前置式洞口法在西施坡隧道工程中的應用實例＊

趙 敏，崔阿能

（西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021）

由于隧道洞口的圍巖大多處于淺埋、強風化、破碎、松散的狀態(tài)，傳統(tǒng)的進洞法需要對洞口處邊仰坡進行大開挖處理，嚴重破壞了洞口處的生態(tài)環(huán)境導致圍巖的整體穩(wěn)定性，并且在后期的運營中存在安全隱患［1］.管棚法是在隧道輪廓線的外圍打上一排鋼管，并在管內(nèi)注漿以加強整體剛度，當漿液向管外擴散連成整體，形成管棚架以支撐圍巖，具有良好的安全性［2］，但在破碎地段成孔難度系數(shù)較大，造價高、工藝復雜、施工周期長.明洞進洞法［3］是先在洞口處進行削坡、洞外拉槽，再進行明洞底板灌注，洞身回填，最后襯砌支護結(jié)構.由于明洞進洞修筑了一定長度的棚洞結(jié)構，可以起到一定的安全作用，且能夠減少隧道開挖，地表覆土回填后還能夠恢復一些原生植被，在一定程度上保護了山體的穩(wěn)定.文獻［4］針對洞口處的棚洞結(jié)構做了簡要的分析，明洞進洞法施做的棚洞結(jié)構屬于臨時支護，支護強度較弱，并且明洞進洞法要先進行削坡處理，對洞口處原生植被和生態(tài)環(huán)境的破壞無法恢復到原來的狀態(tài)，在洞口處地形、地質(zhì)條件較差的情況下，容易引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災害.預支護拱法是在隧道施工前，先挖掘中央導坑（輔助隧道），從中央導坑開挖，沿著隧道的拱形斷面，用水力開挖的方式將曲線鋼管壓入土中，然后通過鋼管向土中灌漿［5］.根據(jù)文獻［6］的規(guī)范要求，這種方法能加固了地基，鋼管作為隧道的支撐體系，不需要大型的輔助措施能很好的抑制地表沉降，但對比施工工作量因素，還需要進一步的改進［7］.

因此，文中在汲取采用這些方法的施工經(jīng)驗后，在文獻［8］的研究基礎上，結(jié)合文獻［9－10］的相關技術要求，將以零開挖施工理念的前置式洞口法引用到典型的山嶺隧道工況中，研究了在洞口淺埋，圍巖松散、破碎工況下，采用前置式洞口法施工時圍巖的位移場，給出了該施工方法的仿真結(jié)果并對其進行分析.

1 西施坡隧道工程實例

1.1 工程概況

西施坡隧道位于基巖低山丘陵區(qū)地貌，穿越的地層主要為第三系泥巖、砂巖互層，屬于低應力區(qū)，是典型的山嶺隧道.隧址處植被發(fā)育茂盛，山體走向近北西－東南，隧道軸向與山脊斜交.隧道為分離式雙向四車道隧道.左線起止樁號K4＋498～K5＋053，設計縱坡為－1.5%，隧道長555m.隧道凈空間為9.75m×5.0m.左線最大埋深約87 m，洞口處最小埋深不足2m.隧道洞口處圍巖主要由碎石土以及破碎強風化泥巖、砂巖互層組成，屬于Ⅴ級圍巖.隧道兩端均有鄉(xiāng)村道路道路從隧道洞門前穿過.

1.2 施工方案與施工難點

前置式洞口法是在洞外不開挖山腳土體的情況下，采用兩側(cè)開槽逐榀施作工字鋼拱架，隨著鋼拱架的推進逐步接近山體，拱架間以縱向鋼筋連接為整體，澆筑混凝土以形成臨時村砌成洞，再進行暗挖施工.

傳統(tǒng)的施工方法是在洞口處大挖大刷，當暗洞施工一定距離后再施工明洞.與此相比，前置式洞口法是在進行暗洞施工以前先形成臨時村砌作為開挖邊仰坡的防護措施，可保全洞口山坡以及原生植被免遭破換，大大減少洞口仰坡開挖及防護工程量，是保證仰坡穩(wěn)定較為理想的辦法.西施坡隧道屬于上下行分離式設置的隧道，該法可以保護單個洞口的植被，還可以避免兩洞間土埂的開挖，這既可保護兩洞間土埂上的原生植被又可以借助土埂維持兩洞山體的穩(wěn)定.

由于隧道進口處地形較陡，山體斜向西，坡角約45°，巖性為破殘積土和強風化砂巖、泥巖互層，破殘積土疏松雜亂，大部分基巖裸露，坡體風化強烈，巖石產(chǎn)狀約為180°∠20°，有明顯的塑性流動變形和擠壓破換，巖體穩(wěn)定性不足.為確保隧道安全，進行清理洞頂上部破殘積土，適當加長明洞.

1.3 支護、村砌參數(shù)、開挖參數(shù)

洞口超前支護采用?108mm超前大管棚，環(huán)距40cm；20a＠750mm工字鋼拱架。洞口加強段初期支護噴射260mm的C20混凝土，?6.5mm＠150mm×150mm鋼筋網(wǎng)，L3.5M＠800mm×750mm隧道系統(tǒng)錨桿；二次村砌噴射500mm的C30混凝土.邊仰坡施工自上而下隨挖隨噴分層進行，仰坡設置?22mm砂漿錨桿，錨桿長度350 mm，間距120mm×120mm梅花型布置；并掛鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑?6mm，網(wǎng)格間距200mm×200 mm；噴射混凝土強度等級C20，厚度100mm.邊坡設置?22mm砂漿錨桿，錨桿長度350mm，間距150mm×150mm梅花布置；并掛鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑?6mm，網(wǎng)格間距200mm×200mm；噴射混凝土強度等級C20，厚度100mm.

在洞外，截水天溝距邊仰坡開挖邊緣不小于5 m，溝底至襯砌拱頂外緣的高度不小于1.0m.在洞內(nèi)，由于洞口處為土質(zhì)巖體和松軟破碎的石質(zhì)巖體，原則上進入暗洞前5～8m范圍內(nèi)是禁止爆破施工的.洞口開挖采用的是兩臺階法，挖深較小段采用人工風鎬開挖，以減少對邊坡的擾動；挖深較大段配合挖掘機采取2m臺階逐層開挖施工.

2 數(shù)值分析模型

采用有限元分析軟件3D－Sigma進行數(shù)值模擬.采用六面體8節(jié)點等參數(shù)單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元，鋼拱架的作用可采用等效的方法來考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴混凝土.在進行彈性材料模型進行計算時，圍巖采用體單元，錨桿采用桿單元，型鋼采用梁單元，噴射混凝土襯砌采用殼單元.建模時，為確保計算精度，共分19731個單元，72134個節(jié)點，靠近隧道區(qū)域網(wǎng)格較密，遠離隧道處網(wǎng)格劃分較稀疏.

表1 材料力學參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of materials

2.1 模擬范圍的確定及邊界條件

X軸即水平范圍：以隧道中心軸線向外各延伸40m，總的水平計算范圍為137m；Y軸即隧道縱向范圍：自支護起點向洞內(nèi)延伸50m；Z軸即豎向范圍：以隧道中心水平軸為界上下各延伸40m.地表表層土厚約2m，往下是厚約5m的強風化灰?guī)r，再往下是弱風化灰?guī)r.洞口處一襯混凝土厚度30cm，二村混凝土厚度50cm，洞內(nèi)和施工槽分別采用15cm和20cm厚噴錨支護.

邊界條件：模型的X方向，左右邊界有橫向約束，Y方向只有朝洞內(nèi)的縱向約束，Z方向只有朝地面以下的豎直方向約束.

2.2 施工步驟和計算工況

按照實際施工過程的各階段先后順序進行模擬，共12個施工步驟：①自重應力場計算；②左洞開挖施工槽；③邊仰坡錨噴支護；④前置支護施工；⑤洞口回填；⑥前置支護內(nèi)開挖；⑦～?，暗洞內(nèi)開挖、支護循環(huán)施工，暗洞共施工8m.網(wǎng)格劃分與前置支護結(jié)構如圖1～2所示.

圖2 前置支護模型Fig.2 The pre－support model

2.3 計算結(jié)果與分析

2.3.1 拱 頂

計算結(jié)果如圖3～4所示，在拱頂處出現(xiàn)最大值，由拱頂朝兩側(cè)逐漸減小.由于結(jié)構自重影響，當前置支護施作完成時支護邊緣處的沉降約2cm，暗洞拱頂沉降最大值約8.4mm，前置支護外端最大值為1.96cm，說明前置支護拱頂沉降受暗洞施工影響很小.外端拱頂沉降比前置支護與暗洞交界處拱頂沉降值大很多，說明前置支護結(jié)構承載水平荷載的作用很明顯，為確保安前置全支護結(jié)構施作完應盡快進行回填.

2.3.2 水平方向

如圖5所示，洞口施工槽兩側(cè)水平向位移不超過5mm，洞口施工槽開挖仰坡處縱向位移最大約3mm，說明支護結(jié)構及兩洞間土體對洞口處山體有明顯的支撐作用，確保了洞口處仰坡的穩(wěn)定性.

2.3.3 周邊收斂

如圖6所示，前置支護與暗洞交界處拱腰收斂相對于邊墻收斂值稍大，最大值不超過1.3mm，暗洞開始施工時收斂較明顯.說明前置支護與暗洞交界處周邊收斂位移受其附近圍巖開挖施工影響較大，位移量受后續(xù)施工影響逐步減小，暗洞施工6m時，周邊收斂位移趨于穩(wěn)定.

圖3 洞口第一斷面開挖豎向位移圖Fig.3 The vertical displacement diagram of first section of excavation

圖4 暗洞拱頂豎向位移變化過程Fig.4 The vertical displacement of dark vault

圖5 洞口第一斷面水平位移圖Fig.5 The horizontal displacement diagram of first section of excavation

3 隧道洞口處施工監(jiān)測

圖6 周邊收斂位移隨施工過程變化Fig.6 The peripheral convergence displacement changed with the construction process

通過地表下沉、周邊收斂、拱頂下沉等變形監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的塌方、失穩(wěn)、冒頂、大變形等安全事故及時預測及預警，以便及時采取應對措施，防患于未然；通過施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，完善施工方案、優(yōu)化支護參數(shù)和合理預留變形量，實現(xiàn)隧道信息化施工，以保證施工安全和隧道的長期穩(wěn)定.

由圖像時態(tài)曲線整體分析得出，地表下沉變形速率、周邊收斂變形速率逐步變緩并趨于回歸，且符合《公路隧道施工技術規(guī)范》（JTG F60－2009）中對最大位移變形的要求.由于入口左洞月初尚處于洞口淺埋段施工，變形量相對較大，隨著工程的不斷推進，對圍巖擾動也相對變小，地表下沉、拱頂下沉和周邊收斂總體變形量趨于穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出收斂趨勢.從整個進洞階段位移變化圖中可知，圍巖整體穩(wěn)定較好，并未出現(xiàn)變形過大導致失穩(wěn)的現(xiàn)象，驗證了支護方式的合理性、施工參數(shù)的有效性和施工方案的可行性.

1）洞口段地表第一斷面（離洞口20m）沉降56d的監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比如圖7所示.整體上，監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，地表沉降都控制在安全、較為合理范圍之內(nèi).地表沉降值都是在隧道拱頂處較大朝兩邊逐漸減小的分布形式，沉降變形主要集中在拱頂處10m的范圍內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果顯示左洞口里程樁號ZK5＋033處地表變形沉降槽中的最大穩(wěn)定值為25.01mm，而模擬結(jié)果為26.56mm；由于洞口施工期間連續(xù)降雨的影響，監(jiān)測得到遠離拱頂部的地表沉降值略大于模擬結(jié)果，拱頂最大沉降量相差1mm.在監(jiān)控量測過程中發(fā)現(xiàn)地表沉降主要發(fā)生在上臺階開挖的過程中，所以要減少地表沉降應采取超前支護，同時及時加強初期支護.

圖7 入口左洞第一斷面ZK5＋033地表累計下沉曲線對比圖Fig.7 The surface accumulated subsidence curves of first section（ZK5＋033）of left tunnel entrance

2）洞口淺埋段第一斷面（距離洞口12m）拱頂下沉35d的觀測結(jié)果如圖8所示.左洞口典型斷面ZK5＋041和斷面ZK5＋033拱頂下沉變化曲線總體上呈“廠”型，在監(jiān)測的前10天3個測點變化都比較大，但隨著圍巖繼續(xù)加固，3個測點的拱頂下沉變化都得到有效的控制，在監(jiān)測的第18天，3個測點拱頂下沉變化已基本穩(wěn)定，最大的變形量為34.33mm，最終最大穩(wěn)定值為34.15mm.

圖8 入口左洞第一斷面ZK5＋041拱頂下沉時態(tài)曲線圖Fig.8 The vault subsidence curves of first section（ZK5＋041）of left tunnel entrance

3）洞口淺埋段第一斷面（距離洞口12m）周邊收斂26d監(jiān)測結(jié)果如圖9所示.在初始階段圍巖周邊收斂值變化較快，是因為注漿加固圍巖的效果還不明顯，但是隨著時間的推移此處圍巖各個參數(shù)得到提高，另外鋼拱架本身受力較大拱圈下沉，但拱圈下沉到一定程度后，其承載力得到充分發(fā)揮，此時周邊收斂逐漸趨于平衡狀態(tài).由此可以說明采取的措施是有效及時的.

4 結(jié)論

對比分析實際量測與數(shù)值模擬結(jié)果，主要結(jié)論如下：

圖9 入口左洞第一斷面ZK5＋041周邊收斂變化曲線圖Fig.9 The peripheral convergence curves of first section（ZK5＋041）of left tunnel entrance

1）前置式洞口法可以顯著地減少洞口邊仰坡的開挖和有效地保護洞口原生植被，該法能較好地解決長期以來傳統(tǒng)洞口施工方法造成的各種邊仰坡病害，達到真正意義上的綠色環(huán)保.

2）數(shù)值模擬和監(jiān)測施工過程中隧道洞口處各項變形值都在安全范圍之內(nèi)，洞口施工槽兩側(cè)及仰坡處的水平向位移均不超過5mm，遠小于傳統(tǒng)施工方法的沉降值，表明前置洞口法是處理山嶺隧道洞口淺埋的有效方法，該方案的前置支護措施可以提高隧道洞口處土體的整體穩(wěn)定性.數(shù)值模擬和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，用臺階法施工時地表沉降主要發(fā)生在上臺階開挖的過程中，所以采用超前支護是減小地表下沉的有效措施.

3）前置支護與暗洞交界處拱頂沉降值遠小于外端拱頂沉降，說明前置支護結(jié)構受水平荷載的約束作用很明顯，因此前置支護結(jié)構施作后應盡快進行回填.

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