南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

鄂盛中

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

南寨隧道是廣東云茂高速公路的一條分離式長隧道，左線隧道起迄里程ZK39+534～ZK41+068，長1 534m，線路地形起伏大，地面標(biāo)高138.0～342.5m，最大相對高差約204.5m。受當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境因素和人為施工因素的影響，隧道進(jìn)口端左洞出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象[1]。

針對隧道偏壓這一問題，專家學(xué)者已經(jīng)開展并得出了不少研究成果。文獻(xiàn)[2]提到以回頭溝隧道工程為例，對回填法、削坡法、地表注漿法等偏壓隧道地表處理措施進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同地表處理措施對隧道偏壓產(chǎn)生的影響。采用注漿法注漿后，拱頂及左、右拱肩的豎直位移均比注漿前降低90%以上，但注漿區(qū)域水泥-水玻璃漿液使圍巖密度增大,引發(fā)了應(yīng)力場的重新分布。文獻(xiàn)[3]建立考慮實際地形狀況的隧道三維計算模型，分別采用臺階法和分步開挖法，以不同施工順序?qū)λ淼朗┕み^程進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)對比分析，確定隧道的合理施工方法。上述兩種方法都在一定程度上緩解了隧道的偏壓問題，但尚未考慮偏壓類型及其特征。

為了確保南寨隧道建設(shè)期及運(yùn)營期的使用安全，在以往研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓處理方案。在含水狀態(tài)下構(gòu)建隧道巖石蠕變模型，利用所構(gòu)建的模型分析南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓情況，提取偏壓特征，利用三臺階七步流水作業(yè)法，根據(jù)偏壓情況沿隧道縱向?qū)Ω鞑课贿M(jìn)行開挖并設(shè)置支護(hù)措施。

1 南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓支護(hù)策略

1.1 構(gòu)建含水狀態(tài)下的隧道巖石蠕變模型

利用開爾文模型[4]來描述巖石碎裂偏移等蠕變特性。水對巖石有物理作用、化學(xué)作用以及力學(xué)作用，相關(guān)文獻(xiàn)顯示，每級荷載完成的瞬間，隨著含水率的增大，隧道巖石的瞬時彈性應(yīng)變逐漸增大，而瞬時彈性模量隨飽和度的變化而波動。根據(jù)自然風(fēng)干下、不完全飽和下以及飽和下的巖石蠕變擬合參數(shù)可知，瞬時彈性模量隨著荷載的增大而減小，其中，瞬時彈性模量用E1表示，粘性模量用E2表示。根據(jù)隧道巖石參數(shù)粘性模量與飽和度的關(guān)系可知，粘性模量隨飽和度的增大而減小，呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，同時隨著飽和度的增大衰減速率不斷減小，也就是粘性模量的值在降低。粘滯系數(shù)可通過φ1來表示。由于水對巖石有破壞性作用和潤滑作用，因此飽和度較大的巖石在相同的應(yīng)力水平下，其蠕變速率較高，而蠕變粘滯系數(shù)較低。與粘性模量和飽和度的關(guān)系近似，飽和度越大則粘滯系數(shù)的值就越小，衰減速率隨著飽和度的增大而下降[5-6]。根據(jù)含水狀態(tài)變化對隧道巖石的蠕變影響，確定含水率變量及其演化方程。將巖石的變形看成彈性變形和蠕變變形的總和，同時考慮巖石損傷對變形的影響，將其分為瞬間彈性損傷和長期損傷。瞬間彈性損傷的計算表達(dá)式為：

(1)

式中：D(Br)表示損傷變量；Br表示巖層徑向飽和度；E1(0)、E1(Br)分別表示干燥狀態(tài)下、任意飽和度下巖石的瞬間彈性模量。同理，長期蠕變損傷方程和粘滯系數(shù)的損傷演化方程為：

(2)

根據(jù)上述計算結(jié)果，構(gòu)建含水狀態(tài)下的隧道巖石蠕變模型：

式中：t表示時間；σ0表示應(yīng)變張量[7]。

通過上述分析與計算過程，利用所構(gòu)建的含水狀態(tài)下的隧道巖石蠕變模型，能夠計算得出隧道進(jìn)口端左洞出現(xiàn)的偏壓類型。分析南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓的情況，根據(jù)偏壓情況沿隧道縱向?qū)Ω鞑课贿M(jìn)行開挖并設(shè)置支護(hù)措施。

1.2 鑒別左洞偏壓類型提取偏壓特征

利用上述構(gòu)建的蠕變模型，進(jìn)行左洞偏壓數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果鑒別左洞偏壓類型，并提取偏壓特征。根據(jù)《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)程》(JTG F90-2015)和《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80-1-2017)，隧道雙洞間的最小凈距共有5個級別。當(dāng)隧道圍巖級別分別為I級、II級、III級、IV級以及V級時，要求雙洞最小凈距分別為1.0B、1.5B、2.0B、2.5B和3.5B[8]。根據(jù)隧道巖石蠕變模型可知，當(dāng)隧道進(jìn)口端左洞出現(xiàn)偏壓時，是地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)導(dǎo)致的偏壓，則圍巖各個巖層之間的粘結(jié)效果較弱，處于層狀構(gòu)造狀態(tài)，且有一定的傾角。此時的隧道左洞如果處于該位置，則會出現(xiàn)巖層松動或割裂的現(xiàn)象，使進(jìn)口端左洞發(fā)生偏壓效應(yīng)。同時左洞偏壓是由于施工原因引起的偏壓現(xiàn)象，此時的圍巖初始狀態(tài)被擾動，不穩(wěn)定的巖層結(jié)構(gòu)承受局部集中應(yīng)力，致使進(jìn)口端左洞發(fā)生嚴(yán)重的偏壓。根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合式(3)的計算方程，計算圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)：

σ=σr+σ1

(4)

式中：σr表示構(gòu)造徑向應(yīng)力分量；σ1表示自重應(yīng)力分量。

面對偏壓隧道的支護(hù)工程，初始應(yīng)力場會發(fā)生變化，通過重新調(diào)整鋼拱架獲得全新的支護(hù)狀態(tài)。因此根據(jù)式(4)，計算隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)：

式中：θ表示坑道周邊的圍巖偏移角度；k表示塑性參數(shù)；δ表示埋深系數(shù)；σt表示切向應(yīng)力；εn表示剪應(yīng)力。

根據(jù)上述計算結(jié)果，提取隧道進(jìn)口端左洞的偏壓特征。南寨隧道跨度較大，大斷面與低扁平率十分突出。當(dāng)公路隧道為兩車道、三車道和四車道時，公路隧道的扁平率分別為0.8H/B、0.65H/B以及0.5H/B。而根據(jù)南寨隧道的施工情況可知，中夾巖是施工中的重要部位，直接影響整個隧洞開挖工程的施工進(jìn)度。從應(yīng)力角度出發(fā)，可知圍巖應(yīng)力分布與隧道斷面結(jié)構(gòu)之間具有強(qiáng)相關(guān)性,與隧道斷面大小之間具有弱相關(guān)性。當(dāng)斷面跨度越大時，則偏壓影響下左洞的穩(wěn)定性就會降低，隧道洞口段普遍存在圍巖風(fēng)化、破碎等問題。根據(jù)成拱效應(yīng)原理可知，隧洞拱頂距離地表較近時，偏壓效應(yīng)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均勻，嚴(yán)重時會發(fā)生洞口塌落、冒頂、滑坡等事故[9]。

1.3 制定進(jìn)口端左洞偏壓支護(hù)策略

根據(jù)隧道偏壓特征提取結(jié)果，制定進(jìn)口端左洞偏壓支護(hù)策略，采用三臺階七步流水作業(yè)法，開挖存在偏壓問題的施工段。該過程以弧形導(dǎo)坑作為預(yù)留核心土開挖的基本模式，從上、中、下三個臺階和七個部分進(jìn)行挖掘，同時采用錯開、平行掘進(jìn)的方法，沿隧道縱向?qū)Ω鞑课贿M(jìn)行開挖與支護(hù)。進(jìn)洞第一環(huán)設(shè)置φ108mm鋼管長管棚超前支護(hù)，采用水泥漿液作為管棚注漿材料(添加水泥漿液體積5%的水玻璃，水泥漿水灰比為1:1，水玻璃濃度為35波美度)，在拱部120°處布置節(jié)點，然后將配置好的漿液按照“先下后上”、“跳孔注漿”、“由稀到濃”的原則進(jìn)行注漿施工，此時的注漿壓力需要被控制在0.5～1.0MPa之間。進(jìn)洞后設(shè)置超前小導(dǎo)管的環(huán)向間距為40cm，縱向搭接2m。對ZK39+560段增加徑向注漿小導(dǎo)管施工，將熱軋無縫鋼管加工處理。設(shè)置水泥漿水灰比為1:1，水泥漿水與水玻璃體積比為1:0.05，注意注漿壓力不能超過1.0MPa[10]。圖1為三臺階七步開挖施工工序的透視圖。

圖1 三臺階七步開挖施工工序

圖1中各個序號代表工程涉及的7個步驟。進(jìn)行左洞偏壓支護(hù)處理時，要求第1步在上臺階環(huán)形導(dǎo)坑開挖，第2步、第3步分別在左側(cè)和右側(cè)中臺階開挖，第4步、第5步分別在左側(cè)和右側(cè)下臺階開挖，第6步則開挖上下臺階預(yù)留核心土，第7步開挖隧道底部。圖2為加強(qiáng)保護(hù)后，左洞偏壓處的支護(hù)斷面示意圖。

圖2 左洞偏壓處加強(qiáng)支護(hù)斷面

按照圖1中的順序處理左洞偏壓問題，注漿之前需要進(jìn)行壓水測試，同時檢查機(jī)械設(shè)備是否可以正常運(yùn)行，還要注意注漿壓力及注漿泵排量的變化，確保注漿效果達(dá)到技術(shù)要求[11]。此外，要求隧道開挖長度小于小導(dǎo)管的注漿長度。初期采用I20a工字鋼支護(hù)鋼架焊牢支護(hù)，利用準(zhǔn)備好的工具進(jìn)行支護(hù)處理，至此實現(xiàn)對南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓處理方案的設(shè)計[12]。

2 支護(hù)策略應(yīng)用的適宜性評價

2.1 支護(hù)策略方案應(yīng)用

南寨隧道穿過構(gòu)造剝蝕丘陵，云浮端洞門和茂名端洞門均采用端墻式，標(biāo)高分別為164.7m和179.4m。隧道最大埋深約145m，坡度在-0.744%～2.200%之間。該工程的進(jìn)口段起始里程分別為ZK39+540和K39+516，終止里程分別為ZK39+610和ZK39+566。圍巖級別為全V級，隧道左線洞口偏壓段襯砌類型為XS-Va級。存在偏壓問題的隧道進(jìn)口端左洞洞口處的地形地貌如圖3所示。

圖3 隧道進(jìn)口端左洞洞口處地形地貌

根據(jù)如圖3所示的地理位置信息和土地環(huán)境信息，應(yīng)用南寨隧道施工工程的專項施工方案，對南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓處進(jìn)行施工處理。然后進(jìn)行三個階段的實驗測試，評價偏壓處理支護(hù)策略應(yīng)用的適宜性。

2.2 進(jìn)口端左洞豎向位移監(jiān)測

實驗的第一階段，對南寨隧道進(jìn)口端左洞豎向位移情況進(jìn)行監(jiān)測分析，如圖4所示。

圖4 不同位置處的豎向位移監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)圖4監(jiān)測結(jié)果可知，在本文介紹的偏壓處理支護(hù)策略應(yīng)用下，南寨隧道進(jìn)口端左洞左拱腰和右拱腰豎向位移變化值明顯下降，說明提出的處理方案能夠控制進(jìn)口端左洞豎向位移。隧道進(jìn)口端左洞豎向位移的平均值見表1。

根據(jù)表1的計算結(jié)果可知，在此次偏壓處理支護(hù)策略的應(yīng)用下，隧道進(jìn)口端左洞偏壓的豎向位移得到了控制。

表1 進(jìn)口端左洞豎向位移(單位：mm)

2.3 進(jìn)口端左洞偏壓監(jiān)測點圍巖應(yīng)力監(jiān)測

實驗的第二階段，對南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓監(jiān)測點的圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同位置處的圍巖應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)圖5的監(jiān)測結(jié)果可知，在35d的測試周期內(nèi)采用本文介紹的處理方案后，進(jìn)口端左洞處的圍巖應(yīng)力更大，表明其抗壓能力更強(qiáng)。根據(jù)本文介紹的巖石蠕變模型公式，計算三個位置處的圍巖平均應(yīng)力值，比較方案應(yīng)用下的處理前后的差距(表2)。

根據(jù)表2可知，左拱腰、右拱腰以及拱頂?shù)膰鷰r應(yīng)力均得到較大的提升，表明該處理方案是有效的。

表2 圍巖平均應(yīng)力值對比(單位：kPa)

2.4 進(jìn)口端左洞鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測

實驗的第三階段，對南寨隧道進(jìn)口端左洞鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同位置處的鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

計算圖6中不同位置處鋼拱架應(yīng)力的平均值，分析處理方案對鋼拱架應(yīng)力的應(yīng)用效果，分析結(jié)果見表3。

表3 鋼拱架應(yīng)力平均值(單位：MPa)

根據(jù)表3的計算結(jié)果可知，應(yīng)用本文介紹的處理方案后，鋼拱架的應(yīng)力得到了提高，對于進(jìn)口端左洞起到了更好的支護(hù)作用。通過上述三組測試結(jié)果可知，南寨隧道進(jìn)口端左洞偏壓處理方案可以應(yīng)用于隧洞偏壓處理。

3 結(jié)語

針對南寨隧道設(shè)計的偏壓支護(hù)策略，在充分了解施工技術(shù)的前提下，提出了對應(yīng)的隧洞偏壓處理方法。根據(jù)隧道的巖石蠕變模型鑒別南寨隧道左洞偏壓的類型，采用三臺階七步開挖施工工序，制定進(jìn)口端左洞偏壓支護(hù)策略。實踐表明，所設(shè)計的偏壓支護(hù)策略能夠提升進(jìn)口端左洞處的圍巖應(yīng)力，減小進(jìn)口端左洞豎向位移，為南寨隧道進(jìn)口端左洞的施工及運(yùn)營安全提供了技術(shù)支持。