工過程中得到的監控測量數據對西峽隧道洞口段圍巖穩定性研究進行深入分析。

1 西峽隧道工程地質條件

隧道起點位于雙龍鎮南側的柳樹溝口附近，終點在劉莊西設雙喇叭型立交與滬陜高速連接。隧道進洞段屬于中低山丘陵地貌，地勢的起伏比較小，隧道的小里程端比較高，大里程比較低，坡面的植被很茂盛。根據區域地質資料，經過地調復核及1∶2000工程地質調繪，隧道出口離斷層較近，對隧道穩定性有一定影響，故隧址區為區域地質基本穩定區。地面標高為305.1m～378.8m，相對高差約73.7m。西峽隧道進洞段地形均為比較緩，坡角約為15°～25°，出洞段地形較陡，坡角約25°～30°。左線最大埋深74.602m，右線最大埋深78.013m。隧道凈寬為10.25m，凈高為5.0m。

2 隧道進洞段圍巖變形特征

該隧道左線西峽端洞口（樁號：ZK137+729）圍巖特征為全風化至強風化石英片巖，節理裂隙發育，碎石狀，層間結合差，穩定性極差，為Ⅴ級圍巖。

隧道右線雙龍端洞口（樁號：K137+101）圍巖特征為全風化至強風化石英片巖，節理裂隙發育，碎石狀，層間結合差，穩定性極差，定為Ⅴ級圍巖。

隧道右線西峽端洞口（樁號：K137+689）圍巖特征為全風化至強風化石英片巖，節理裂隙發育，碎石狀，層間結合差，穩定性極差，為Ⅴ級圍巖。

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB202003-2015），抗震設防烈度為7度，鑒于項目特點，建議隧道抗震設計適當提高設防標準及必要的抗震措施，地震作用應按本地區抗震設防等級確定。

在隧道區內主要出現的不良地質現象主要為山體大里程側巖體破碎帶。根據現場調查，在隧道大里程K138+200 處存在斷層構造，受斷層地質作用影響，出口端巖體破碎，對隧道的穩定性存在不良影響。

3 隧道安全工程加固

3.1 隧道安全工程加固措施選擇

西峽地區高速隧道進洞段埋深淺，圍巖狀態比較破碎，易風化。應選擇適合其工程地質條件的加固方案對其進行加固?；趯匪淼拦こ痰某Ｓ脟鷰r加固措施的分析，位于雙西高速的隧道進洞口的圍巖支護方法是進行管棚支護加固。超前大管棚支護長度為洞口端30m范圍，管棚施工工藝流程（圖1）：首先，在進行施工前準備物料，提前進行測量放樣。管棚的鉆孔工作要在隧道洞口的護拱混凝土的強度達到可以施加管棚支護加固的要求后進行。隧道洞口的開挖面邊線與管棚的中心位置的距離約為40cm，管棚鋼管是熱軋無縫鋼管，鋼管的外徑為108mm，鋼管壁厚度為6mm，長度有3m和6m兩種。環向上，鋼管之間的距離設置為0.4m，鋼管的仰角為1°～2°（不包括線路縱坡），鋼管仰角方向與隧道線路的中線平行，安插鋼管的施工誤差徑向控制小于20cm。在隧道的縱方向上，同一斷面內的管棚接頭數要小于1/2，相鄰的鋼導管之間的接頭要互相錯開至少1m。鋼管接頭是絲扣相連接的，絲扣的長度為15cm。相鄰的鉆孔如果相連，會造成坍塌，所以成孔質量是需要嚴格控制的，鉆孔工作應該奇數孔和偶數孔間隔進行。先鉆奇數孔，后鉆偶數孔，成孔直徑為127mm，這個成孔尺寸有利于安裝φ108×6mm的鋼導管。奇數孔成孔后應該及時安裝有孔的鋼導管，向鋼導管孔內注入水泥漿。偶數孔鉆成后立即安裝無孔的鋼花管，控制偶數孔的形狀，防止塌孔。隧道管棚加固施工過程中，無論是奇數孔還是偶數孔，每鉆完一個孔就要立即用無孔鋼管支撐。鉆一孔、注一孔，漿液擴散半徑不小于0.5m，注漿壓力為0.5MPa～1.0MPa。注漿的同時要實時監測地表發生的位移變化，一旦地表變形量過大要分析原因，然后采取針對性的控制措施。

圖1 隧道左線進洞段管棚施工工藝流程圖

3.2 隧道左線進洞段施工注意事項

洞口管棚加固施工前注意檢查管棚鉆機和注漿機的性能，鉆機位置與鉆孔口的距離不能大于4 m。

注漿前要先檢查注漿設備的注漿效果。管棚注漿的原則為“從上往下、跳孔注漿”。注漿漿液按水灰比為1∶1制作水泥漿。鉆一孔、注一孔，漿液擴散半徑不小于0.5m，注漿壓力為0.5MPa～1.0MPa。注漿的同時要實時監測地表發生的位移變化，一旦地表變形量過大要分析原因，然后采取針對性的控制措施，如停止注漿，限制注漿壓力與泵量，或調整水泥漿液的混合比例等。

嚴格掌握注漿結束的標準：達到設計要求的注漿量或注漿壓力達到2 MPa，注漿時間大于10 min。

隧道開挖后，對掌子面進行加固也是非常必要的。噴射混凝土就能很好地起到保護掌子面不被風化的作用，加固隧道圍巖的整體穩定性。

4 隧道安全工程數值模擬與施工監測數據分析

4.1 隧道安全工程有限元數值模擬

有限單元法是將復雜的工程問題拆分為一個又一個的單元體分析實際工程中的受力問題，模擬現實中巖土體的實際情況。

高速公路隧道工程比較常用的數值模擬軟件有MIDAS、FLAC 3D以及ABAQUS等，每種類型的有限元軟件都有其優點及缺點，適用范圍不同，不同的隧道工程項目選用合適的軟件，該文采用的就是ABAQUS有限元數值模擬軟件對西峽隧道進洞段圍巖加固情況進行模擬分析。計算參數如下。根據現場Ⅴ級圍巖的標準，開挖初期襯砌采用C30模筑防水混凝土，厚度為60cm。隧道上表面距離地表的距離為20m，隧道模型的邊界尺寸取隧道半徑為6m。這里取長60m，寬60m的正方形二維模型。根據工地勘察數據，寨子溝隧道左線雙龍段洞口圍巖為全風化至強風化石英片巖，節理裂隙發育，碎石狀，層間結合差，穩定性極差，圍巖等級為Ⅴ級，彈性模量為200MPa，泊松比為0.2。在數值模擬過程中，采用以下材料參數，得到位移矢量圖（圖2），隧道在進行開挖施工前的狀態是受重力并處于相對平衡的狀態，由于開挖施工打破了這一平衡狀態，因此會引起隧道的變形，變形到隧道達到新的平衡狀態。在進行模擬隧道開挖前，先進行地層的地應力平衡計算。首先計算模型僅在自重荷載作用下的圍巖應力，并將圍巖應力加入模型，作為初始應力，再按照施工工序進行隧道開挖。

計算參數如下。根據現場Ⅴ級圍巖的標準，開挖初期襯砌采用C30模筑防水混凝土，厚度為60cm。在數值模擬過程中，采用以下材料參數，見表1。

表1 材料參數表

由圖2分析可得，觀察隧道的上方部位水平方向上的位移為0，而越接近隧道的兩側，水平方向上的位移就越大，達到隧道的峰值后，水平方向上的位移越來越小。隧道頂部的豎直方向上的位移（沉降量）是最大的，越向隧道的兩邊，豎直方向上的位移（沉降量）越小。隧道上方發生沉降，隧道底部回彈。這是因為隧道土體的變形引起掌子面底部的部分土體受到拉應力的作用，位于隧道中間部分的土體則會受到圍巖的壓應力作用。

圖2 總位移矢量圖

4.2 隧道安全工程施工監測布置

對西峽地區雙西高速的隧道有左線和右線2條線路，4個洞口，分別是左線雙龍端洞口（樁號：ZK137+092）；左線西峽端洞口（樁號：ZK137+729）；右線雙龍端洞口（樁號：K137+101）；右線西峽端洞口（樁號：ZK137+689）對寨子溝隧道進洞段的拱頂沉降及圍巖變形特征的進行監測。監測由點到線再到面展開，寨子溝隧道左線全長637m，起始樁號為雙龍端的ZK137+092，終止樁號為西峽端的ZK137+729，隧道右線全長588 m，起始樁號為雙龍端的K137+101，終止樁號為西峽端的K137+689，每隔1m有一樁，每個樁號所在的橫截面為1個監測面，每個監測面上都有拱頂沉降監測和2條測線監測圍巖的變形程度。拱頂沉降的監測點貼反光片，使用全站儀觀測監測點的高程，讀取高程差。測線上觀察測線2點之間的距離，判斷圍巖的變形程度。其中選取左線西峽端洞口的具體監測數據進行詳細分析。

4.3 隧道安全工程施工監測結果分析

從圖3中可知，前一個星期的A測線累計位移值由10月31日2 mm左右變化到11月6日的10 mm左右，累計位移值變化很大，11月中旬后周邊收斂位移值的變化不再那么劇烈，到一月兩個月的時間累計位移值的變化量為5 mm左右。從A測線周邊位移這條曲線中可以看出曲線的斜率在變小，這個曲線斜率代表隧道周邊位移的變化速率，說明周邊位移的變化是放緩的。

圖3 隧道左線ZK137+729斷面A測線周邊位移時態曲線圖

從圖4中可以看出，隧道左線ZK137+729斷面的B測線累計位移值從12月開始測量，前七天的累計位移值變化非常明顯，新布的測點剛開始變化量會比較大。12月11日后周邊收斂位移值的變化就不再那么劇烈，位移值變化在1 mm左右，從B測線周邊位移這條曲線中可以看出曲線的斜率在變小，這個曲線斜率代表隧道周邊位移的變化速率，說明周邊位移的變化是放緩的，而且在后來的周邊位移的監控量測中位移變化曲線的斜率趨于零，相對穩定。

圖4 左線ZK137+729斷面B測線周邊位移時態曲線圖

5 結論

該文以西峽隧道進洞段的實地地質概況為工程背景，采用ABAQUS有限元分析模擬軟件進行建模，對隧道進洞段的開挖進程和圍巖支護措施進行數值模擬分析，給出隧道進洞段圍巖支護的合適方案。

詳細介紹了隧道左線進洞段管棚施工工藝流程及施工注意事項。簡述隧道安全工程施工監測布置方案，對監測得到的結果進行位移時態分析。

對隧道施工現場進行監控量測實現現代數字化信息化施工，為開挖方法的選擇提供數據支持，保障現場施工安全，防止不良事故的發生，可以節約工程投資。