塌方影響下鳳嶺隧道貫通施工技術(shù)及數(shù)值模擬研究

張龍生， 翁賢杰

(江西交通咨詢公司， 江西 南昌　330008)

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塌方影響下鳳嶺隧道貫通施工技術(shù)及數(shù)值模擬研究

張龍生， 翁賢杰

(江西交通咨詢公司， 江西 南昌330008)

摘要：隧道即將貫通時(shí)遭遇塌方，會(huì)使貫通面臨塌方可靠處理和貫通安全施工雙重困難。為保障隧道貫通施工安全，避免塌方，依托江西省昌寧高速公路鳳嶺隧道在塌方影響下的貫通施工，通過(guò)分析研究隧道貫通施工處理過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，提出綜合物理探測(cè)、塌方段管棚注漿支護(hù)、貫通面合理確定、貫通段管棚注漿支護(hù)以及洞身短開挖強(qiáng)支護(hù)等系統(tǒng)化的技術(shù)方法，并采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)施工過(guò)程中圍巖、初期支護(hù)的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，驗(yàn)證施工處理技術(shù)的可行性。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和處理效果證明，該系統(tǒng)化施工技術(shù)體系在塌方影響下的隧道貫通施工是安全有效的。

關(guān)鍵詞：鳳嶺隧道； 塌方； 隧道貫通； 系統(tǒng)化處理技術(shù)； 數(shù)值模擬； 監(jiān)測(cè)

0引言

近年來(lái)，伴隨著隧道工程的大量建設(shè)，隧道施工中所面臨的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，因而，施工期間塌方等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給隧道工程建設(shè)帶來(lái)困難[1-2]。隧道貫通是隧道建設(shè)過(guò)程中十分關(guān)鍵的一步，具有較大的施工風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度。如果在即將進(jìn)入貫通段或在貫通段施工中發(fā)生塌方，將會(huì)使隧道貫通施工面臨圍巖應(yīng)力釋放重組、塌方不穩(wěn)定性等多重不利因素的影響，會(huì)使隧道貫通施工變得復(fù)雜。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于塌方影響下隧道貫通段的施工處理積累了一定經(jīng)驗(yàn)，也提出了相應(yīng)的措施。如文獻(xiàn)[3]對(duì)公山隧道貫通段塌方原因進(jìn)行了分析，主要提出了管棚支護(hù)和初期支護(hù)加強(qiáng)處理技術(shù)；文獻(xiàn)[4]以大棕坡隧道貫通段因穿越斷層而造成的塌方為工程背景，主要提出了初期支護(hù)加固、管棚超前支護(hù)、徑向固結(jié)注漿等治理措施；文獻(xiàn)[5]依托南村隧道工程，針對(duì)貫通段圍巖較軟弱、易發(fā)生坍塌等特點(diǎn)，提出采用超前小導(dǎo)管、增強(qiáng)初期支護(hù)和減振爆破的技術(shù)方法防止塌方；文獻(xiàn)[6]針對(duì)雙江口水電站阿斯布隧道貫通段塌方，分析了塌方的原因及形態(tài)，提出了先加固塌方兩端影響帶、后加固塌方中心區(qū)的施工原則，并采用自鉆式錨桿加強(qiáng)初期支護(hù)和提高襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)的施工技術(shù)。然而以上研究多數(shù)采用工程類比和經(jīng)驗(yàn)方法施工，缺乏一定的系統(tǒng)性和可靠性。因此，研究可靠的塌方影響下的隧道貫通技術(shù)，對(duì)于隧道安全貫通具有重要意義。

本文結(jié)合江西省昌寧高速公路鳳嶺隧道工程，針對(duì)塌方影響下隧道貫通施工的特點(diǎn)、難點(diǎn)和重點(diǎn)，提出了包含物理探測(cè)、塌方處理、超前支護(hù)和洞身開挖支護(hù)等系統(tǒng)化的隧道貫通段施工技術(shù)措施，并對(duì)技術(shù)措施的可行性進(jìn)行數(shù)值模擬分析論證，取得了預(yù)期的效果。

1工程概況

江西省昌寧高速公路鳳嶺隧道為越嶺分離式公路隧道，隧道左線起訖樁號(hào)ZK156+130～ZK157+385，長(zhǎng)1 255 m，右線起訖樁號(hào)K156+125～K157+360，長(zhǎng)1 235 m，隧道最大埋深約160 m。隧址區(qū)屬侵蝕低山地貌，隧道中線對(duì)應(yīng)的山體地面標(biāo)高200～360 m，相對(duì)高差較小。隧道進(jìn)口地形較緩，坡度10～12°；出口地形上陡下緩，坡度15～30°；隧道進(jìn)、出口與山體相交角度均較大。

隧道進(jìn)口右洞開挖至YK156+813附近時(shí)，揭露圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，呈泥夾石狀，膠結(jié)力弱，圍巖穩(wěn)定性差。2015年6月3日，隧道右洞YK156+817上導(dǎo)開挖后不久，正準(zhǔn)備立初期支護(hù)鋼拱架時(shí)，掌子面拱部出現(xiàn)局部小掉塊，僅一小段時(shí)間后，掌子面開始有陸續(xù)的大量掉塊，最大塊徑約為1 m。持續(xù)塌方過(guò)程中，地下水順巖體裂隙滲出，出水量較大。至塌方穩(wěn)定后，塌方堆積體縱向長(zhǎng)度約為9 m，橫向?qū)挾燃s為10 m，塌方量約為300 m3。

2015年6月3日塌方時(shí)，隧道右洞進(jìn)口端上臺(tái)階掌子面施作至YK156+817，出口端掌子面施作至YK156+853，進(jìn)出口掌子面僅相距36 m即可貫通。

2貫通施工總體技術(shù)

2.1施工重難點(diǎn)分析

根據(jù)開挖揭露及前期地質(zhì)勘察資料，目前隧道剩下的30～40 m圍巖級(jí)別達(dá)到V級(jí)，巖體破碎、裂隙發(fā)育、富水性較好。在圍巖軟弱破碎的情況下，隧道開挖施工過(guò)程中極易發(fā)生失穩(wěn)坍塌。

隧道貫通段巖體開挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中、釋放和重組，使隧道圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象；加之該貫通段圍巖破碎軟弱，使貫通過(guò)程中圍巖的不穩(wěn)定性加劇。此外，受進(jìn)口右洞塌方影響，掌子面前方原軟弱圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擾動(dòng)，塊體間結(jié)合性更差，且圍巖富水性增加，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)能力極低，隧道安全貫通施工風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。

可見(jiàn)，隧道貫通段受軟弱圍巖和塌方的雙重不良地質(zhì)條件影響，研究制定科學(xué)、合理、有效的技術(shù)處理措施方案，對(duì)隧道安全順利貫通具有重要作用。

2.2總體技術(shù)路線

為有效處理塌方，防止塌方進(jìn)一步擴(kuò)大，并保證隧道順利貫通，考慮以管棚注漿法為主要技術(shù)手段，遵循“先行加固、防止擴(kuò)展、后續(xù)處理、穩(wěn)步通過(guò)”的原則，采取包含探測(cè)了解、塌方治理、圍巖加固、穩(wěn)步開挖支護(hù)的系統(tǒng)化貫通施工技術(shù)體系。施工技術(shù)路線如圖1所示。

圖1　隧道貫通施工技術(shù)路線

1)對(duì)貫通段圍巖進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)一步獲取塌方段前方地質(zhì)情況、塌方大致影響范圍等信息，以便有針對(duì)性地設(shè)計(jì)治理措施和方案。

2)對(duì)進(jìn)口塌方及其影響段圍巖進(jìn)行管棚注漿加固，提高影響段圍巖的自穩(wěn)能力，為后續(xù)開挖創(chuàng)造條件。

3)合理確定隧道右洞貫通面及貫通單頭掘進(jìn)方向，使隧道貫通面處于較有利的受力狀態(tài)。

4)出口掌子面采取三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖法，及時(shí)支護(hù)，穩(wěn)固推進(jìn)至設(shè)計(jì)貫通面。

5)由出口向進(jìn)口方向施作管棚，與進(jìn)口端施作的管棚形成有效的搭接，共同對(duì)隧道貫通段巖體進(jìn)行加固，利于貫通段軟弱圍巖開挖過(guò)程中的穩(wěn)定。

6)采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法從進(jìn)口端向貫通面單頭掘進(jìn)，超前支護(hù)配合開挖，直至隧道貫通。

3貫通施工綜合技術(shù)措施

3.1貫通段地質(zhì)情況探測(cè)

根據(jù)總體技術(shù)路線，為查明隧道右洞進(jìn)出口掌子面前方及周邊圍巖地質(zhì)情況、塌方影響范圍，并保證探測(cè)精度，在兩端掌子面相距20～30 m時(shí)，進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，右洞出口端掌子面施作至YK156+847時(shí)進(jìn)行探測(cè)。采用美國(guó)地質(zhì)雷達(dá)，型號(hào)SIR-3000，天線主頻100 MHz。掌子面的測(cè)線布置情況如圖2所示，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果如圖3所示。

圖2　掌子面測(cè)線布設(shè)(單位： cm)

圖3　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果

根據(jù)探測(cè)成果，并結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)資料，分析得到以下結(jié)論。

1)地質(zhì)雷達(dá)成果圖顯示，在預(yù)報(bào)范圍內(nèi)雷達(dá)的反射信號(hào)較強(qiáng)，同相軸錯(cuò)斷，波形雜亂，出現(xiàn)中高頻反射波，呈多次波反射性狀。同時(shí)，從揭露的掌子面圍巖情況來(lái)看，判斷貫通段圍巖以砂巖為主，圍巖等級(jí)為V級(jí)，巖體破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，層面不連續(xù)，整體濕潤(rùn)，圍巖整體穩(wěn)定性差，且有不斷變差的趨勢(shì)。

2)掌子面前方21 m范圍內(nèi)反射信號(hào)強(qiáng)，之后能量衰減較快。結(jié)合右洞進(jìn)口塌方情況，判斷YK156+826至進(jìn)口掌子面段9 m巖體破碎程度加劇，為塌方及其影響段，施工時(shí)應(yīng)給予重視。

3.2進(jìn)口端管棚注漿法處理塌方

塌方的安全處理很重要，不同的塌方情況，其處理方法也不同，應(yīng)根據(jù)塌方的具體形態(tài)，合理選用處治措施。從形態(tài)角度看，隧道塌方可歸結(jié)為局部塌方、拱形塌方、異形塌方、膨脹巖塌方、大變形及巖爆；從規(guī)模角度看，隧道塌方可分為小塌方(塌方量小于30 m3)、中塌方(塌方量30～100 m3)和大塌方(塌方量大于100 m3)。隧道塌方治理主要有錨噴支護(hù)法、小導(dǎo)管法、管棚法、注漿法、襯砌加強(qiáng)法、回填法以及各種方法組合等[7-8]。對(duì)于洞身內(nèi)小型塌方，常采用錨噴法、小導(dǎo)管注漿法或者襯砌加強(qiáng)等；若塌方量較大、影響較嚴(yán)重時(shí)，較多采用加強(qiáng)襯砌、注漿或者管棚法等；當(dāng)洞內(nèi)有大量涌水、涌泥時(shí)，多用構(gòu)筑擋墻，采取注漿加固等方法。

本次塌方屬于大型塌方，且塌方對(duì)于安全貫通影響較大。基于安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的原則，綜合考慮地質(zhì)情況、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備、技術(shù)力量、合理施工工期等因素，采用管棚注漿加固方案處理塌方，并在開挖前配合超前小導(dǎo)管支護(hù)技術(shù)措施，防止隧道右洞進(jìn)口掌子面坍塌擴(kuò)展、圍巖穩(wěn)定性進(jìn)一步變差。

塌方處理前，為防止塌方向后擴(kuò)展，并為管棚創(chuàng)造有效支點(diǎn)，對(duì)塌方附近6 m已支護(hù)段進(jìn)行加強(qiáng)。先在原初期支護(hù)各臺(tái)階拱腳部位增設(shè)4根6 m長(zhǎng)φ42鎖腳鋼管加強(qiáng)；然后緊貼原初期支護(hù)設(shè)置I18工字鋼臨時(shí)支撐，縱距0.5 m；再對(duì)拱部135°范圍內(nèi)采用5 m長(zhǎng)φ42徑向小導(dǎo)管注漿，小導(dǎo)管縱、環(huán)向間距均為1 m，梅花形布置，注漿采用1∶1水泥漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

對(duì)進(jìn)口掌子面及塌方體坡腳以上部分土體表面掛φ8鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm，并噴射20 cm厚C20混凝土封閉，穩(wěn)固塌體，防止塌方擴(kuò)大?；靥钍?，構(gòu)筑管棚施工作業(yè)平臺(tái)，平臺(tái)段長(zhǎng)度4 m，斜坡坡率1∶2，便于鉆機(jī)平穩(wěn)工作和管棚注漿施工。

選取管棚鋼管直徑89 mm，壁厚6 mm，環(huán)向間距35 cm，并在拱頂120°范圍內(nèi)布置，仰角3～5°。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，塌方及其影響段為YK156+817～+826的9 m范圍內(nèi)，考慮到管棚應(yīng)深入較好圍巖以形成穩(wěn)定的支點(diǎn)，所以管棚長(zhǎng)度應(yīng)大于9 m。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工情況來(lái)看，在目前的圍巖情況下，若采用長(zhǎng)管棚，鉆孔施工中易出現(xiàn)抱鉆、卡鉆、塌孔和鉆孔精度難以保證等問(wèn)題，因此，選取管棚長(zhǎng)度為10 m。

由于塌穴口附近圍巖穩(wěn)定性極差，若采用傳統(tǒng)的在掌子面附近擴(kuò)挖管棚工作洞室的方法，施工安全風(fēng)險(xiǎn)非常高，且工期較長(zhǎng)。因此，采用在掌子面附近初期支護(hù)鋼架下方安裝3榀I18工字鋼套拱，套拱上設(shè)置1.5 m長(zhǎng)φ108導(dǎo)向管，作為管棚支點(diǎn)和定位。套拱間距0.5 m，通過(guò)拼接板與初期支護(hù)鋼架焊接，拱腳兩側(cè)前后設(shè)置2根4 m長(zhǎng)φ42鎖腳鋼管，并與初期支護(hù)鋼架牛腿焊接牢固；環(huán)向每隔1 m貼近初期支護(hù)鋼架打入3 m長(zhǎng)φ22水泥砂漿錨桿，錨桿末端彎成“L”型，與初期支護(hù)鋼拱架和套拱卡緊焊牢；縱向采用1 m長(zhǎng)φ22鋼筋連接。套拱安裝好后，準(zhǔn)確測(cè)量放樣導(dǎo)向管孔位，導(dǎo)向管間距0.35 m，檢查無(wú)誤后，與套拱焊接固定。套拱、導(dǎo)向管安裝完畢后，噴射混凝土封閉，與初期支護(hù)形成穩(wěn)固的整體。套拱、導(dǎo)向管安裝如圖4所示。

圖4　套拱、導(dǎo)向管安裝示意圖(單位： cm)

采用履帶式鉆機(jī)鉆孔，開鉆前，鉆機(jī)應(yīng)停放平穩(wěn)，鉆具與導(dǎo)向管的軸線應(yīng)一致。鉆孔按照先邊墻后拱頂、跳孔施工，鉆孔間隔距離應(yīng)滿足不使注漿孔串漿的原則。鉆進(jìn)過(guò)程中每鉆進(jìn)1～2 m，使用地質(zhì)羅盤儀、全站儀、懸吊式量角器等經(jīng)常檢查鉆孔角度并及時(shí)調(diào)整，確保鉆孔角度滿足設(shè)計(jì)要求。施工過(guò)程中發(fā)生抱鉆、卡鉆、塌孔時(shí)，可采用跟管鉆進(jìn)或注漿充填后重新鉆進(jìn)的方法。鉆孔施作完畢后，管棚分節(jié)送入鉆孔，分節(jié)接頭錯(cuò)開布置，管棚長(zhǎng)度應(yīng)包含導(dǎo)向管長(zhǎng)度。實(shí)際施工時(shí)，奇數(shù)孔采用5 m+7 m接長(zhǎng)，偶數(shù)孔采用7 m+5 m接長(zhǎng)。管棚端部預(yù)留2.5 m止?jié){段，管體每0.3 m設(shè)孔徑為15 mm的注漿孔，梅花形布置。

塌方及其影響段內(nèi)圍巖破碎、膠結(jié)差，應(yīng)重視管棚注漿施工，以發(fā)揮注漿填充圍巖裂隙、提高圍巖自穩(wěn)能力的作用。管棚注漿采用1∶1水泥漿液，注漿初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa。注漿按照從下到上、兩側(cè)對(duì)稱、奇偶孔錯(cuò)開的原則施工，使?jié){液由下至上逐步充填巖體空隙，并且后序孔可以檢查前序孔的注漿效果。注漿過(guò)程中，若注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不升高，可采用提高漿液濃度、間歇式注漿或改注雙液漿等方法；若出現(xiàn)串漿，可采用麻紗、錨固劑封堵處理，如效果不佳，可采用間歇式注漿或改注濃漿、雙液漿。注漿施工中，應(yīng)根據(jù)堵排相結(jié)合的原則，留設(shè)引排水孔，保障注漿安全。

3.3隧道貫通面確定

貫通面應(yīng)避開地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的部位，選擇距離塌方影響范圍之外的一定距離處，并且應(yīng)選擇在圍巖較好的地方。YK156+817～+826為隧道塌方及其影響段，雖然經(jīng)過(guò)進(jìn)口右洞10 m管棚注漿加固，但是貫通過(guò)程中，隧道應(yīng)力集中效應(yīng)顯著，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為防止塌方的可能擴(kuò)展，貫通面應(yīng)選取在YK156+827之后的一定范圍內(nèi)。

根據(jù)隧道右洞出口的施工情況和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，YK156+847前方約16 m圍巖(小里程方向)相對(duì)較好。此外，在進(jìn)口端處理塌方的同時(shí)，為合理保證施工進(jìn)度，出口端施工掌子面還可向前推進(jìn)10 m左右。但是，若貫通面再往前推，則減少了隧道貫通段及其較好圍巖段的長(zhǎng)度，不利于貫通開挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性。

因此，為減少貫通面附近圍巖受應(yīng)力釋放、重組的影響，并保證有適宜長(zhǎng)度的貫通段巖體，隧道應(yīng)在較好的圍巖地段貫通。確定YK156+837為隧道右洞貫通面，貫通開挖由進(jìn)口端向出口端單頭掘進(jìn)。

3.4出口端穩(wěn)固推進(jìn)至貫通面

根據(jù)確定的隧道貫通面，出口右洞采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖，超前小導(dǎo)管支護(hù)配合，穩(wěn)固推進(jìn)至YK156+837后，掛φ8鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm，并噴射20 cm厚C20混凝土封閉掌子面，不再開挖掘進(jìn)。施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的施工原則，確保施工安全。

3.5出口端管棚注漿支護(hù)

貫通段巖體為軟弱圍巖，強(qiáng)度低，遇水易軟化，在貫通開挖的應(yīng)力集中下，極易發(fā)生坍塌。因此，右洞出口端開挖支護(hù)至YK156+837后，封閉掌子面，實(shí)施超前管棚注漿支護(hù)，與進(jìn)口端施作的管棚形成有效搭接，在拱頂上方形成一定范圍的“硬殼”，增強(qiáng)貫通段巖體的自穩(wěn)能力，確保隧道貫通安全。管棚鋼管直徑89 mm，壁厚6 mm，環(huán)向間距35 cm，拱頂120°范圍內(nèi)布設(shè)，仰角 3～5°。

掌子面開挖后，設(shè)破裂面與掌子面成45°-φ/2夾角[9-10]，掌子面與破裂面之間的巖體對(duì)管棚的支點(diǎn)效應(yīng)減弱。由于貫通采用從進(jìn)口向出口方向開挖，當(dāng)掌子面施工至進(jìn)口端管棚末端時(shí)，因支點(diǎn)削弱效應(yīng)，造成進(jìn)口端管棚末端部分成為“懸臂結(jié)構(gòu)”，使結(jié)構(gòu)受力較為不利。因此，出口端管棚應(yīng)伸入進(jìn)口端管棚懸臂段，與之形成有效搭接，共同受力。搭接長(zhǎng)度分析模型如圖5所示。

根據(jù)圖5，設(shè)掌子面上導(dǎo)開挖高度H，圍巖內(nèi)摩擦角φ，則開挖影響段

l2=Htan(45°-φ/2)。

(1)

設(shè)初期支護(hù)距掌子面開挖未支護(hù)段長(zhǎng)l1，則進(jìn)口端管棚末端的懸臂段長(zhǎng)度

l=l1+l2。

(2)

取隧道上臺(tái)階開挖高度H=2m；每循環(huán)開挖進(jìn)尺0.5m，因?qū)嶋H施工偏差以及最靠近掌子面的初期支護(hù)不能立即沉降穩(wěn)定，故適當(dāng)擴(kuò)大初期支護(hù)距離掌子面未支護(hù)距離，取l1=0.8m；管棚注漿加固后圍巖力學(xué)性質(zhì)會(huì)有所提高，可視為較好的Ⅴ級(jí)圍巖，故取內(nèi)摩擦角φ=27°代入式(2)可得

l=0.8+2×tan31.5°=2.03m。

圖5　管棚搭接長(zhǎng)度分析模型

出口端管棚伸入進(jìn)口端管棚的搭接長(zhǎng)度應(yīng)不小于進(jìn)口端管棚末端的懸臂段長(zhǎng)度，故搭接長(zhǎng)度取3 m，設(shè)計(jì)出口端管棚總長(zhǎng)度13 m。

出口端掌子面后方圍巖相對(duì)較好，為方便管棚施工操作，避免因管棚侵入隧道輪廓后期需割除而影響管棚加固段的整體性和穩(wěn)定性，出口右洞管棚施工采用擴(kuò)挖管棚工作洞室的方法。根據(jù)洞內(nèi)空間和管棚角度，同時(shí)為減弱擴(kuò)挖長(zhǎng)度、跨度對(duì)擴(kuò)洞段圍巖的擾動(dòng)，

設(shè)計(jì)擴(kuò)挖高度0.4 m、長(zhǎng)度4 m。工作洞室內(nèi)的導(dǎo)向管、套管安裝方法，管棚鉆孔，注漿工藝與進(jìn)口端一致。管棚實(shí)際施工時(shí)，奇數(shù)孔采用6 m+9 m接長(zhǎng)，偶數(shù)孔采用9 m+6 m接長(zhǎng)。

3.6隧道右洞貫通開挖及支護(hù)

待上述系統(tǒng)的管棚注漿加固完成后，隧道貫通段巖體自穩(wěn)能力增強(qiáng)，采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖方法，從進(jìn)口端YK156+817向出口端YK156+837開挖，直至貫通。管棚上方圍巖加固區(qū)域較小，開挖前，施作超前注漿小導(dǎo)管對(duì)圍巖進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。 超前注漿小導(dǎo)管采用φ42×3.5 mm，仰角15～20°，拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置。小導(dǎo)管長(zhǎng)4 m，環(huán)向間距40 cm，梅花形布置，2.5 m施作1環(huán)，搭接長(zhǎng)度1 m以上。采用1∶1水泥單漿液注漿，注漿壓力取0.5～1.0 MPa。

貫通段采用機(jī)械開挖為主、人工開挖為輔的施工方法，局部需爆破時(shí)，必須采用弱爆破。施工過(guò)程中，各臺(tái)階循環(huán)開挖進(jìn)尺應(yīng)嚴(yán)格控制在0.5 m，上臺(tái)階核心土長(zhǎng)度宜為4 m左右；中、下臺(tái)階開挖高度宜為3～3.5 m，兩側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開2～3 m；仰拱每循環(huán)開挖2～3 m，各步隨挖隨支，及時(shí)封閉。初期支護(hù)采用φ8@20 cm×20 cm雙層鋼筋網(wǎng)，I18工字鋼拱架縱距50 cm，25 cm厚C20噴射混凝土，300 cm長(zhǎng)φ25@100 cm×50 cm中注式錨桿。具備二次襯砌施工空間和條件后，及時(shí)澆筑二次襯砌鋼筋混凝土。貫通段剩余3 m時(shí)，采取超前鉆孔先穿透、再采取上臺(tái)階貫通，然后逐步全斷面貫通，以減少圍巖的急劇擾動(dòng)，保障貫通安全。貫通過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行貫通測(cè)量，控制貫通誤差。

綜上分析，制定隧道貫通處理方案如圖6所示。

圖6　隧道貫通施工方案

4貫通施工數(shù)值模擬分析

隧道工程事故中有1/3～1/2是因支護(hù)設(shè)計(jì)不當(dāng)或不及時(shí)而造成的[11-12]。施工過(guò)程中，若方案選取的設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿足圍巖穩(wěn)定性要求，就會(huì)造成塌方或者再次塌方。因此，為保證隧道施工安全，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)采取的技術(shù)方案進(jìn)行分析和論證。

4.1模型建立

根據(jù)施工方案，建立管棚預(yù)注漿加固并輔以超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)后的計(jì)算模型，采用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值模擬軟件計(jì)算。模型水平方向由隧道中心向兩側(cè)各取40 m，豎直方向下邊界取至隧道中心下25 m，上邊界取至隧道中心上40 m，縱向取20 m。模型上邊界為自由邊界，受125 m巖體自重應(yīng)力，開挖段及掌子面為自由邊界，左右、前后邊界限制水平位移，設(shè)為輥支承約束，底部邊界設(shè)為固定約束。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，管棚注漿、小導(dǎo)管注漿支護(hù)區(qū)采用適當(dāng)提高加固區(qū)域圍巖級(jí)別及其力學(xué)參數(shù)的方式模擬[13-14]?？紤]到塌方影響區(qū)域圍巖強(qiáng)度弱化，相對(duì)較好段的圍巖力學(xué)參數(shù)較塌方影響段應(yīng)適當(dāng)提高。二次襯砌作為隧道安全儲(chǔ)備結(jié)構(gòu)，在本次模擬中不予計(jì)算分析。

初期支護(hù)中的錨桿，按將加固范圍內(nèi)圍巖的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角提高10%，可獲得較好的計(jì)算效果[15]。綜合考慮鋼筋網(wǎng)、鋼拱架與噴射混凝土，鋼筋網(wǎng)應(yīng)適當(dāng)提高噴層參數(shù)，鋼拱架按等效法將其模量折算于噴射混凝土[16]，則

E=E0+SgEg/Sc。

(3)

式中： E為折算后混凝土彈性模量； E0為原混凝土彈性模量； Sg為拱架支護(hù)等效面積； Eg為拱架彈性模量； Sc為支護(hù)斷面面積。

經(jīng)計(jì)算，取噴射混凝土厚度為30 cm，按彈性模型計(jì)算。

模型及網(wǎng)格劃分如圖7所示。為了便于分析說(shuō)明，設(shè)計(jì)了管棚輔以小導(dǎo)管注漿支護(hù)、僅按小導(dǎo)管注漿支護(hù)2種工況，對(duì)施工技術(shù)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

圖7　三維計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

4.2計(jì)算參數(shù)

圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)參照工程地質(zhì)報(bào)告、上述分析和現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范選取，見(jiàn)表1。

表1　模型計(jì)算參數(shù)

4.3數(shù)值模擬計(jì)算方法

在COMSOL Multiphysics中，隧道開挖時(shí)土的力學(xué)行為通常采用2步求解[17]。第1步求解開挖前巖土體的初始應(yīng)力狀態(tài)；第2步求解開挖后巖土體的彈塑性行為，并采用第1步求解的原位應(yīng)力，反復(fù)計(jì)算，直至開挖完成。數(shù)值計(jì)算根據(jù)上述施工開挖方法進(jìn)行，分別計(jì)算在管棚輔以小導(dǎo)管注漿支護(hù)、僅按小導(dǎo)管注漿支護(hù)2種工況下隧道貫通段圍巖的應(yīng)力、位移情況。

4.4計(jì)算結(jié)果分析

隧道施工完成后，為便于比較，截取塌方影響區(qū)域中部斷面YK156+822進(jìn)行應(yīng)力、位移比較分析。

4.4.1應(yīng)力分析

隧道開挖后，在管棚輔以小導(dǎo)管注漿支護(hù)、僅按小導(dǎo)管注漿支護(hù)2種工況下，圍巖、初期支護(hù)應(yīng)力情況如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可以看出： 圍巖、初期支護(hù)主應(yīng)力主要集中于隧道側(cè)壁、拱腳區(qū)域；在管棚輔以小導(dǎo)管注漿支護(hù)條件下，初期支護(hù)第一主應(yīng)力最大為3.65 MPa，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為0.89 MPa；僅采用小導(dǎo)管注漿支護(hù)條件下，初期支護(hù)第一主應(yīng)力最大值為4.59 MPa，較前者支護(hù)方式應(yīng)力提高了0.94 MPa，增加了25.7%，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.29 MPa，已超出了噴射混凝土的允許拉應(yīng)力。此外，僅采用小導(dǎo)管注漿支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力均比管棚輔以小導(dǎo)管注漿支護(hù)條件下得高，且應(yīng)力集中程度有所擴(kuò)大，隧道圍巖、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的應(yīng)力，不利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

4.4.2位移分析

管棚輔以小導(dǎo)管注漿支護(hù)、僅按小導(dǎo)管注漿支護(hù)2種工況下隧道的豎向位移、水平位移情況如圖10和圖11所示。

(a) 圍巖第一主應(yīng)力

(b) 初期支護(hù)第一主應(yīng)力

Fig. 8Stress of surrounding rocks and primary support under pipe-roof + small duct grouting (Pa)

(a) 圍巖第一主應(yīng)力

(b) 初期支護(hù)第一主應(yīng)力

Fig. 9Stress of surrounding rocks and primary support under small duct grouting (Pa)

(a) 豎向位移

(b) 水平位移

Fig. 10Displacement of surrounding rocks and primary support under pipe-roof + small duct grouting (m)

(a) 豎向位移

(b) 水平位移

Fig. 11Displacement of surrounding rocks and primary support under small duct grouting (m)

由圖10和圖11可以看出： 隧道沉降最大值出現(xiàn)在拱頂，水平位移最大值位于拱腰附近；采用管棚輔以小導(dǎo)管注漿支護(hù)時(shí)，最大拱頂沉降值為16.4 mm，最大拱底隆起值為23.7 mm；僅采用小導(dǎo)管注漿支護(hù)時(shí)，拱頂最大沉降值為48.2 mm，拱頂沉降增加近2倍，拱底隆起最大值為66.1 mm，非常接近設(shè)計(jì)允許值，不利于施工安全；管棚輔以小導(dǎo)管注漿支護(hù)時(shí)，水平收斂最大值為14.8 mm，小導(dǎo)管注漿支護(hù)時(shí)，水平位移最大值為29.2 mm，水平收斂增加近1倍。

由上述分析可知，采用管棚輔以小導(dǎo)管注漿加固方式相對(duì)于普通的僅采用小導(dǎo)管注漿支護(hù)方式，隧道圍巖的應(yīng)力、位移可以得到更好地控制，利于施工過(guò)程的安全。

5施作效果監(jiān)測(cè)分析

按照該技術(shù)體系實(shí)施處理后，隧道實(shí)現(xiàn)安全順利貫通。在貫通段開挖支護(hù)過(guò)程中，按照每5 m布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)頻率為1～2次/d，對(duì)多個(gè)斷面的拱頂沉降、水平收斂進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)。對(duì)塌方影響區(qū)域YK156+822斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12　YK156+822斷面拱頂沉降、水平收斂時(shí)間曲線

Fig. 12Time-dependent curves of crown settlement and horizontal convergence at YK156+822

從圖12可以看出： 在隧道貫通段開挖13 d后，圍巖變形速率明顯降低，20 d后變形基本穩(wěn)定；拱頂最大下沉量為26.1 mm，水平收斂最大值為22.2 mm，小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量10 cm，且實(shí)際情況與數(shù)值計(jì)算結(jié)果較接近?？梢?jiàn)，采取的加固技術(shù)措施是安全可靠的。

6結(jié)論與討論

1)塌方影響下隧道貫通面臨塌方處理和貫通安全施工雙重困難，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。施工處理前，采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)塌方影響下的貫通段進(jìn)行探測(cè)，有效獲取塌方影響段范圍、貫通段圍巖情況及其變化規(guī)律。這種“探查先行”的技術(shù)方法對(duì)于后續(xù)采取合理的技術(shù)措施具有重要的指導(dǎo)作用。

2)隧道貫通施工中，綜合采用進(jìn)口端塌方段加固處理、出口端超前支護(hù)貫通段圍巖、根據(jù)圍巖條件選取貫通面、由塌方段向較好的地段貫通開挖、三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖和強(qiáng)支護(hù)的系統(tǒng)化技術(shù)處理方法，是安全貫通的重要保證。

3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，管棚注漿在塌方處理和軟弱圍巖加固中發(fā)揮了較大作用。相對(duì)于普通的小導(dǎo)管注漿處理措施，管棚注漿支護(hù)對(duì)圍巖及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布有較大影響，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并有效抑制了圍巖變形。

采用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證所選施工方案的可行性，保證了隧道的安全順利施工，這種方法可以為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。但是，由于塌方影響下隧道貫通的復(fù)雜性，貫通段塌方機(jī)制、更接近工程實(shí)際的數(shù)值模擬方法需進(jìn)一步研究，以提出全方位的技術(shù)措施，以便更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

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Study of Construction Technologies and Numerical Simulation of Fengling Tunnel Breakthrough under Impact of Collapse

ZHANG Longsheng, WENG Xianjie

(JiangxiTransportConsultationCompany,Nanchang330008,Jiangxi,China)

Abstract:Great difficulties will occur at tunnel breakthrough when collapse happens. In order to guarantee the construction safety of tunnel breakthrough and to avoid secondary collapse, the key points and difficulties of breakthrough construction of Fengling Tunnel on Nanchang-Ningdu Highway in Jiangxi are analyzed; the systematic processing technologies, including comprehensive geophysical prospecting, pipe-roof grouting support of collapse section, decision of rational tunnel breakthrough cross-section, pipe-roof grouting support of breakthrough section and short-distance excavation and strengthened support of tunnel, are proposed; the stress and displacement of surrounding rocks and primary support during construction are numerically simulated by means of 3D numerical simulation method. The monitoring results show that the technologies used are safe and feasible.

Keywords:Fengling Tunnel; collapse; tunnel breakthrough; systematic processing technology; numerical simulation; monitoring

中圖分類號(hào)：U 456.3+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0465-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.015

第一作者簡(jiǎn)介：張龍生(1966—)，男，江西南昌人，1991年畢業(yè)于湘潭礦業(yè)學(xué)院，采礦專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事公路工程建設(shè)管理及隧道技術(shù)研究工作。E-mail: 1404802526@qq.com。

收稿日期：2015-08-15; 修回日期: 2015-10-13