淺埋棄渣堆積體影響下的隧道支護(hù)技術(shù)研究

李波 何濤 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.工程概況

?？抵辽褶r(nóng)架高速公路路線里程全長(zhǎng)約43.259km，分5個(gè)施工標(biāo)段，全線橋梁總長(zhǎng)10615.8m/27座，隧道總長(zhǎng)26258.6m/11座，橋隧比例85.24%，另有60m的引水洞一座。是湖北省“十二五”規(guī)劃中“九縱五橫三環(huán)”高速公路網(wǎng)規(guī)劃以及“鄂西生態(tài)文化旅游圈”建設(shè)的重要組成部分，同時(shí)也是神農(nóng)架林區(qū)同外界溝通聯(lián)系的第一條高速公路。針對(duì)隧道工程可能出現(xiàn)的施工風(fēng)險(xiǎn)，提出針對(duì)性預(yù)防措施，從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、涌水帷幕注漿及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整施工工法等有效手段，保證了隧道施工的安全。

2.隧道工程地質(zhì)概況

隧道采用上下行分離式設(shè)計(jì)的四車(chē)道隧道，隧址區(qū)地貌為構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)。山體地形被切割較為強(qiáng)烈，山頂線多為圓錐狀，山脊為波狀起伏狀。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及物探等相關(guān)勘察資料，隧址區(qū)出露地層主要為第四系更新統(tǒng)殘坡積粘土，泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組強(qiáng)～中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖等組成。隧址區(qū)內(nèi)因地質(zhì)構(gòu)造影響，受燕山期花崗巖侵入，巖層受到強(qiáng)烈擠壓，局部有方解石脈和石英脈穿插。

隧道巖性為中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體呈破碎—較破碎，圍巖自穩(wěn)性較差，側(cè)壁易發(fā)生掉塊現(xiàn)象或致失穩(wěn)，拱部由于無(wú)支護(hù)同樣易引發(fā)掉塊，爆破震動(dòng)過(guò)大時(shí)易導(dǎo)致塌方問(wèn)題，從而使得初期支護(hù)變形嚴(yán)重，下沉變形而嚴(yán)重侵入建筑限界。此外，工程施工過(guò)程中下穿棄渣場(chǎng)和一條鄉(xiāng)村公路（現(xiàn)為施工便道，載重貨車(chē)較多），棄渣場(chǎng)內(nèi)擬棄渣高度約為20m。棄渣場(chǎng)原為山體沖溝，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示沖溝底原地表處最小高程為754.884m，該處隧道埋深約為22.69m，棄渣場(chǎng)內(nèi)棄渣對(duì)隧道形成較大的土體壓力。

本項(xiàng)目隧道圍巖強(qiáng)度較低，開(kāi)挖后不具備良好的自穩(wěn)能力，同時(shí)在隧道上方還有22m厚的棄渣場(chǎng)，為確保工程的長(zhǎng)期運(yùn)行安全，需要對(duì)該段隧道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行系統(tǒng)的校核和工程處置，才能保證隧道運(yùn)行期安全。

3.棄渣堆積體下隧道工程支護(hù)參數(shù)研究

3.1 邊界條件及參數(shù)

首先采用地層結(jié)構(gòu)法對(duì)結(jié)構(gòu)的受力特征進(jìn)行數(shù)值仿真分析，復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)時(shí)，V級(jí)圍巖中二襯作為主要承載結(jié)構(gòu)。此處假設(shè)開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力釋放20%，初襯與圍巖承擔(dān)40%圍巖壓力，二襯承擔(dān)40%圍巖壓力。

計(jì)算時(shí)首施加初始地應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)于淺埋隧道工程，只考慮自重應(yīng)力，數(shù)值計(jì)算時(shí)，開(kāi)挖時(shí)先釋放20%的圍巖荷載，初期支護(hù)噴射混凝土承擔(dān)40%的荷載，永久支護(hù)二襯鋼筋混凝土承擔(dān)40%的剩余荷載。

采用FLAC 3D軟件開(kāi)展數(shù)值計(jì)算，模型尺寸為：豎向取80m，水平向取50m。

隧道圍巖采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行非線性彈塑性分析。將圍巖劃分為四邊形等參單元法模擬，采用Liner element模擬隧道初襯和二襯。圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的具體幾何參數(shù)按照設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定，其物理力學(xué)參考相關(guān)規(guī)范指標(biāo)進(jìn)行取經(jīng)驗(yàn)值，初襯中鋼拱架采用等效方法模擬，將鋼拱架彈性模量按照體積含量與噴射混凝土進(jìn)行折算后獲取計(jì)算值。

對(duì)于棄渣場(chǎng)棄渣荷載，采用等效荷載方法進(jìn)行施加。數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，在隧道開(kāi)挖及支護(hù)完成后，將棄渣堆以均布荷載方式施加于地表，重新進(jìn)行計(jì)算至平衡。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明，棄渣堆載前后洞內(nèi)外變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化幅度較大。堆載前，圍巖變形范圍主要集中在隧道開(kāi)挖輪廓附近，隧道上方圍巖向下沉降，隧道底板附近圍巖略微有些隆起，兩側(cè)圍巖具體表現(xiàn)為向隧道內(nèi)收斂狀態(tài)，且變形值不是很大，圍巖最大位移矢量為7.8mm。堆載后，圍巖在水平方向上位移略有增大，但最大值僅為3mm，而在豎直方向上則表現(xiàn)為整體向下沉降趨勢(shì)，自下至上沉降值逐漸增大，且隧道開(kāi)挖范圍以上部分圍巖沉降值較大，最大沉降出現(xiàn)在隧道拱頂對(duì)應(yīng)的地表位置，最大位移矢量達(dá)30.2mm。此外，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力在堆載前后變化也很大，隧道初襯和二襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力均增大較多，而初襯和二襯內(nèi)力增幅差異較大。對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)，堆載后的內(nèi)力約為堆載前的2倍，而對(duì)于二襯結(jié)構(gòu)，堆載后的內(nèi)力達(dá)到堆載前的3.5倍。由此可見(jiàn)棄渣堆載對(duì)隧道二襯結(jié)構(gòu)安全影響較大，現(xiàn)對(duì)其安全性進(jìn)行驗(yàn)算。

3.3 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的校核

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018），公路隧道襯砌數(shù)值計(jì)算驗(yàn)算構(gòu)件截面強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)不同荷載組合時(shí)，采用不同的安全系數(shù)。

混凝土襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢算是按破損階段法進(jìn)行的，具體作如下分析：

當(dāng)e0≤0.2h時(shí)（e0為截面軸向力偏心距，e0=M/N，其中M、N為作用于檢算截面的彎矩和軸向力，kN），對(duì)于隧道鋼筋混凝土襯砌，其承載能力是受抗壓強(qiáng)度所控制，應(yīng)由抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢算，計(jì)算公式如下式（1）所示：

式（1）中，K—混凝土和石砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；φ—構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)（拱圈及墻背回填密實(shí)可靠的邊墻，φ=1）；α—軸向力偏心影響系數(shù)；Ra—混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度，MPa；b、h—截面的寬度和厚度，m。

當(dāng)e0＞0.2h時(shí)，從抗裂要求出發(fā)，由截面抗拉強(qiáng)度控制承載能力，其計(jì)算公式見(jiàn)式（2）：

式（2）中，Rl—混凝土的抗拉極限強(qiáng)度，MPa。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)相關(guān)圖紙資料，對(duì)于C25混凝土而言，取抗壓極限強(qiáng)度Ra=19MPa，抗拉極限強(qiáng)度Rl=2.0MPa，厚度h=0.45m，由公式（1）、（2）可以計(jì)算出二襯各截面位置的安全系數(shù)。棄渣堆載前二襯各截面安全系數(shù)平均值大于10，規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)最小值為3.6，能夠滿足規(guī)范要求。

棄渣堆載后，二襯安全系數(shù)普遍減小，安全系數(shù)平均值約為4，且邊墻和仰拱部位的安全系數(shù)普遍小于3.6。

上述安全系數(shù)的計(jì)算并未考慮配筋，結(jié)合襯砌受力狀態(tài)分析，受力不利的位置均位于邊墻和仰拱交接的范圍，受力特點(diǎn)是襯砌偏向圍巖一側(cè)的受拉?？紤]到受拉側(cè)在內(nèi)部，受到圍巖的抗力約束作用，因此對(duì)結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小。因此實(shí)際上二襯的結(jié)構(gòu)安全性能得到保證。

初期支護(hù)的受力情況與二襯類(lèi)似，其受力薄弱位置也處于邊墻和仰拱交接范圍。如前所述，考慮到仰拱回填、初支與圍巖接觸良好等因素，邊墻和仰拱交接范圍初支安全性可得到保證。

3.4 工程現(xiàn)場(chǎng)處理效果

針對(duì)隧道穿越棄渣場(chǎng)溝底后，初期支護(hù)發(fā)生鋼支撐壓彎及下沉量侵入建筑限界的實(shí)際情況。提出了控制涌水、反壓回填及加固圍巖與優(yōu)化施工工法的措施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察及對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析，左、右洞施工正常，左、右洞掌子面按上下兩臺(tái)階法開(kāi)挖，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到，靠近近掌子面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于受工程開(kāi)挖擾動(dòng)等影響，導(dǎo)致沉降和收斂值稍大，但各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均正常，正常施工日均拱頂沉降和水平收斂變形都已在0.20mm/d以下，符合監(jiān)控量測(cè)規(guī)范變形穩(wěn)定要求。由于隧道淺埋并有棄渣覆蓋，施工期間對(duì)多個(gè)斷面進(jìn)行了長(zhǎng)期變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明工后處理效果非常好。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合隧道工程的建設(shè)，考慮施工堆載影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，主要結(jié)論如下：

（1）隧道下穿棄渣場(chǎng)段在棄渣堆載前后變形和受力變化較大，棄渣堆載使圍巖豎向位移大幅增大，初支和二襯結(jié)構(gòu)的受力大幅增加，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)有明顯的影響。

（2）除邊墻和仰拱交接范圍外，棄渣堆載前和堆載后隧道的二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。盡管堆載后二襯受力增加導(dǎo)致安全系數(shù)降低，特別邊墻和仰拱部位安全系數(shù)較小，但考慮到仰拱回填、支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖接觸良好等因素，在襯砌結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中可提供抗力約束，實(shí)際上邊墻和仰拱交接范圍結(jié)構(gòu)安全性可得到保證。