淺埋軟弱圍巖隧道圍巖變形及施工方法探討

【中圖分類號(hào)】 U455.49

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 B

0 引言

目前，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模和數(shù)量的不斷增加，尤其是以隧道建設(shè)為代表的交通設(shè)施，施工設(shè)計(jì)水平和施工技術(shù)不斷提升，面向復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道施工方法深入研究，提出了大量高效安全的施工方法，并成功應(yīng)用于復(fù)雜區(qū)域隧道建設(shè)之中[1-2]。由于長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造作用，導(dǎo)致部分山嶺區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，部分淺埋區(qū)域隧道圍巖質(zhì)量較差且破碎，隧道開挖施工過程中極易出現(xiàn)掉塊、坍塌等工程災(zāi)害事故，對(duì)隧道施工過程中人身安全和結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重影響，嚴(yán)重影響隧道施工和工程進(jìn)度[3]。任育珍等[4]分析軟弱圍巖隧道變形特征，得到隧道開挖引起掌子面擠出位移最大，其次為拱頂豎向變形和地表沉降，因此，對(duì)于軟弱圍巖隧道施工應(yīng)制定嚴(yán)格的超前支護(hù)和預(yù)加固措施控制隧道圍巖變形；張成平等[5]通過分析物理模型試驗(yàn)結(jié)果，得到淺埋軟弱圍巖隧道破壞逐漸貫通至地表并引起地表塌陷，在隧道圍巖破壞過程中形成塌落拱，因此，為防止淺埋軟弱圍巖隧道掉塊、塌方應(yīng)采用隧道圍巖和地表共同加固。對(duì)于淺埋軟弱圍巖隧道施工方法，為減少對(duì)隧道圍巖的過度擾動(dòng)，一般需要采用分步開挖方法，主要包括臺(tái)階開挖、大側(cè)壁導(dǎo)坑和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，同時(shí)為保證隧道施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需要施作超前支護(hù)預(yù)加固措施[6-8]。為更好地保障隧道安全施工，本文建立安康隧道淺埋軟弱圍巖段數(shù)值分析模型，分析了淺埋軟弱隧道三臺(tái)階開挖圍巖變形破壞特征，并提出了三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐的改進(jìn)施工方法，分析了三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐施工方法的圍巖變形特征，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證改進(jìn)施工方法的合理性，研究結(jié)果以期為類似條件下軟弱圍巖隧道施工方法設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1淺埋軟弱圍巖隧道數(shù)值模型

安康隧道起訖里程 DK164+445-DK171+400 ，長(zhǎng)鏈45.877m ，全長(zhǎng) 7001m ，為單洞雙線隧道，最大埋深 160m ，最小埋深 2m ，隧道內(nèi)最小線間距 5m ，軌頂面以上凈空橫斷面積不小于 100m² 。安康隧道跨度約為 15.0m 、高度為12.5m ，為消除邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值模型水平方向尺寸為跨度的5倍，豎直方向?yàn)樗淼栏叨鹊?.6倍，模型尺寸為 75.0m× 45.0m×10.0m 。隧道受力主要以圍巖的自重應(yīng)力為主，埋深為 15.0m 。數(shù)值分析的邊界條件為模型底部固定，側(cè)向施加水平方向位移約束，模型頂部為自由邊界，頂面設(shè)為自由邊界（圖1）。安康隧道淺埋段圍巖質(zhì)量較差，主要為N級(jí)圍巖和V級(jí)圍巖，根據(jù)JTG/TD70－2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[9，安康隧道圍巖力學(xué)參數(shù)取值為彈性模量為1.30GPa 、泊松比為0.30、內(nèi)摩擦角為 27^° 和黏聚力為 0.2MPa 。數(shù)值分析模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，隧道圍巖視為單一、均勻、連續(xù)介質(zhì)，忽略構(gòu)造應(yīng)力作用和地下水的影響。

圖1安康隧道數(shù)值模型

2 數(shù)值分析結(jié)果

2.1未支護(hù)條件下三臺(tái)階開挖

安康隧道數(shù)值分析模型按照三臺(tái)階法開挖，豎向位移、水平收斂和圍巖塑性區(qū)結(jié)果，如圖2～圖4所示，隧道開挖后，初始應(yīng)力平衡狀態(tài)打破，導(dǎo)致圍巖向臨空面運(yùn)動(dòng)，圍巖變形主要集中于拱頂處和臺(tái)階拱腳處，下臺(tái)階開挖完成后，拱頂處豎向位移達(dá)到 18.6cm ，拱腳處水平位移為 9.5cm 。根據(jù)圍巖塑性區(qū)分布結(jié)果，隧道塑性區(qū)從臺(tái)階拱腳處發(fā)育，向拱腰深入并逐漸向地表擴(kuò)展，地表出現(xiàn)顯著裂縫。

圖2三臺(tái)階開挖圍巖豎向變形

圖3三臺(tái)階開挖圍巖水平變形

根據(jù)安康隧道數(shù)值分析結(jié)果，未支護(hù)條件下軟弱圍巖隧道采用三臺(tái)階施工方法開挖，隧道圍巖變形較大，尤其是隧道拱腰和臺(tái)階拱腳區(qū)域，同時(shí)，結(jié)合安康隧道圍巖塑性區(qū)范圍發(fā)育特征，提出了三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐的改進(jìn)三臺(tái)階施工方法。改進(jìn)施工方法對(duì)隧道重點(diǎn)破壞區(qū)域施作支護(hù)措施，主要包括拱部局部范圍內(nèi)的施作超前支護(hù)，同時(shí)，臺(tái)階拱腳處施作鎖腳錨桿，能夠有效的防止圍巖塑性區(qū)發(fā)育及擴(kuò)展。

2.2改進(jìn)三臺(tái)階施工方法

淺埋軟弱圍巖條件下，隧道開挖極易引起上覆土體的垮塌，造成嚴(yán)重的工程災(zāi)害事故。根據(jù)安康隧道三臺(tái)階開挖數(shù)值分析結(jié)果，軟弱圍巖隧道三臺(tái)階施工開挖，隧道拱頂和拱腳處圍巖變形和破壞顯著，塑性區(qū)從臺(tái)階拱腳處發(fā)育逐漸向隧道拱腰和地表發(fā)育，完全開挖后地表出現(xiàn)裂縫。因此，在隧道三臺(tái)階施工方法的基礎(chǔ)上，提出了三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐的改進(jìn)三臺(tái)階法，臨時(shí)橫撐能夠有效抑制隧道開挖邊界圍巖向臨空面的運(yùn)動(dòng)，降低圍巖的水平收斂和圍巖破壞范圍。同時(shí)，鎖腳錨桿的施加進(jìn)一步減小拱腳處圍巖破壞范圍的擴(kuò)大，保障隧道施工的正常進(jìn)行。三臺(tái)階加臨時(shí)橫撐法開挖上臺(tái)階長(zhǎng)度不超過 5.0m ，上臺(tái)階高度約 4.0m ，中臺(tái)階長(zhǎng)度不超過 4.0m ，中臺(tái)階高度約 4.0m ，下臺(tái)階高度約 2.5m ，仰拱單獨(dú)開挖。各臺(tái)階開挖后及時(shí)完成初期支護(hù)。立鋼架段中、下臺(tái)階左右錯(cuò)開開挖，錯(cuò)開距離在兩榀鋼架以上，并及時(shí)完成初期支護(hù)，中臺(tái)階開挖后應(yīng)及時(shí)施作臨時(shí)橫撐（圖5）。

三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐的施工方法主要工序包括開挖上臺(tái)階，同時(shí)每循環(huán)進(jìn)尺一次，均應(yīng)做好超前支護(hù)，防止拱頂位置處的坍塌。施作上臺(tái)階洞身結(jié)構(gòu)初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)。鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。施作臨時(shí)橫撐。上臺(tái)階施工至適當(dāng)距離后，分側(cè)開挖中臺(tái)階，拆除上臺(tái)階臨時(shí)橫撐，分側(cè)接長(zhǎng)鋼架，施作洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)，施作中臺(tái)階臨時(shí)橫撐。中臺(tái)階施工至適當(dāng)距離后，分側(cè)開挖下臺(tái)階，拆除中臺(tái)階臨時(shí)橫撐，分側(cè)接長(zhǎng)鋼架，施作洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)。

圖5三臺(tái)階加臨時(shí)橫撐施工工藝

為分析三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐改進(jìn)施工方法的合理性，建立了隧道三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐數(shù)值分析模型，由于隧道圍巖軟弱破碎等，采取小導(dǎo)管超前支護(hù)，熱軋無縫鋼花管，單根長(zhǎng)4.5m ，外徑 ?42mm ，壁厚 3.5mm ;注漿孔 ?10mm ，孔間距15cm ，梅花形布置，前端加工成錐形，尾端 30cm 不鉆孔作為止?jié){段。環(huán)向間距 40cm ，外插角 5^°～10^° 。材料力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐改進(jìn)施工方法數(shù)值分析結(jié)果，如圖2所示。根據(jù)隧道圍巖水平位移和豎向位移結(jié)果，改進(jìn)施工方法能夠更好的控制圍巖變形，上臺(tái)階、中臺(tái)階和下臺(tái)階的臺(tái)階拱腳處水平位移最大，分別為 0.93cm、1.26cm 和 1.3cm ，拱頂豎向位移最大，分別為 2.1cm?2.7cm 和 3.8cm （圖6）。

圖6臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐改進(jìn)施工方法圍巖變形特征

為分析三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐改進(jìn)施工方法，安康隧道施工斷面地表沉降拱頂下沉及周邊收斂累計(jì)變形速率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)斷面的日變化速率均小于 5.0mm/d ，水平收斂速率小于 5mm/d ，拱部下沉速率小于 5mm/d ，均為超過設(shè)定的預(yù)警值，因此可以認(rèn)為隧道三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐法施工圍巖穩(wěn)定，處于安全狀態(tài)。

3結(jié)論

本文以安康隧道淺埋軟弱圍巖隧道段為工程依托，采用數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，分析隧道三臺(tái)階施工開挖圍巖破壞區(qū)分布特征，提出了三臺(tái)階加臨時(shí)橫撐施工工藝，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證施工方法的合理性。

（1）淺埋軟弱隧道圍巖變形主要集中于拱頂處和臺(tái)階拱腳處，根據(jù)隧道圍巖塑性區(qū)分布結(jié)果，隧道塑性區(qū)從臺(tái)階拱腳處發(fā)育，向拱腰深入并逐漸向地表擴(kuò)展，局部地表出現(xiàn)顯著裂縫。

（2）結(jié)合安康隧道圍巖塑性區(qū)范圍發(fā)育特征，提出了三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐的改進(jìn)三臺(tái)階施工方法。改進(jìn)施工方法對(duì)隧道重點(diǎn)破壞區(qū)域施作支護(hù)措施，主要包括拱部局部范圍內(nèi)的施作超前支護(hù)，同時(shí)，臺(tái)階拱腳處施作鎖腳錨桿，能夠有效地防止圍巖塑性區(qū)發(fā)育及擴(kuò)展。

（3）闡述了三臺(tái)階 + 臨時(shí)橫撐的改進(jìn)三臺(tái)階施工工序，并成功應(yīng)用于安康隧道淺埋軟弱圍巖隧道段，確保了安康隧道結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定性，能夠?qū)眍愃乒こ淌┕ぬ峁┮欢ǖ膮⒖肌⒔梃b。

參考文獻(xiàn)

[1]陳湘生，徐志豪，包小華，等.中國(guó)隧道建設(shè)面臨的若干挑戰(zhàn)與技術(shù)突破[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2020，33（12）：1-14.

[2] 洪開榮，馮歡歡.中國(guó)公路隧道近10年的發(fā)展趨勢(shì)與思考[J」.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2020，33（12）：62-76.

[3] 李術(shù)才，許振浩，黃鑫，等.隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造分類、地質(zhì)判識(shí)、孕災(zāi)模式與典型案例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（5） ：1041-1069.

[4] 任育珍，杜俊，張倫華，等.淺埋軟弱圍巖隧道變形特征研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2018，55（2）：84-90+95.

[5] 張成平，韓凱航，張頂立，等.城市軟弱圍巖隧道塌方特征及演化規(guī)律試驗(yàn)研究［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（12）：2433-2442.

[6] 李鵬飛，趙勇，劉建友.隧道軟弱圍巖變形特征與控制方法[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2014，35（5）：55-61.

[7] 熊造.基于數(shù)值模擬的淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工工法對(duì)比研究[J].公路工程，2016，41（4）： 150-153+170

[8] 陳磊.軟弱圍巖地層CD法施工隧道穩(wěn)定性研究[J].公路，2022，67（12）：424-430.

[9] 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則：JTG/TD70-2010[M].人民交通出版社，2010.