強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道洞口段施工安全技術(shù)研究

汪碧云 李小彤 楊佳奇 連 正

(1.四川川交路橋有限責(zé)任公司,四川 成都 610031； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

1 概述

隧道洞口段施工是隧道工程施工中的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)，常常有“進(jìn)洞難”的說(shuō)法。這是由于洞口段一般處于淺埋地段，圍巖較為軟弱破碎，開(kāi)挖后圍巖難以成拱；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道洞口段的施工是隧道工程施工中的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)，選擇合理的開(kāi)挖工法對(duì)隧道安全施工極其關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道進(jìn)行了如下研究：李樹(shù)鵬，張俊儒等[1]以贛(州)龍(巖)鐵路新考塘隧道為工程依托，對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖淺埋地層超大斷面隧道的施工技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行深入研究；劉金泉[2]設(shè)計(jì)了一套可考慮質(zhì)量遷移及三向應(yīng)力狀態(tài)的大型室內(nèi)突水突泥試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)研究強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥變質(zhì)量滲流特征及災(zāi)害演化機(jī)理；潘以恒[3]以礦山法施工對(duì)地下水環(huán)境的影響為研究中心，以風(fēng)化花崗巖隧道為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究手段，開(kāi)展了風(fēng)化花崗巖隧道礦山法施工對(duì)地下水環(huán)境影響研究。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道的研究已取得了較為豐富的成果，在設(shè)計(jì)與施工方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。但對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道洞口段施工的研究較少，若施工不當(dāng)，極易對(duì)洞口附近巖土體產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)。本文依托金家莊隧道洞口工程，比選中隔壁(CD)法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法兩種施工方法，通過(guò)數(shù)值模擬，比較兩種工況下的隧道位移、初支襯砌受力、二次襯砌受力，并得出優(yōu)選工法，可為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道洞口工程施工提供一定參考。

2 依托工程背景

延慶至崇禮高速公路河北段金家莊隧道位于赤城縣炮梁鄉(xiāng)磚樓村東、金家莊村西北方向，隧道最大埋深約314.5 m，隧道區(qū)地表標(biāo)高為1 406 m～1 738 m，相對(duì)高差332 m，洞口入口端坡度為16°～24°，出口端坡度為26°～31°。隧道區(qū)地層以海西期二長(zhǎng)花崗巖為主，局部為第四系覆蓋層。金家莊隧道洞口剖面圖如圖1所示。

本隧道圍巖等級(jí)主要為Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級(jí)，其中洞口段圍巖為Ⅴ級(jí)，考慮隧道施工的安全性、合理性和經(jīng)濟(jì)性，隧道在洞口段擬采用中隔壁(CD)法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖施工。

3 隧道洞口施工數(shù)值分析

3.1 開(kāi)挖工法比選

隧道在開(kāi)挖后，圍巖中的初始應(yīng)力將重新分布。對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道洞口段來(lái)說(shuō)，其對(duì)工程擾動(dòng)更加敏感[4]。因此，選擇合理施工工法對(duì)施工安全至關(guān)重要。

3.2 隧道施工工法

本節(jié)針對(duì)金家莊隧道強(qiáng)風(fēng)化花崗巖洞口淺埋段，采用中隔壁(CD)法、三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖法進(jìn)行數(shù)值模擬(見(jiàn)表1)。

表1 隧道開(kāi)挖計(jì)算工法

3.3 建模情況及圍巖參數(shù)選取

本次計(jì)算以金家莊隧道為對(duì)象建立模型，此段隧道斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。隧道圍巖、二次襯砌和初支采用實(shí)體單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬，其中圍巖采用摩爾—庫(kù)侖模型，二次襯砌和初支襯砌采用彈性本構(gòu)模型計(jì)算。隧道二次襯砌厚度為60 cm，初支厚度為28 cm，錨桿為φ25中空注漿錨桿長(zhǎng)400 cm間距為0.75 m×1.0 m(環(huán)×縱)。隧道結(jié)構(gòu)和錨桿單元模型如圖3所示。

根據(jù)JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范和金家莊特長(zhǎng)螺旋隧道地質(zhì)勘察資料，本次計(jì)算選取的圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)和錨桿物理力學(xué)參數(shù)分別如表2，表3所示。

表2 隧道圍巖與襯砌物理力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿物理力學(xué)參數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)一選取中間斷面即Y=40 m(Y為距離洞口的距離)，對(duì)比分析洞口段施工引起圍巖的位移、應(yīng)力、初期支護(hù)內(nèi)力和圍巖安全系數(shù)等指標(biāo)。

3.4.1洞周圍巖位移分析

圍巖位移考察的主要內(nèi)容包括拱頂沉降、底部隆起和周邊水平收斂。監(jiān)測(cè)斷面共1個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)4處，如圖4所示。

各工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間步的變化曲線如圖5～圖8所示。

綜合圖5～圖8對(duì)比可知：采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法時(shí)的拱頂沉降量、仰拱隆起值、右邊墻水平位移和左邊墻水平位移較中隔壁(CD)法分別增加了15.3%,16.7%,13.4%和13.2%，說(shuō)明三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)性較大[5]。但兩種工法施工對(duì)圍巖的變形影響相差不大。由此斷定，CD法在控制圍巖變形方面優(yōu)于三臺(tái)階預(yù)留核心土法。

3.4.2初期支護(hù)應(yīng)力分析

兩種工況下初期支護(hù)最大最小主應(yīng)力及其分布位置如表4所示。

表4 初期支護(hù)最大最小主應(yīng)力及其分布位置

對(duì)比分析兩種工況，采用中隔壁(CD)法施工時(shí)最大主應(yīng)力為1.10 MPa，分布在拱頂位置，最小主應(yīng)力值為-4.09 MPa，出現(xiàn)在仰拱處。采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法和中隔壁(CD)法施工時(shí)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力出現(xiàn)位置相同，但其值對(duì)于中隔壁(CD)法分別減小了14.4%和17%。說(shuō)明采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，初期支護(hù)受力更小，安全性更高。

3.4.3二次襯砌內(nèi)力對(duì)比

兩種工況下二次襯砌最大最小主應(yīng)力及其分布位置見(jiàn)表5。

對(duì)比分析兩種工況，工況1(中隔壁(CD)法)下最大主應(yīng)力出現(xiàn)在仰拱位置，其值為1.84 MPa，最小主應(yīng)力出現(xiàn)在仰拱處，其值為-4.32 MPa。工況2(三臺(tái)階預(yù)留核心土法)下最大主應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳位置，其值為1.25 MPa，最小主應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，其值為-3.16 MPa。三臺(tái)階預(yù)留核心土法的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值相對(duì)于中隔壁(CD)法分別減小了32%和26.8%。說(shuō)明采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，二次襯砌受力更小，安全性更高。

表5 二次襯砌最大最小主應(yīng)力及其分布位置

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)金家莊隧道洞口段安全穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從隧道位移、圍巖應(yīng)力場(chǎng)、初支襯砌受力、二次襯砌受力及安全系數(shù)等方面進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)三臺(tái)階預(yù)留核心土法控制圍巖變形的效果不如中隔壁(CD)法，但兩者的控制效果相差不大。

2)在初期支護(hù)應(yīng)力方面，三臺(tái)階預(yù)留核心土法的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的出現(xiàn)位置和中隔壁(CD)法相同，但其值對(duì)于中隔壁(CD)法分別減小了14.4%和17%。

3)在二次襯砌內(nèi)力方面，三臺(tái)階預(yù)留核心土法的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值相對(duì)于中隔壁(CD)法分別減小了32%和26.8%。可以看出，三臺(tái)階預(yù)留核心土法的效果明顯優(yōu)于中隔壁(CD)法。