淺埋粉砂巖地層隧道洞口段施工的數(shù)值模擬研究

許貽仲

摘要：淺埋粉砂巖地層隧道開挖時若處置不當容易引起較大的地表與隧道沉降，甚至?xí)?dǎo)致隧道掌子面坍塌。文章結(jié)合廣西沙彎隧道洞口進洞方案，采用數(shù)值模擬的方法，研究了首先采用超前小導(dǎo)管注漿與環(huán)向注漿加固隧道掌子面，再采用三臺階七步開挖法時，地表沉降與隧道拱頂沉降的變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這種施工方案能夠保持隧道掌子面與洞口邊坡的穩(wěn)定性，同時地表沉降與隧道拱頂沉降可控，且隧道開挖對隧道中線兩側(cè)1.5b范圍內(nèi)地表沉降影響較大，鎖腳錨桿能夠有效控制隧道的橫向收斂變形，二次襯砌應(yīng)該及時施工。

關(guān)鍵詞：粉砂巖;洞口段;注漿加固;三臺階七步開挖法;鎖腳錨桿

0 引言

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，近幾十年來，國內(nèi)修建了大量的山嶺與城市隧道。山嶺地區(qū)高差起伏大，地形陡峭，尤其是在高陡邊坡、軟弱圍巖、淺埋深、洞口偏壓等不利條件下，隧道如何安全進洞這個問題就更加突出。雖然在《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》中提出了“早進洞，晚出洞”的施工準則，但是實際施工中常常采用刷坡、拉槽等方法，這樣會引起洞口邊坡失穩(wěn)甚至導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，而如何將該施工準則發(fā)展為“不傷坡進洞”的施工方案，在保護隧道洞口安全與生態(tài)環(huán)境的同時降低施工成本，是很具有研究意義的。

近年來，相關(guān)學(xué)者與研究人員已經(jīng)針對隧道洞口施工進行了大量研究，也提出了相當多的施工方案并得到了工程應(yīng)用。孟凡亞[1]根據(jù)對武隆隧道軟巖淺埋段的地質(zhì)情況的研究，提出了地表預(yù)注漿與大管棚相結(jié)合的施工技術(shù)，結(jié)果表明，此技術(shù)能夠提高軟巖的結(jié)構(gòu)強度，施工得以安全進行。張敏等人[2]以皖南某淺埋偏壓隧道為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法，對隧道高邊坡的變形與破壞機制進行研究，認為隧道開挖前首先對上部巖體進行加固，可以有效地減小與避免隧道洞壁的應(yīng)力集中現(xiàn)象。陳小勇等人[3]結(jié)合鐵寨子1#隧道的工程概況，對比各種施工方案，提出采用明拱暗墻法的方案即可保證洞口穩(wěn)定又能保證施工安全。姜同虎等人[4]基于郭家川2#隧道洞口段的破碎圍巖，首先采用超前管棚支護，后采用聯(lián)合支護能有效保證隧道施工安全。鄧永杰[5]總結(jié)與分析了大量國內(nèi)外隧道進洞的施工方案，研究了不同圍巖級別、邊坡坡度、邊坡加固后以及不同埋深隧道開挖后對邊坡穩(wěn)定性的影響，提出了大跨度隧道的進洞方法。然而這些研究中沒有針對粉砂巖地層隧道進洞方法的。本文結(jié)合廣西沙彎隧道工程地質(zhì)概況與施工方案，采用數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)地分析了淺埋粉砂巖地層隧道洞口段三臺階七步開挖法施工與超前加固的效果，同時研究了該施工方案的加固機制。

1 工程概況

沙彎隧道為雙向行車的單洞隧道，隧址區(qū)位于永?？h，為廣西北部高山地區(qū)，地質(zhì)情況受地層巖性及構(gòu)造控制明顯，屬于高山區(qū)，其路線斜穿一連體山，沿線地形地勢呈鋸齒狀，局部呈屏狀，整體呈中部高、兩側(cè)低。隧道全長928m，為高山地貌區(qū)。隧道穿越山體地層為第四系殘坡積覆蓋層和泥盆系下統(tǒng)蓮花組和寒武系上統(tǒng)砂巖夾頁巖基巖，其進口端及出口端主要為粉砂巖地層。隧道平面洞口兩端均為曲線線型，呈“S”型，縱斷面采用單坡，縱坡坡度為2.25%，坡長為1080m。隧道洞口段首先采用超前地質(zhì)預(yù)報對地層進行分析，然后采用超前小導(dǎo)管與徑向注漿小導(dǎo)管加固，最后選用三臺階七步開挖法施工（如圖1所示）。

2 數(shù)值模擬

根據(jù)沙彎隧道工程地質(zhì)報告，選擇洞口前50m作為數(shù)值模擬的計算目標。該段平均埋深為8.7m，不考慮粉砂巖地層中水流的滲流作用。

2.1 參數(shù)計算

隧道初期支護中的型鋼拱架，根據(jù)抗壓剛度等效的原則，將鋼架的彈性模量折算到噴射混凝土襯砌的彈性模量，以簡化計算，計算方法見式（1）[6]。

2.2 模型建立

使用Midas-GTS軟件建立數(shù)值模型（見圖2）。隧道中初期支護厚度為25cm，二次襯砌厚度為50cm，超前小導(dǎo)管長度為2m，環(huán)向注漿范圍為2.5m。模型中的圍巖與注漿土體采用實體單元模擬，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型，初期支護、二次襯砌采用彈性模型，板單元模擬，超前小導(dǎo)管采用彈性模型，梁單元模擬。模型平面尺寸為隧道洞徑的3～5倍，模型計算寬度為50m，高度為47.5m，計算范圍為50×47.5×50m。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)劃分，整個模型有16822個節(jié)點，25048個單元。模型在自然條件下，僅受重力作用，采用靜力條件下的自動約束邊界。施工中的前四步見圖3，其中第一步為施作超前支護，第二步為開挖1（步驟1），第三步為開挖2與開挖3（步驟2），第四步為開挖6-1（步驟3），總共7步開挖完一個完整隧道斷面，其后以此類推。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 地表沉降分析

隧道開挖完成后，中間斷面之上的地表沉降結(jié)果見后頁圖4。由圖4可知：

（1）最大地表沉降量為31.2mm。開挖1完成時，地表沉降變化為4.6mm;中臺階開挖時，地表沉降變化分別為3.8mm和3.2mm;下臺階開挖時，地表沉降變化分別為3.5mm和2.8mm。初期支護施工時，地表沉降速率迅速減小。仰拱填筑后，地表沉降基本保持不變。

（2）隧道開挖面后地表沉降基本保持不變，即隧道開挖對該區(qū)域影響不大。在隧道掌子面前方2b范圍內(nèi)，隧道開挖對地表沉降影響較大。在隧道掌子面前方3b～3.5b范圍內(nèi)，隧道開挖引起地表少量隆起。

（3）中臺階開挖后，最大地表沉降17.2mm;下臺階開挖后，最大地表沉降26.8mm;仰拱填筑后，最大地表沉降30.9mm。最大地表沉降出現(xiàn)在隧道中線以上。隧道中線兩側(cè)1.5b范圍內(nèi)地表沉降影響較大，隧道中線兩側(cè)3b～3.5b范圍內(nèi)有輕微隆起。

2.3.2 拱頂沉降分析

隧道開挖完成后，中間斷面之上的隧道拱頂沉降結(jié)果見下頁圖5。由圖5可知：

（1）拱頂最大沉降為74.8mm。開挖1完成時，拱頂沉降變化為14.2mm;鎖腳錨桿安裝后拱頂沉降變化為1.4mm;中臺階開挖時，拱頂沉降變化分別為11.3mm和10.2mm;鎖腳錨桿安裝后拱頂沉降變化分別為1.2mm和0.9mm;下臺階開挖時，拱頂沉降變化分別為9.8mm和7.6mm;鎖腳錨桿安裝后拱頂沉降變化分別為0.7mm和0.4mm。

（2）隧道開挖對掌子面前方2b范圍內(nèi)的拱頂沉降有顯著影響，對開挖面3b以外的拱頂沉降影響不大。隧道開挖面開挖對隧道面后拱頂沉降仍有影響，影響范圍約為2～3mm。離拱頂?shù)纳疃仍竭h，拱頂沉降越小，接近于線性折減。

（3）隧道開挖時，在超前小導(dǎo)管注漿加固、掌子面環(huán)向注漿后，拱頂沉降和地表沉降逐漸收斂，地表和隧道斷面均逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。本文提出的施工方案在淺埋粉砂巖洞口段施工取得了良好的效果。

3 結(jié)語

本文結(jié)合沙彎隧道洞口段的施工方案，采用數(shù)值模擬的方法分析了方案的安全性與可靠性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）對于淺埋粉砂巖隧道洞口段施工，首先采用超前小導(dǎo)管注漿與環(huán)向注漿后，再使用三臺階七步開挖法施工，地表沉降與拱頂沉降均較小且可控，因此該方案在類似地層洞口段施工可以進行推廣。

（2）地表沉降最終形成沉降槽，隧道開挖對隧道前方2b范圍內(nèi)地表沉降影響明顯;隧道開挖對隧道中線兩側(cè)1.5b范圍內(nèi)地表沉降影響較大。同時，沿隧道中線3b～3.5b范圍內(nèi)地表有輕微隆起。

（3）頂部導(dǎo)坑（開挖1）、中部和下部臺階的開挖對地表和隧道拱頂?shù)某两涤绊戄^大，而核心土的開挖對沉降影響較小，鎖腳錨桿對減小水平位移影響較大。仰拱填筑完成后，應(yīng)及時進行二次襯砌施工。

參考文獻：

[1]孟凡亞.武隆隧道進口段淺埋軟弱圍巖的處理技術(shù)[J].西部探礦工程，2003（1）：99-101.

[2]張 敏，黃潤秋，巨能攀.淺埋偏壓隧道出口變形機理及穩(wěn)定性分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2008（4）：482-488.

[3]陳小勇，陳緒文，劉 旸，等.淺埋偏壓隧道進洞施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46（3）：89-92.

[4]姜同虎，霍三勝，葉 飛，等.淺埋軟弱破碎圍巖隧道進洞施工技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（3）：117-122.

[5]鄧永杰.淺埋偏壓大跨度隧道洞口段進洞技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[6]肖君瑞.明埡子隧道圍巖變形及合理支護結(jié)構(gòu)的研究[D].西安：長安大學(xué)，2010.

[7]賀思悅，王修領(lǐng)，韓志林，等.偏壓隧道邊坡樁錨支護加固效果的數(shù)值分析[J].公路，2017，62（8）：305-310.