復(fù)雜環(huán)境地質(zhì)條件下隧洞進口段支護設(shè)計

劉嶺楠，王晗

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州311122）

1 項目簡介

長九（神山）灰?guī)r礦項目位于安徽省池州市，礦區(qū)礦種為灰?guī)r，毗鄰長江，砂石骨料從礦區(qū)利用帶式輸送機運至專用碼頭，輸送距離約13km。

帶式輸送機軸線從礦山加工生產(chǎn)區(qū)至碼頭混合堆料區(qū)需穿越水庫、湖泊、鐵路、公路、礦區(qū)、山脈等。其中，4 號隧洞下穿姥山礦區(qū)，位于小河王金礦礦區(qū)范圍內(nèi)。

該隧洞進口地質(zhì)、環(huán)境條件復(fù)雜，洞口大開挖布置方案受限，小開口方案開挖支護難度很大，需要論證可行的開挖支護方法，以確保隧洞安全順利建成。

2 環(huán)境條件及工程地質(zhì)

2.1 環(huán)境條件

該隧洞進口西側(cè)為小河王金礦尾礦沉淀池，主要為小河王金礦開礦后廢棄的礦渣和開礦剝離的坡積土和風(fēng)化砂巖，穩(wěn)定性差，棄渣場表層的沉淀池依然在使用，隧洞進口土方開挖后，開挖邊界距離棄渣場較近，對隧洞進口邊坡存在滑坡隱患；隧洞進口東側(cè)為棄渣的坡積土，穩(wěn)定性差，且分布有容積較大的廢水池。因此，洞口地層及周圍環(huán)境對邊坡開挖面的穩(wěn)定均不利。在人工開挖邊坡情況下，洞口引坡面易發(fā)生坍塌，同時可能引發(fā)周邊棄渣場、坡積土的次生滑坡[1]。

2.2 地質(zhì)條件

本工程巖土工程勘察等級為甲級，原場區(qū)復(fù)雜程度按二級中等復(fù)雜場地考慮，根據(jù)勘察報告顯示，素填土層和全風(fēng)化石英閃長巖層較厚，基巖面起伏較大。

1）①層素填土堆積年代大于30a，其中上部0～11m 段呈灰褐色、黃褐色，碎、塊石含量較高，約30%～40%，遇水易坍塌；下段11～23.4m 段基本不含碎、塊石，褐黃色、棕紅，土質(zhì)粉粒含量高，層理明顯，遇水易崩解，下限埋深約23.4m。

2）②層崩坡積塊石及碎石土：黃褐色，稍密～中密，碎、塊石含量約15%～20%，黏性土充填，層厚3～5m。

3）③層全風(fēng)化石英閃長巖：褐黃色，原巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，主要礦物成分為長石、石英，長石、云母已風(fēng)化成土狀，粉粒含量稍高，遇水易軟化崩解，層厚約8～10m。

4）④層強風(fēng)化石英閃長巖網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀及碎塊夾砂礫狀，層厚約2～3m。④層和⑤層中風(fēng)化石英閃長巖起伏變化大，沿物流廊道軸線80m 范圍內(nèi)基巖面高程起伏約20～25m[2]。

根據(jù)地勘鉆孔揭露，隧洞進洞口處素填土厚約23m，堆積時間久遠。下伏基巖為燕山回旋早期石英閃長巖，強風(fēng)化石英閃長巖巖芯呈破碎塊狀，碎塊加沙礫狀，輕擊可碎，強風(fēng)化下限埋深37.7m，隧洞進口位于素填土中，地質(zhì)條件差。

3 地下連續(xù)墻設(shè)計

根據(jù)場區(qū)地層條件和水文特征，結(jié)合連續(xù)墻圍護范圍和征地范圍，隧洞不可避免地在全風(fēng)化巖層中進洞，該層巖土體工程性能較差，且地下水豐富。經(jīng)多方案論證，4#隧洞進口開挖支護形式擬采用地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)+鋼筋混凝土明洞形式。

3.1 地下連續(xù)墻嵌固深度

地下連續(xù)墻作為一種開挖技術(shù)，已在地下工程及深基坑支護中被廣泛應(yīng)用。本工程設(shè)計中，在4 號隧洞進口段布置連續(xù)墻（見圖1）。連續(xù)墻在巖層嵌固深度對后期隧洞成洞及開挖邊坡的穩(wěn)定性有較大影響。根據(jù)規(guī)范要求，連續(xù)墻嵌固深度需滿足構(gòu)造要求，嵌固深度不小于0.2 倍基坑深度。隧洞進口附近，基巖位置較淺，遠離隧洞進口，基巖位置較深，對此2 種情況，分別討論嵌固深度對隧洞穩(wěn)定的影響[3]。

連續(xù)墻布置形式見圖1。斷面基巖位置較淺位置段為A段，較深位置為B 段，在地下連續(xù)墻嵌固深度的設(shè)計過程中，需滿足構(gòu)造要求、整體滑動穩(wěn)定性要求和抗傾覆穩(wěn)定性要求，當(dāng)坑底為軟土?xí)r，還應(yīng)滿足最下道支點圓弧抗隆起要求。通過對A、B 段地下連續(xù)墻在基巖中不同嵌固深度進行穩(wěn)定性分析計算，計算結(jié)果見圖2、圖3。

由此計算結(jié)果可看出，連續(xù)墻的穩(wěn)定性隨嵌固深度的增加而增大。綜合考慮施工因素與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確定A 段設(shè)計嵌固深度為5m，B 段設(shè)計嵌固深度為19.5m。并控制A 段地下連續(xù)墻在基礎(chǔ)底板以下嵌固深度不小于2m，控制B 段地下連續(xù)墻在基巖嵌固深度不小于2m。

圖2 A段不同嵌固深度下地下連續(xù)墻墻身穩(wěn)定分析

圖3 B段不同嵌固深度下地下連續(xù)墻墻身穩(wěn)定分析

3.2 內(nèi)支撐布置

內(nèi)支撐的主要作用是控制開挖面以上地下連續(xù)墻的單跨懸挑長度，抵抗地下連續(xù)墻的側(cè)向變形[4]。

為了探索內(nèi)支撐的設(shè)置對墻身變形和彎矩的影響，在地下連續(xù)墻內(nèi)布置不同數(shù)量內(nèi)支撐，并對其進行計算分析。內(nèi)支撐布置方案見表1；不同支撐設(shè)置下地下連續(xù)墻變形包絡(luò)圖和彎矩包絡(luò)圖見圖5；不同支撐設(shè)置下連續(xù)墻穩(wěn)定分析見圖6。

表1 內(nèi)支撐布置方案表m

圖6 不同支撐設(shè)置情況對地下連續(xù)墻穩(wěn)定安全系數(shù)敏感性分析

圖5 不同支撐設(shè)置情況下地下連續(xù)墻變形和彎矩包絡(luò)圖

由圖5 可以看出，內(nèi)支撐設(shè)置的越多，地下連續(xù)墻墻身位移和彎矩越小，加強支撐在控制墻體位移和改善墻身彎矩方面有積極作用，方案1 到方案2增加一道支撐，地下連續(xù)墻最大彎矩減小約17.7%，方案2 到方案3 增加1 道支撐，地下連續(xù)墻最大彎矩減小約12.4%。

由圖6 可以看出，墻內(nèi)支撐布置數(shù)量為連續(xù)墻基坑抗傾覆穩(wěn)定性的敏感因素，內(nèi)支撐布置越密，整體穩(wěn)定性越好[5]。

綜合考慮整體結(jié)構(gòu)合理、方便施工等因素，在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工要求的條件下，地下連續(xù)墻內(nèi)支撐布置選定方案2，連續(xù)墻內(nèi)布置3 道支撐。

4 洞臉開挖支護設(shè)計

隧洞進口綜合支護如圖7 所示。

由于隧洞需在軟弱土層中進洞以及隧洞進口開挖開口線范圍有限，洞臉至A 段連續(xù)墻頂部邊坡采用加筋擋墻支護，A段連續(xù)墻以上邊坡自然放坡的支護形式。隧洞進口采用鋼筋混凝土擋墻，減少開挖開口線，并增強坡腳蓋重，擋墻鋼筋與兩側(cè)地下連續(xù)墻墻身采用預(yù)埋鋼筋相連，形成整體受力結(jié)構(gòu)。墻身設(shè)置6m/9m 自進式錨桿穿過最危險滑弧面，可大幅提高邊坡抗滑力，增加邊坡整體穩(wěn)定性。擋土墻內(nèi)設(shè)φ76mm 排水孔，L=5m，上仰角為5°～10°，間排距為3m×1m；擋土墻墻身設(shè)置自進式錨桿，錨桿參數(shù)C25，L=6m/9m，間排距為2m×1m。

A 段連續(xù)墻以上段采用自然放坡，嚴格控制邊坡開挖坡比不陡于1∶2，減小邊坡頂部荷載，降低邊坡下滑力。邊坡掛網(wǎng)植草，掛網(wǎng)鋼筋為A6.5mm@20mm×20mm，邊坡內(nèi)設(shè)A76mm 坡面系統(tǒng)排水孔，L=5m，上仰角為5°～10°間排距為3m×3m，坡面采用U 型錨釘支護，梅花型布置。

隧洞進洞形式為超前大管棚進洞，超前大管棚具有梁拱效應(yīng)和加強效應(yīng)，形成梁拱結(jié)構(gòu)，防止圍巖崩塌和松弛，注漿提高鋼管周圍圍巖的強度和剛度。超前大管棚按門型布設(shè)，洞口設(shè)置混凝土導(dǎo)向墻以控制大管棚外插角精度，提高大管棚對軟弱圍巖的超前支護作用。管棚超前支護采用外徑A80mm，壁厚10mm 的熱軋無縫鋼尖管，鋼管前端呈尖錐狀，尾部焊接A16mm 加勁箍，管壁四周鉆A16mm 壓漿孔供預(yù)注漿用[6]。

圖74 號隧洞綜合支護圖

相同的口線條件下，采用加筋混凝土擋墻支護措施，提高了邊坡抗滑力，提高了穩(wěn)定安全系數(shù)，大幅降低了邊坡下滑力。墻身設(shè)置錨桿加固后，提高了抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。同時根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測情況，洞臉邊坡為穩(wěn)定安全狀態(tài)，加筋混凝土擋墻等支護措施提高了邊坡抗滑力，起到了抗滑效果。

5 結(jié)語

綜上所述，4 號隧洞進口段的開挖及支護設(shè)計思路正確，方便使用，確保了4 號隧洞工程順利建成。