淺埋偏壓雙線公路隧道變形特性和施工優(yōu)化研究

劉之江

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司 上海 200433

山嶺隧道往往會(huì)穿越斜坡地段，這時(shí)就不可避免地形成偏壓隧道。同時(shí)，洞口段由于巖體風(fēng)化程度較高，并且埋深往往較淺，在施工中容易發(fā)生變形過大甚至變形超限的現(xiàn)象。因此，大斷面淺埋偏壓隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)較大，控制圍巖變形、防止塌方是這類隧道的共同難題。

國內(nèi)外專家及學(xué)者對淺埋偏壓隧道開展了一些研究。謝小魚[1]對淺埋偏壓隧道圍巖松動(dòng)圈的影響因素進(jìn)行分析，認(rèn)為含水量、隧道埋深和斜坡坡度對圍巖中的松動(dòng)圈存在較大影響。雷軍[2]分析了大斷面雙線淺埋偏壓隧道變形較大的原因，并提出設(shè)置臨時(shí)仰拱或橫撐、雙層拱架支護(hù)等方法可以對洞內(nèi)變形進(jìn)行有效控制。張秀田[3]對不同淺埋偏壓雙連拱隧道的施工方案以及施工工序進(jìn)行了研究，并提出偏壓段隧道施工過程中的支護(hù)方法和巖體加固措施。羅德等[4]以成貴鐵路廖家坡隧道為例，對該工程出洞段的施工技術(shù)進(jìn)行介紹，為類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)。王薇等[5]對采用核心土法和臺階法的偏壓雙線隧道施工順序?qū)Φ乇磉吰鲁两岛椭袔r柱的應(yīng)力變化進(jìn)行了研究，得出先施工淺埋隧道有利于控制地表沉降，保證中巖柱穩(wěn)定的結(jié)論。蔡驍[6]對不同施工工法所引起的淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖應(yīng)力與變形、中巖柱應(yīng)力與變形規(guī)律進(jìn)行了對比和分析。褚衍玉等[7]研究了淺埋偏壓隧道兩洞室不同掌子面距離對圍巖應(yīng)力分布的影響，認(rèn)為間距大于40 m更有利于圍巖穩(wěn)定。滕俊洋等[8]采用理論分析的方法，推導(dǎo)出了不同斜坡坡度下淺埋偏壓隧道圍巖壓力的分布公式，得出隧道拱腰處容易發(fā)生剪切破壞的結(jié)論。

綜上所述，針對淺埋偏壓大斷面隧道洞口段施工中的圍巖變形特性以及對雙線隧道中深埋側(cè)與淺埋側(cè)隧道施工順序的優(yōu)化研究還較少。但此類工程存在的安全隱患較大，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。因此，本文基于大風(fēng)埡口隧道洞口段淺埋偏壓雙線隧道，對采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法＋中隔壁法施工后的圍巖變形特性進(jìn)行研究，并對不同施工順序進(jìn)行對比分析，提出優(yōu)化后的施工順序。

1 工程概況

大風(fēng)埡口隧道是設(shè)計(jì)速度為80 km/h的上、下行分離的六車道高速公路隧道。隧道左洞里程ZK101＋445～ZK104＋375，長2 950 m；右洞里程YK101＋450～YK104＋395，長2 945 m。大風(fēng)埡口隧道位于云貴高原，在低山單面穿越，穿越低山部分的隧道上方為含碎石粉質(zhì)黏土覆蓋層。

大風(fēng)埡口隧道進(jìn)口段為淺埋偏壓雙線小凈距隧道，左線隧道（下稱深埋側(cè)隧道）對應(yīng)里程標(biāo)號ZK101＋445～ZK101＋460，右線隧道（下稱淺埋側(cè)隧道）對應(yīng)里程標(biāo)號 YK101＋450～YK101＋465。根據(jù)地勘報(bào)告，該段地質(zhì)條件為一般-較差，進(jìn)洞口附近覆蓋層厚度為7.0～12.5 m，洞口外側(cè)全風(fēng)化巖層厚度大，圍巖為Ⅴ級。雙線隧道存在部分偏壓，其深埋側(cè)隧道上方地面坡度為20°，淺埋側(cè)隧道地層近似水平。根據(jù)大風(fēng)埡口隧道設(shè)計(jì)圖，隧道洞室寬17.44 m，隧道高10.55 m，典型斷面的隧道橫截面情況如圖1所示。

圖1 大風(fēng)埡口隧道雙線隧道截面

2 淺埋偏壓雙線隧道施工優(yōu)化

2.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)大風(fēng)埡口隧道設(shè)計(jì)圖和相關(guān)勘探資料，隧道洞口處Ⅴ級圍巖對應(yīng)的淺埋偏壓隧道段長約24 m。左洞隧道地表為一斜坡，坡度約為20°。為分析隧道施工過程中的圍巖變形特性并以此對施工過程進(jìn)行優(yōu)化，利用FLAC3D有限差分軟件建立大風(fēng)埡口隧道洞口段的計(jì)算分析模型。其中，深埋側(cè)隧道拱頂對應(yīng)埋深14.3 m，淺埋側(cè)隧道拱頂對應(yīng)埋深9.8 m，兩側(cè)隧道洞室凈距為10.0 m，縱向長度取24.0 m，不考慮縱向的地形坡度變化。為減少邊界效應(yīng)的影響，模型左邊界距離深埋側(cè)隧道30 m，右邊界距離淺埋側(cè)隧道30 m，模型底部距隧道底部40 m。數(shù)值計(jì)算模型嚴(yán)格按照大風(fēng)埡口隧道地質(zhì)勘探報(bào)告和相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙建立，模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

隧道支護(hù)采用超前支護(hù)＋初期支護(hù)＋二次襯砌的支護(hù)體系。初支采用厚28 cm的C20噴射混凝土、雙層E6鋼筋焊接網(wǎng)（15cm ×15cm）和縱向間距50 cm的22b#工字型鋼拱架。二襯采用厚60 cm的后模筑鋼筋混凝土。錨桿體系采用長4.5 m的φ25 mm先錨后灌式注漿錨桿，錨桿呈梅花形布置，縱向間距50 cm，橫向間距100 cm；中巖柱處采用長6.0 m的φ42 mm注漿錨桿，縱向與橫向間距不變。

2.2 模型參數(shù)確定

本計(jì)算模型巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，初期支護(hù)采用shell單元模擬，二襯采用變參數(shù)的shell單元模擬，開挖部分采用null單元模擬，超前支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和超前管棚采用式（1）的等效剛度進(jìn)行換算考慮。

式中：E——折算后的支護(hù)彈性模量；

E0——支護(hù)初始彈性模量；

Eg——加強(qiáng)材料的彈性模量；

A0——支護(hù)的截面面積；

Ag——加強(qiáng)材料的截面面積。

巖體和支護(hù)的力學(xué)參數(shù)根據(jù)JTG D70—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和大風(fēng)埡口隧道勘察報(bào)告進(jìn)行取值，各單元參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型中相關(guān)力學(xué)參數(shù)

2.3 雙線隧道施工優(yōu)化研究

大風(fēng)埡口隧道洞口段雙線隧道具有圍巖軟弱破碎、埋深淺、偏壓等特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，深埋側(cè)隧道擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，淺埋側(cè)隧道擬采用中隔壁法進(jìn)行雙線隧道的施工。但由于工程環(huán)境的特殊性，對深埋側(cè)和淺埋側(cè)隧道施工采用不同的施工順序，勢必會(huì)對圍巖的最終變形以及支護(hù)受力產(chǎn)生影響。因此，對先深埋側(cè)、后淺埋側(cè)和先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)這2種不同的隧道施工順序，從圍巖變形和支護(hù)受力2個(gè)角度進(jìn)行對比分析，以期得出合理的淺埋偏壓雙線隧道施工順序。

2.3.1 圍巖變形

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，淺埋隧道的圍巖變形量較大，施工過程中對隧道周邊的圍巖變形量進(jìn)行控制是施工中的難點(diǎn)。

為更好地認(rèn)識淺埋偏壓雙線隧道施工過程中圍巖的變形規(guī)律，并對不同施工順序下的圍巖變形情況進(jìn)行對比，在數(shù)值計(jì)算過程中，選取2個(gè)隧道的拱頂下沉、仰拱隆起和邊墻收斂共計(jì)6個(gè)監(jiān)測量進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測。不同施工順序下，各監(jiān)測點(diǎn)的變形量如表2所示。

表2 不同施工順序圍巖關(guān)鍵監(jiān)測變形量單位：mm

由表2可知，不同的施工順序下，深埋側(cè)隧道的拱頂下沉和仰拱隆起量均大于淺埋側(cè)隧道，而深埋側(cè)隧道的邊墻收斂量要明顯小于淺埋側(cè)隧道。對于深埋側(cè)隧道而言，雖然采用先深埋側(cè)、后淺埋側(cè)以及先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)的施工順序?qū)ζ浔O(jiān)測的圍巖變形量的控制效果存在差異，但差距并不明顯。然而，采用先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)的雙線隧道施工順序?qū)\埋側(cè)隧道監(jiān)測的圍巖變形量均小于采用先深埋側(cè)、后淺埋側(cè)的施工順序?qū)?yīng)的變形量，這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對淺埋側(cè)隧道拱頂下沉和邊墻收斂的控制效果上。采用先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)的雙線隧道施工順序比另一種順序能分別減少拱頂下沉量和邊墻收斂量18.0%和25.1%。

綜上所述，采用先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)的雙線隧道施工順序能更好地控制隧道周邊的圍巖變形，但在施工過程中應(yīng)特別注意對兩側(cè)隧道拱頂和淺埋側(cè)隧道邊墻收斂的監(jiān)測。

2.3.2 支護(hù)受力

在大風(fēng)埡口隧道洞口段淺埋偏壓雙線隧道工程施工中，為防止后掘隧道爆破對先掘隧道二次襯砌施工產(chǎn)生影響，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二次襯砌施作應(yīng)當(dāng)與掌子面相距50 m。因此，前期隧道主要是依靠初支支護(hù)圍巖。2種不同施工順序?qū)?yīng)的初支結(jié)構(gòu)和錨桿內(nèi)力情況如表3所示。

表3 不同施工順序支護(hù)內(nèi)力

在隧道結(jié)構(gòu)施工完成后，各錨桿均處于受拉狀態(tài)。由表3可知，2種不同施工順序下的錨桿最大軸力均沒有超過150 kN，且初支噴射混凝土所受的最大拉應(yīng)力差距不大，均小于0.2 MPa。而采用先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)的施工順序時(shí)，初支噴射混凝土所受到的最大壓應(yīng)力為3.798 MPa，比采用先深埋側(cè)、后淺埋側(cè)順序時(shí)的初支噴射混凝土最大壓應(yīng)力小19.6%。

因此，綜合對比考慮2種不同施工順序?qū)鷰r變形和支護(hù)受力的影響，建議采用先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)的施工順序進(jìn)行淺埋偏壓雙線隧道的施工。

2.4 現(xiàn)場監(jiān)測對比

本計(jì)算模型分析的工程對應(yīng)大風(fēng)埡口隧道洞口段小凈距淺埋偏壓雙線隧道里程標(biāo)號為ZK101＋445～ZK101＋460及YK101＋450～YK101＋465。對隧道周邊圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測是該段工程施工的重點(diǎn)。結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，本文選擇ZK101＋450、YK101＋450（下稱斷面1），ZK101＋455、YK101＋455（下稱斷面2）和ZK101＋460、YK101＋460（下稱斷面3）這3個(gè)斷面處的拱頂下沉和水平收斂量與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對分析，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 深埋側(cè)隧道現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計(jì)算對比

圖4 淺埋側(cè)隧道現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計(jì)算對比

由圖3和圖4可知，3個(gè)斷面的變形約35 d后趨于穩(wěn)定，且斷面1的監(jiān)測變形量要大于斷面2和斷面3。這是因?yàn)?個(gè)監(jiān)測斷面處隧道的實(shí)際埋深由于縱向坡度的存在而不同，而在模擬計(jì)算建模中，僅考慮了橫向坡度的變化，未考慮縱向坡度的變化，且計(jì)算模型所選取的隧道埋深更接近于斷面2、斷面3對應(yīng)的埋深，因此計(jì)算結(jié)果與斷面2、斷面3的監(jiān)測數(shù)據(jù)更為吻合。

由現(xiàn)場監(jiān)測斷面最終變形量（表4）可見，深埋側(cè)隧道的拱頂下沉量均明顯大于淺埋側(cè)隧道，但其邊墻收斂量要小于淺埋側(cè)隧道。監(jiān)測結(jié)果反映的最終變形量與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。

表4 現(xiàn)場監(jiān)測斷面最終變形量單位：mm

3 淺埋偏壓隧道施工與加固技術(shù)

針對大風(fēng)埡口隧道洞口段特殊的工程條件以及數(shù)值計(jì)算反映的圍巖變形規(guī)律和支護(hù)內(nèi)力結(jié)果，擬采用如下措施保證洞口段淺埋偏壓雙線隧道的施工安全。后期施工監(jiān)測結(jié)果表明，采取相應(yīng)措施后，大風(fēng)埡口隧道洞口段淺埋偏壓雙線隧道的圍巖變形能得到有效控制。

3.1 施工方案

針對大風(fēng)埡口隧道洞口段淺埋偏壓雙線隧道工程處巖體等級差、風(fēng)化程度較高等現(xiàn)狀，提出深埋側(cè)隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑、拱部預(yù)留核心土弧形開挖工法，埋深較淺側(cè)采用中隔壁法進(jìn)行施工。隧道施工時(shí)，先掘進(jìn)洞超前后掘進(jìn)洞不小于50 m，后掘進(jìn)洞開挖掌子面必須在先掘進(jìn)洞仰拱施工完成后進(jìn)行。開挖時(shí)為了避免對周邊圍巖的擾動(dòng)，每循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)當(dāng)控制在0.5～1.0 m。先、后進(jìn)洞室內(nèi)的中隔壁應(yīng)當(dāng)在初期支護(hù)變形穩(wěn)定后才可進(jìn)行拆除，單次拆除長度應(yīng)當(dāng)小于5 m，并采用交錯(cuò)拆除的方式。

3.2 爆破控制

在洞口段軟弱圍巖中進(jìn)行隧道施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證圍巖穩(wěn)定，無大規(guī)模剝落或坍塌；圍巖的擾動(dòng)深度小于1 m；距離掌子面1倍洞徑處的拱頂質(zhì)點(diǎn)垂直向振動(dòng)速度小于 3 m/s。先掘進(jìn)洞和后掘進(jìn)洞襯砌處的振動(dòng)速度應(yīng)當(dāng)控制在15 cm/s之內(nèi)。爆破中必須采用微差控制爆破技術(shù)，各段起爆時(shí)間根據(jù)振動(dòng)測試確定，以大于200 ms為宜。

3.3 超前管棚支護(hù)

在大風(fēng)埡口隧道進(jìn)口Ⅴ級圍巖段，采用超前長管棚進(jìn)行支護(hù)。長管棚采用長度40 m、外徑108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管環(huán)向間距40 cm，縱向外插角2°，并配合混凝土套拱施工，同時(shí)對圍巖進(jìn)行注漿加固，保證大風(fēng)埡口隧道進(jìn)洞段的施工安全。

3.4 中巖柱與拱腰加固技術(shù)

雙線隧道中部采用長6 m的φ42 mm×4 mm徑向注漿小導(dǎo)管，其縱向間距0.5 m，橫向間距1.0 m，對隧道邊墻和拱腰處約51°范圍進(jìn)行支護(hù)并進(jìn)行注漿加固。

4 結(jié)語

1）淺埋偏壓雙線隧道施工中，深埋側(cè)隧道的拱頂沉降和仰拱隆起量大于淺埋側(cè)隧道，而邊墻收斂量小于淺埋側(cè)隧道，在隧道施工中應(yīng)當(dāng)對兩側(cè)隧道不同的變形特征進(jìn)行針對性的監(jiān)控。

2）相比先深埋側(cè)、后淺埋側(cè)的順序，采用先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)的順序進(jìn)行淺埋偏壓雙線隧道施工，對控制雙線隧道的變形更為有效，能分別減少淺埋側(cè)隧道的拱頂下沉量和水平收斂量約18.0%和25.1%，減少初期噴射混凝土結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力19.6%。因此，采用先淺埋側(cè)、后深埋側(cè)的淺埋偏壓雙線隧道施工順序更有利于控制隧道周邊圍巖變形和促進(jìn)隧道穩(wěn)定。

3）大風(fēng)埡口隧道洞口段淺埋偏壓雙線隧道深埋側(cè)隧道施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、淺埋側(cè)隧道施工采用中隔壁法，在超前管棚支護(hù)下采用微差控制爆破技術(shù)，并加強(qiáng)兩側(cè)洞室拱腰和邊墻處的支護(hù)?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，該工法能夠保證淺埋偏壓雙線隧道的順利施工，可供類似工程參考。