深圳LNG工藝隧道出洞安全性分析

【摘 要】隧道出洞是隧道施工工況最復(fù)雜、質(zhì)量及安全隱患最多的地段之一。合理選擇出洞方案及輔助措施能有效地保證出洞安全，并大大降低工程費(fèi)用。深圳LNG工藝隧道出洞存在諸多風(fēng)險(xiǎn)，本文采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)影響出洞安全的因素及采取的措施進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，錨固技術(shù)是處理巖質(zhì)邊坡的有效措施；減少施工擾動(dòng)、加強(qiáng)支護(hù)是保證隧道出洞安全的關(guān)鍵；小導(dǎo)洞施工符合力學(xué)原理，優(yōu)勢明顯，是安全有效的出洞方式。

【關(guān)鍵詞】隧道出洞；邊坡穩(wěn)定性；下穿公路；小導(dǎo)洞；數(shù)值模擬

【Abstract】Tunnel unkennel construction have most complex conditions， maximum quality and safety problems. Reasonable tunnel construction scheme and complementary measures can effectively guarantee the safety of its hole， and greatly reduce the cost of the project. There are many risks in Shenzhen LNG technology tunnel hole construction. In this paper， the method of numerical is used to calculate the factors affecting the safety of the hole and measures ， The results showed that anchoring technique is an effective measure of dealing with rock slope； reduce construction disturbance ， reinforced support is key to ensuring the safety of the tunnel hole； small guide hole construction in line with the principles of mechanics， have obvious advantages ， is a safe and effective way out of the hole .

【Key words】tunnel unkennel construction； slope stability； beneath the road； small guide hole； Numerical Simulation.

一、引言

卸料管線是LNG接收站非常重要的組成部分，受環(huán)境、地形等條件的限制，經(jīng)常將管線至于隧道中來穿越海洋、山嶺等[1，2]。由于LNG工藝隧道功能要求，隧道斷面尺寸通常較大，且斷面形式也與常規(guī)山嶺隧道有較大不同。深圳LNG工藝隧道出洞位置位于大鵬灣，出洞仰坡屬于高陡仰坡，巖性較差，夏季施工降水量較大，受擾動(dòng)極易發(fā)生破壞。隧道洞口下穿葵鵬公路，重載LNG罐車在此經(jīng)過，隧道的開挖擾動(dòng)將會(huì)影響行車安全。綜上所述，深圳LNG工藝隧道出洞面臨著大斷面、淺埋、下穿公路、高陡邊坡等難題，出洞安全性要求高，施工難度大。

目前，工程中對(duì)于邊坡的處理措施主要包括優(yōu)化邊坡體型、設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)、改變土質(zhì)、錨固技術(shù)等[3]。對(duì)于隧道下穿公路通常采用加強(qiáng)洞內(nèi)支護(hù)、控制爆破等措施來控制公路沉降[4，5]。本文利用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)隧道出洞進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了支護(hù)措施的效果，以期對(duì)工程施工人員起到一定的指導(dǎo)作用。

二、工程概況

深圳LNG工藝隧道為山嶺隧道，隧道進(jìn)口位于大鵬灣海邊，地形為陡崖。洞口以中、微風(fēng)化巖為主，進(jìn)洞口邊坡分布有松散堆積物，基巖出露，中等風(fēng)化巖裂隙發(fā)育。洞身位于地下水位以下，主要為基巖裂隙水，中風(fēng)化巖層具一定富水性，淋雨?duì)畛鏊?，單位出水?10L/min·m。隧道出洞洞口情況如圖1所示。

隧道初期支護(hù)由30cm厚、C25早強(qiáng)噴射混凝土，直徑8mm、間距200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，直徑25mm、長3.5m，環(huán)向1.5m×1.5m梅花型布置的系統(tǒng)錨桿，間距為50cm的型鋼鋼架組成。

隧道拱部120o范圍設(shè)置直徑42超前小導(dǎo)管43根/環(huán)，2m/環(huán)設(shè)置，小導(dǎo)管長度為4m，間距40cm并注漿。隧道出洞段采用大管棚超前支護(hù)，大管棚采用直徑108鋼管，間距40cm。大管棚采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，注漿泵注漿，外插為1o～3o。

洞口仰坡采用掛網(wǎng)噴射15cm厚C20混凝土加固邊坡，垂直于仰坡方向施工長12m錨桿，錨桿錨孔孔徑為200mm，錨桿材料采用HRB400直徑28鋼筋，錨孔內(nèi)灌注M30水泥（砂）漿。

隧道Ⅲ級(jí)圍巖采用上下臺(tái)階法開挖，周邊采用光面爆破減少對(duì)圍巖的震動(dòng)以控制成形，開挖進(jìn)尺控制在1±0.2m范圍內(nèi)。當(dāng)隧道掘進(jìn)距離洞口25m時(shí)，停止掘進(jìn)，采用從洞內(nèi)挖掘小導(dǎo)洞的方式出洞。小導(dǎo)洞段采用弱爆破法，人工配合開挖。在接近貫通8m時(shí)每循環(huán)打超前探孔以探明前方距明洞距離。小導(dǎo)洞出洞方案如圖2所示。

3計(jì)算模型

模型不考慮裂隙影響，采用均質(zhì)模型，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，以圍巖自重應(yīng)力場為主。模型左右、前后邊界為水平法向約束，下邊界為豎向約束，地表及邊坡為自由面。圍巖采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，初期支護(hù)采用彈性模型，空模型模擬開挖；錨桿采用錨索結(jié)構(gòu)單元模擬，小導(dǎo)管、管棚采用梁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬[6，7]。計(jì)算模型如圖3所示。

模型長、寬各80m，左右邊界距隧道各33.55m。由于上下臺(tái)階距離較遠(yuǎn)，建模時(shí)只考慮上臺(tái)階開挖影響，每1m開挖一步，超前小導(dǎo)管超前掌子面3m，掌子面后方徑向注漿、錨桿落后掌子面一步，初支落后兩步，不考慮二襯影響。

隧道洞口仰坡段15m范圍內(nèi)為Ⅳ級(jí)圍巖，其余為Ⅲ級(jí)圍巖。地層參數(shù)如表1所示。

FLAC3D模擬中將鋼架和鋼筋網(wǎng)按剛度等效進(jìn)初支中，注漿強(qiáng)化圍巖采用等效方法進(jìn)行模擬，注漿加固圈厚度由式（1）確定，折算彈性模量可以按式（2）計(jì)算選取[8，9]。

式中：R——漿液的擴(kuò)散半徑，m；

S——相鄰兩注漿孔間距，m；

E——折算后地層的彈性模量，GPa；

E0——原地層的彈性模量，GPa；

Eg——鋼管的彈性模量，GPa；

Sg——鋼管支護(hù)等效截面積，m2；

SC——支護(hù)斷面截面積，m2。

四、結(jié)果分析

4.1仰坡穩(wěn)定性分析

巖體中結(jié)構(gòu)面的存在，降低了巖體的整體強(qiáng)度，增大了巖體的變形性能，是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。大量的巖質(zhì)邊坡工程失事證明，不穩(wěn)定巖體往往是沿著一個(gè)適宜的結(jié)構(gòu)面或多個(gè)結(jié)構(gòu)面的組合邊界的剪切滑移，張拉破裂和錯(cuò)動(dòng)變形等而造成邊坡巖體的失穩(wěn)[10]。錨桿能使巖體中裂隙、破裂面得以連接，會(huì)增大結(jié)構(gòu)面摩阻力、提高節(jié)理面抗剪強(qiáng)度；注漿更會(huì)增強(qiáng)巖體強(qiáng)度（即c、φ值）[11]。因此錨固技術(shù)是防止巖質(zhì)邊坡破壞的有效措施。

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10003-2005）》中對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖邊坡高度、坡度都給出了設(shè)計(jì)參照值。本工程受當(dāng)?shù)氐匦蜗拗茻o法對(duì)仰坡進(jìn)行刷坡處理，而且過度刷坡會(huì)導(dǎo)致仰坡失穩(wěn)。因此僅對(duì)仰坡表層浮土、危石進(jìn)行清理整修，分層進(jìn)行噴錨掛網(wǎng)防護(hù)，并施工錨桿、注漿加固仰坡巖體。仰坡加固效果如圖4、5所示。

從進(jìn)行仰坡加固前后沿隧道方向（Y）位移來看，加固后最大位移值明顯減??；從發(fā)生位置來看加固之后，最大位移位置較未加固時(shí)上移，發(fā)生位移的巖體體積減小，仰坡穩(wěn)定性提高。

隧道洞口仰坡的穩(wěn)定性在本質(zhì)上是隧道工程和邊坡工程在洞口這個(gè)特殊位置上的相互穩(wěn)定性問題，而不是一般意義上的邊坡穩(wěn)定性問題。隧道開挖后，在應(yīng)力釋放和應(yīng)力重分布過程中，圍巖向洞內(nèi)產(chǎn)生變形，并可能發(fā)生圍巖的局部破壞，導(dǎo)致圍巖發(fā)生嚴(yán)重松馳。對(duì)于隧道洞口仰坡，局部的圍巖松弛破壞可能改變其應(yīng)力場環(huán)境和水文地質(zhì)環(huán)境，從而引起變形和破壞[12]。而且，對(duì)于礦山法施工的隧道，爆炸荷載會(huì)使圍巖裂隙增大、增多，巖體更加破碎，仰坡更易發(fā)生破壞。隧道開挖過程中位移變化如圖6所示。監(jiān)測點(diǎn)位置為圖5最大位移處。

從圖6可以看出，隧道開挖至仰坡位置時(shí)，隧道開挖的擾動(dòng)使仰坡位移急劇增大，可見開挖過程對(duì)于仰坡穩(wěn)定性影響較大。由于在開挖過程中采用了控制爆破、減小開挖進(jìn)尺、減小擾動(dòng)、加強(qiáng)邊坡及隧道內(nèi)支護(hù)等措施，仰坡位移量較小，仰坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2隧道下穿公路安全性分析

深圳LNG工藝隧道正交穿過葵鵬公路，拱頂至路面距離為16.9m，圍巖等級(jí)以Ⅲ級(jí)為主，公路上常年行駛100t重型罐車。淺埋隧道下穿公路時(shí)會(huì)引起路面下沉，影響行車安全，給施工造成困難，同時(shí)公路上重型車輛荷載會(huì)使隧道內(nèi)位移增大，影響施工安全。工程中常采取減少施工擾動(dòng)、加強(qiáng)支護(hù)等手段來保證下穿段的施工安全[13，14]。

施工中嚴(yán)格貫徹執(zhí)行“短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”方針，為保證上方公路通行安全采用超前大管棚對(duì)下穿段進(jìn)行超前支護(hù)，Ⅲ級(jí)圍巖采用上下臺(tái)階法開挖，增加臨空面，減少一次爆破裝藥量，爆破采用低藥量、弱振動(dòng)的微差控制爆破，加強(qiáng)爆破監(jiān)測和隧道的監(jiān)控量測，確保洞內(nèi)施工及公路安全。

數(shù)值模擬中將重車荷載簡化為重車范圍內(nèi)均布荷載作用于隧道正上方公路中央（y坐標(biāo)為27～29）。重車荷載對(duì)隧道拱頂下沉影響如圖7所示。

從圖7可以看出拱頂沉降于40～60m處發(fā)生急劇變化，說明重車荷載在此段對(duì)隧道圍巖變形影響較大，根據(jù)重車荷載位置判斷，其對(duì)隧道變形影響范圍約為作用位置兩側(cè)各10m，考慮到車輛荷載位置的變化，應(yīng)在公路下方提前10m加強(qiáng)支護(hù)。

取隧道拱頂正上方葵鵬公路中間位置對(duì)拱頂下沉、公路下沉進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8、圖9中小導(dǎo)洞開挖階段（開挖步46～73）隧道拱頂及公路均產(chǎn)生了小量下沉，隧道開挖后下沉量迅速增大，最終趨于穩(wěn)定。隧道拱頂下沉實(shí)測值為3mm，公路下沉值為2mm，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果均較小。

五、結(jié)論

深圳LNG工藝隧道出洞面臨著大斷面、高陡仰坡、下穿公路等諸多難題，施工難度大，施工安全性要求高。本文采用數(shù)值模擬的手段，結(jié)合實(shí)際施工中采用的措施對(duì)該隧道出洞安全性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）巖體中結(jié)構(gòu)面是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，錨固技術(shù)是處理巖質(zhì)邊坡的有效措施。

2）隧道的開挖對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，施工中應(yīng)注意減少擾動(dòng)、加強(qiáng)支護(hù)，以確保邊坡的穩(wěn)定。

3）重車荷載對(duì)隧道圍巖變形影響明顯，應(yīng)在其影響范圍內(nèi)采取措施加強(qiáng)支護(hù)。

4）小導(dǎo)洞施工從小的掌子面擴(kuò)大到大的作業(yè)面，能夠釋放一定的位移，在力學(xué)上講比較合理，對(duì)控制位移有著明顯的優(yōu)勢，且小導(dǎo)洞的開挖能夠探明前方的地質(zhì)情況，加快出洞，改善洞內(nèi)環(huán)境，具有明顯的優(yōu)勢。

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作者簡介：程永，2002年畢業(yè)于長安大學(xué)公路工程專業(yè)，現(xiàn)在就職于中鐵大橋局，從事隧道施工管理和技術(shù)管理8年，現(xiàn)任深圳LNG工藝隧道工程項(xiàng)目經(jīng)理。