軟弱圍巖淺埋洞口段施工關(guān)鍵技術(shù)研究

堯建敏 胡江煥 冉路堯

(中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430000)

軟弱圍巖超淺埋隧道洞口施工工序繁多，由于圍巖多次擾動，圍巖應(yīng)力及支護受力情況復雜，因此選擇合理的開挖方法是保證隧道洞口穩(wěn)定性的必要前提。對于當今國內(nèi)外長大公路隧道洞口的施工方法，盡管開挖方法多種多樣，但對于隧道洞口段的軟弱巖土層，均需經(jīng)過適當?shù)牡貙宇A加固處理，并采用雙側(cè)壁導洞法、CD法或CRD法、臺階法、弧形導洞超前法或組合方法開挖。其出發(fā)點是盡可能地借助于輔助施工方法改良土體，將大斷面化大為小，并盡快地沿開挖輪廓形成封閉或半封閉的承載結(jié)構(gòu)，再開挖核心部和仰拱。

肖伯強等[1]針對大跨度隧道施工過程中，由于跨度較大而引起較多的不利因素導致施工進展困難，應(yīng)用有限元法對長大隧道的完整開挖過程進行了動態(tài)模擬研究，模擬開挖采用能保證施工安全的雙側(cè)壁導坑法對圍巖的位移、初期支護的剪力、彎矩及錨桿軸力動態(tài)變化進行監(jiān)控，提出長大隧道施工中容易出現(xiàn)的問題及相應(yīng)的解決措施。鐘東雄[2]結(jié)合工程實際，進行黃土連拱隧道的關(guān)鍵施工力學問題的研究，正洞上下臺階法與側(cè)壁導洞法施工方案比較研究；先左洞(靠山一側(cè))施工方案和先右洞施工方案的對比。計算結(jié)果表明對于偏壓黃土連拱隧道應(yīng)采用先開挖靠山一側(cè)的側(cè)壁導洞法進行施工。羅洪成等[3]通過建立大斷面隧道三維施工開挖模型，采用三維有限元模擬隧道開挖施工，分析大斷面隧道開挖過程中單側(cè)壁導坑法和雙側(cè)壁導坑法各自的施工工況，以及在施工過程中分別引起的地表沉降。最后發(fā)現(xiàn)2種方法引起的地表沉降數(shù)值相差不大，但考慮到單側(cè)壁導坑法施工工序少，施工成本較低，所以優(yōu)先選擇單側(cè)壁導坑法施工。

借鑒鄧洪亮等[4]淺埋隧道圍巖位移及應(yīng)力變化規(guī)律研究，段寶福等[5]隧道穿越富水破碎帶施工工藝與數(shù)值分析，任建喜等[6]軟巖隧道圍巖變形規(guī)律及支護技術(shù)模擬分析，本文依托武深高速嘉通段TJ-5標段內(nèi)南山隧道，針對進口段的殘坡積軟弱圍巖，結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，提出“三臺階七步開挖法”，增設(shè)雙層鎖腳錨桿及臨時仰拱保證施工過程中圍巖的穩(wěn)定性，為山嶺隧道進口段施工提出了一種新的思路。

1 工程概況

南山隧道為一座上、下行分離的四車道高速公路長隧道。隧道左線起訖樁號ZK61+205-ZK62+970.732，長1 765.732 m，縱坡為+2.26%、+1.728%的單向上坡，最大埋深210 m；隧道右線起訖樁號YK61+210-YK62+975，長1 765 m，縱坡為+2.25%、+1.77%的單向上坡，最大埋深214 m。隧道左、右線凈距25 m，其中左線進口位于直線上，接Rr為4 000 m圓曲線，出口位于Rr為4 000 m圓曲線；右線進口位于直線上，接Rr為4 000 m圓曲線，出口位于Rr為4 000 m圓曲線。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、地調(diào)及鉆孔揭示，隧道區(qū)地層由上而下依次為：第四系殘積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土(Qel+dl)；下伏基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)白云巖及五里牌組(∈1w)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)粉砂巖。

隧道右線進口段20 m范圍內(nèi)近北向斜坡下部靠近坡腳地帶，地形較緩，自然地面坡度20°～25°，坡體物質(zhì)主要由殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土及強風化白云巖構(gòu)造，圍巖破碎，為V級圍巖，埋深為5～30 m，為超淺埋段。

2 方案比選

隧道進口段圍巖主要由殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土及強風化白云巖構(gòu)成，圍巖破碎、等級為V級。初期支護的參數(shù)：采用18工字型鋼，縱向間距為0.5 m；采用直徑為42 mm的超前小導管注漿，長度為3.5 m，環(huán)形間距為0.4 m，縱向間距為0.5 m，梅花型布置；采用雙層直徑8 mm，間距為20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)片，并噴射26 cm厚的C20混凝土，拱架落底處鎖腳錨管采用直徑42 mm鋼管，長度為3 m。

隧道開挖斷面為12.26 m(寬)×10.4 m(高)。進口段開挖工法可以采用CD法或三臺階七步開挖法，將2種方案進行比選，在保證質(zhì)量、安全、進度的前提下選擇最優(yōu)的方案。

2.1 施工工藝流程

隧道開挖CD法、三臺階七步開挖法工藝流程圖見圖1、圖2。

圖1 CD法施工工藝流程圖

圖2 三臺階七步開挖工藝流程圖

2.2 計算模型及計算參數(shù)

采用有限元法對隧道支護結(jié)構(gòu)進行計算時，計算區(qū)域的左右邊界應(yīng)在離相鄰側(cè)隧道毛洞壁面的距離達3～5倍(36.78～61.30 m)以上毛洞跨度的位置設(shè)置，下部邊界距離隧道毛洞底面的距離應(yīng)為隧道毛洞高度的3～5倍以上，上部邊界宜取至地表。

模型采用實體單元建模，圍巖土體采用摩爾-庫侖模型；初期支護采用2D板單元模擬，采用彈性本構(gòu)。模擬使用的模型尺寸為考慮隧道埋深為20 m，模型大小長為40 m、寬為80 m、高為70 m，超前小導管注漿支護的效果采用提高加固圈物理參數(shù)的辦法來模擬其作用效果，初期支護采用2D板單元模擬，初期支護鋼拱架的作用采用等效方法計算，即將鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土。位移邊界條件為上表面即地表為自由邊界，其余各外表均約束法線方向的位移。

采用midas建立三維模型并劃分網(wǎng)格，三維計算模型圖見圖3。

圖3 三維計算模型圖

根據(jù)勘察報告隧道各類圍巖物理力學指標見表1。

表1 圍巖物理力學指標

2.3 工法比選

CD法開挖施工引起的地層豎向位移及水平位移圖見圖4。

圖4 CD法施工位移云圖(單位：m)

圖4分析結(jié)果顯示，CD法施工隧道拱頂沉降最大值為9.55 mm，小于控制值(10.42 mm)；隧道水平收斂最大值為2.3 mm，小于控制值26.04 mm。CD法開挖施工圍巖應(yīng)力分布圖見圖5。

圖5 CD法施工應(yīng)力云圖(單位：kPa)

從圖5主應(yīng)力云圖可以看出，CD法施工產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為0.09 MPa，最大壓應(yīng)力為2.2 MPa。隧道圍巖應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)，巖體不會發(fā)生拉壓破壞。

三臺階七步開挖法施工引起的地層豎向位移及水平位移圖見圖6。

圖6 三臺階七步開挖法施工位移云圖(單位：m)

根據(jù)圖6三維數(shù)值分析結(jié)果，三臺階七步開挖法施工隧道拱頂沉降最大值為8.11 mm，小于控制值(10.42 mm)；隧道水平收斂最大值約3.37 mm，小于控制值26.04 mm。

三臺階七步開挖法施工圍巖主應(yīng)力分布圖見圖7。

圖7 三臺階七步開挖法施工應(yīng)力云圖(單位：kPa)

從圖7主應(yīng)力云圖可以看出，三臺階七步開挖法施工產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為0.01 MPa，最大壓應(yīng)力為2.1 MPa。隧道圍巖應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)，巖體不會產(chǎn)生拉壓破壞。

CD法與三臺階七步開挖法施工拱頂沉降與凈空收斂計算值見表2。

表2 計算結(jié)果 mm

由表2可見，優(yōu)化后的三臺階七步開挖法拱頂沉降比CD法大，水平收斂比CD法小，但位移均在規(guī)范限值內(nèi)。綜合CD法與三臺階七步開挖法的優(yōu)缺點對比，改用三臺階七步開挖法施工。

3 工程應(yīng)用效果分析

基于理論分析，針對進口段的殘坡積破碎圍巖提出了“三臺階七步開挖法”，即將開挖面分成上、中、下3個臺階，在每個臺階上預留核心土，核心土長度為3 m、寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2，各臺階預留核心土開挖每循環(huán)進尺宜與其他分部循環(huán)進尺相一致。中、下臺階左、右側(cè)開挖應(yīng)錯開3～5 m，同一榀鋼架兩側(cè)不得同時懸空。每個臺階開挖之后工字鋼落底處需打設(shè)雙層鎖腳錨管，在上臺階和中臺階施做臨時仰拱，保證隧道在開挖過程中圍巖的穩(wěn)定。

為了驗證實際施工過程中優(yōu)化的三臺階七步開挖法施工效果，選取淺埋洞口段區(qū)域YK61+230、YK210+240 2個斷面的拱頂沉降位移、水平位移收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步驗證，2處斷面的變形數(shù)據(jù)見表3～表6。

表3 YK61+230處隧道拱頂變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 YK61+240處隧道拱頂變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

表5 YK61+230處隧道水平變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

表6 YK61+240處隧道水平變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

由表3～6監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可知，2個斷面的拱頂沉降最終位移值均未超出本工程設(shè)定圍巖變形的累計預警值，水平收斂最終位移通過后續(xù)施做的臨時仰拱和雙層鎖腳錨管得到了控制，滿足了掌子面開挖要求。

此外，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算得到的數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致，表明了優(yōu)化的“三臺階七步開挖法”符合工程應(yīng)用要求，具有較強的可操作性與一定的實用性。

4 結(jié)語

隧道進口段原設(shè)計開挖采用CD法，鑒于CD法分部較多，工序繁雜、開挖面小、臨時支撐耗費材料較多且施工進度較慢等缺點，通過數(shù)值模擬對比分析了CD法與三臺階七步開挖法在該工程中的適用性，最終選擇采用三臺階七步開挖法施工。在實際施工過程中，針對圍巖穩(wěn)定性，優(yōu)化了“三臺階七步開挖法”，提出施做雙層錨管及臨時仰拱等輔助工法，保證了隧道進洞時的穩(wěn)定。