緩坡淺埋隧道洞門變形及治理措施研究

冀榮華

(中鐵十七局集團城市建設有限公司 貴州貴安 550025)

1 引言

在山嶺地區(qū)修建鐵路工程或者公路工程，為克服高程差異和改善線型，多采用隧道結構形式穿越山體[1-2]。在以往的隧道工程建設中，多關注于隧道洞身范圍內(nèi)的開挖掘進和結構支護體系的安全、技術等問題，對于洞口部位的施工風險認識不足，導致洞口坍塌和洞口襯砌結構擠壓變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，進而影響隧道工程的建設成本和建設周期[3]。這是因為隧道洞口作為隧道工程建設的關鍵節(jié)點，長期受到自然風化、植被根系的作用，巖體結構多破碎、裂隙發(fā)育，地表覆蓋松散的全強風化層，巖體強度和自穩(wěn)能力均較差[4]。另外，隧道洞門段多處于山體斜坡面上，隧道的埋深較淺，開挖擾動后使得坡面形成臨空面，圍巖體難于形成有效的承載拱，導致隧道引發(fā)位移和大變形，甚至誘發(fā)隧道頂部坍塌和襯砌結構擠壓變形開裂[5]。

隧道洞門的變形過程受到諸多因素的影響，變形機理非常復雜，因此其日益受到研究者的關注，并采用了數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等手段進行研究分析。王偉等[6]依托文山至麻栗坡高速公路隧道，研究隧道軟弱圍巖條件下的洞口變形過程，提出基于監(jiān)控量測的分級控制管理，以實現(xiàn)隧道結構的變形控制；劉小軍等[7]采用數(shù)值模擬手段對環(huán)形導坑預留核心土法的淺埋隧道洞口建立三維模型，分析不同開挖工序下隧道圍巖的應力釋放以及隧道支護結構的變形過程；張惠民[8]根據(jù)FLAC 3D的隧道洞口數(shù)值模擬結果，指出邊坡的坡度對隧道洞口穩(wěn)定性具有十分重要的影響；李世琦等[9]采用現(xiàn)場勘探和現(xiàn)場實測的方式對順層巖質邊坡條件下隧道洞口變形進行監(jiān)測，指出抗滑樁在控制洞口邊坡滑移的有效性；邱明明等[10]采用現(xiàn)場實測的方式研究了黃土地區(qū)淺埋洞口段的變形時空效應，提出隧道洞口變形的預測分析模型。綜合現(xiàn)有文獻可知，目前針對緩坡淺埋隧道的變形特征的研究相對較少，有必要進一步展開研究和探討。

本文以桐梓至新蒲高速公路項目包桂山隧道工程為研究對象，采用現(xiàn)場監(jiān)測手段，分析隧道洞門在開挖過程中，隧道結構體系和緩坡地表的地表沉降變化特征，同時指出相應的防治措施。研究成果可為緩坡淺埋隧道洞門的監(jiān)控量測和不良變形整治提供依據(jù)。

2 工程背景

包桂山隧道位于遵義市綏陽縣鄭場鎮(zhèn)和遵義市新蒲新區(qū)永樂鎮(zhèn)交匯處，設計為分離式隧道。隧道左線長1 317 m，隧道右線長1 328 m，屬長隧道。隧址區(qū)微地貌主要為斜坡地貌，呈西北高，東南低，斜坡大部分自然坡度大于45°，地形較陡峭。隧道進口位于溶蝕槽谷斜坡地帶，自然坡度15°～45°，出口位于侵蝕溝谷斜坡地帶，自然坡度10°。進出口洞門均為削竹式，明洞長度20 m。

隧址區(qū)出口段附近發(fā)育斷層F1，于ZK60+740(K60+774)與路線相交，交角55°。該斷層為非活動性逆斷層，斷層產(chǎn)狀271°75°。破碎帶寬度約5.0 m，影響帶寬度5～10 m，破碎帶為角礫巖，泥質膠結。斷層上盤為O1m地層，受構造影響，巖層發(fā)生倒轉，巖層產(chǎn)狀為65°～82°65°～78°；下盤為O1m地層，巖層產(chǎn)狀265°42°，該斷層距離隧址區(qū)較遠，對隧道基本無影響。

隧址區(qū)內(nèi)主要地層為新生界第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Qel+dl4)、坡洪積層(Qpl+dl4)及中統(tǒng)十字鋪組及寶塔組(Osh+b2)、中統(tǒng)韓家店組(S2h)、石牛欄組(S1sh)，二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組(P1q+m)地層，以灰?guī)r、鈣質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖為主。隧道的地質分布如圖1所示。

圖1 左隧道地質縱斷面圖

3 緩坡淺埋隧道洞門變形監(jiān)測及規(guī)律分析

3.1 緩坡淺埋隧道洞門變形監(jiān)測

為監(jiān)測緩坡淺埋隧道洞門支護結構體系以及地表縱橫方向上的時空變形過程，在隧道的拱頂、拱肩和拱腰位置上分別布置變形監(jiān)測點，在高度方向上，按隧道輪廓外直徑的1/3控制，在縱向掘進方向上，監(jiān)測點的間隔為5 m；在緩坡地表共布置4排地表沉降監(jiān)測點，分別為 D1、D2、D3、D4，在寬度方向上以隧道對稱軸為原點，監(jiān)測左右20 m范圍內(nèi)的土層沉降，共布置9個監(jiān)測點，沉降監(jiān)測點間距為5 m。隧道洞門支護結構體系及地表變形監(jiān)測點布置如圖2所示。

圖2 隧道洞門支護結構體系及地表變形監(jiān)測點布置

3.2 緩坡淺埋隧道洞門縱向變形規(guī)律

圖3、圖4分別為隧道進洞掘進方向上，左洞口、右洞口隧道結構體系的變形曲線。從圖中可以看出，由于存在緩坡地形進洞，隧道洞口的埋深較淺，開挖后邊坡巖土體形成臨空面，圍巖自穩(wěn)定性較差，難以形成承載拱，導致土體應力釋放和產(chǎn)生附加變形；從隧道左、右洞洞門結構的變形情況看，其受地形因素和開挖效應的影響范圍主要集中在3.0D(D＝10.8 m，D為隧道外輪廓直徑)處，在該段范圍內(nèi)，無論是隧道拱頂，還是拱肩、拱腰位置，其變形均呈現(xiàn)明顯的增加；而大于3.0D后，隧道的埋深逐漸增大，隧道支護結構體系的變形逐漸回落。另一方面，無論是左線隧道洞門還是右線隧道洞門，可以看出在緩坡淺埋條件下，隧道支護結構體系的變形以拱頂為主，其變形規(guī)律與拱肩、拱腰的變形規(guī)律具有一致性，但前者明顯比后者大。

圖3 縱向掘進方向上左洞口隧道結構體系的變形曲線

圖4 縱向掘進方向上右洞口隧道結構體系的變形曲線

3.3 緩坡淺埋隧道洞門橫向變形規(guī)律

圖5、圖6分別為里程DK60+490處，右線隧道橫向方向上結構支護體系的變形曲線、變形速率曲線。從圖5中可以看出，不同位置處的隧道結構支護體系的變形隨時間的變化均呈現(xiàn)明顯的指數(shù)變化特征，其中拱頂位置處A擬合曲線方程、拱肩位置處B擬合曲線方程、拱腰位置處C擬合曲線方程分別為:

圖5 隧道右洞口(DK60+490)橫向方向上結構體系的位移曲線

圖6 隧道右洞口(DK60+490)橫向方向上結構體系的位移速率曲線

式中，u為拱頂位移；w為拱肩位移；v為拱腳位移；t為監(jiān)測時間；R2為擬合決定系數(shù)。

因此可以用統(tǒng)一的表達形式進行描述，如方程(4):

式中，s為隧道結構的變形；a、b為擬合系數(shù)。

從圖5、圖6中可以看出，隧道結構支護體系的變形具有明顯的3個階段，在第Ⅰ階段，受開挖擾動影響，隧道的變形速率增加迅速，出現(xiàn)明顯的速率峰值，這個階段的位移占累計總位移的比例大于50%；在第Ⅱ階段，隧道的累計位移仍然不斷增加，變形速率雖然有所波動，但整體上明顯減緩，并逐漸趨于收斂；在第Ⅲ階段，隧道的累計位移增加不明顯，位移速率較小，表明隧道結構已進入穩(wěn)定變形階段。由此表明，在緩坡淺埋隧道洞門施工過程中，結構變形和變形速率增長主要發(fā)生在第Ⅰ階段，應采取有效的變形控制措施使結構體系盡早進入穩(wěn)定變形階段。

3.4 緩坡淺埋隧道洞門地表沉降規(guī)律

圖7為隧道右洞口(DK60+490)地表D3測線地表沉降隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，緩坡地表沉降曲線隨時間的增加均為高斯曲線，在拱頂位置正上方的沉降最大，向左右兩側逐漸減小；隨著時間的增加，不同位置處的地表沉降將逐漸增加，并在60～70 d內(nèi)達到變形穩(wěn)定，對比于隧道支護結構的變形穩(wěn)定時間(30 d，如圖5所示)，表明地表的沉降穩(wěn)定時間比隧道結構的變形穩(wěn)定時間具有一定的滯后性，因此在施工時應對地表進行更為長期的監(jiān)控量測。

圖7 隧道右洞口(DK60+490)地表D3測線地表沉降曲線

圖8為隧道右洞口(DK60+490)D1～D4測線上的地表變形。從圖中可以看出，不同位置處的地表沉降呈現(xiàn)為明顯的高斯曲線特征，在隧道拱頂正上方的地表沉降最大，在隧道左右兩側不斷減小。隨著隧道的不斷掘進，隧道的埋深不斷加大，在隧道縱向掘進方向上，隧道埋深按照測線D4、D3、D2、D1的順序不斷加大，因此隧道上方的地表沉積也呈現(xiàn)出明顯的空間特征，表現(xiàn)為埋深大的位置，地表沉降小，而埋深淺的地方，地表沉降大，容易發(fā)生巖土體的滑移坍塌。因此，在隧道的掘進過程中，需要加強對緩坡淺埋隧道進洞階段巖土體的加固，比如加設抗滑樁、擋土墻等措施，防止邊坡巖土體的滑移和溜坍。

圖8 隧道右洞口(DK60+490)D1～D4測線上的地表沉降曲線

4 施工防治措施

4.1 套拱施工

為了提高緩坡淺埋隧道洞口巖土體的穩(wěn)定性，進洞開挖采用套拱工藝對圍巖體進行圍護和隔離，以及早進洞，為形成隧道拱體空間創(chuàng)造條件。具體的施工方法為在隧道明洞和暗挖交界位置處放好中線及邊線，采用雙側壁導坑法對隧道掌子面巖土體進行挖掘，待開挖到起拱線后安裝鋼拱架，鋼拱架為4榀，型號為 18工字鋼。由于鋼拱架在縱向上的排列間隔為60 cm，為了提高拱架的整體性和使各拱架之間共同受力，鋼拱架節(jié)段間采用鋼板連接并將鋼拱架拱腳與仰拱錨桿焊接牢固，不同斷面的鋼拱架排列縱橫向鋼筋連接，橫向間隔為100 cm，鋼筋直徑為20 cm。拱架上設置φ127×4 mm導向管，考慮鉆進中的下垂，導向管方向較鋼管設計方向上偏1°～3°，隨后澆筑套拱混凝土，形成洞室輪廓。

4.2 管棚超前支護進洞

為改善隧道洞口巖土體自身承載能力，改善隧道支護結構的受力條件，緩坡淺埋隧道進洞設置了超前管棚的加固措施[11]。單洞管棚長度為25 m，選用鋼材為熱軋無縫鋼管，管材的直徑為108 mm，厚度為6 mm，共計51根，沿隧道輪廓環(huán)向間距為40 cm。施工時，為了避免相鄰孔的擠壓變形和驗證注漿效果，采用奇數(shù)孔和偶數(shù)孔分別成孔的方式施作。

采用120 mm潛孔鉆機鉆孔，為保證鉆孔的軸線和偏角正確，應該對鉆桿的傾斜度進行及時監(jiān)測和糾正，完成鉆孔并實行孔內(nèi)雜物清理后才能安裝管棚[12]。管棚安裝時，同一橫斷面相互錯開接頭，φ102×6套絲鋼管長30 cm。管棚奇、偶數(shù)孔的首節(jié)鋼管長度不一致，前者為3 m，后者為6 m，隨后管節(jié)長度兩者一致，均為6 m。采用水泥漿液進行注漿，水灰比設計為1∶1，控制注漿過程的注漿壓力，為避免一次注漿壓力過大導致土體擠壓，在初次加壓時，壓力控制在0.5～1.0 MPa，以后維持在1.5 MPa左右，終了時注漿壓力控制在2.0 MPa。

5 結論

緩坡淺埋隧道洞門施工是隧道工程的關鍵節(jié)點。以桐梓至新蒲高速公路項目包桂山隧道工程為研究對象，采用現(xiàn)場監(jiān)測手段，分析隧道結構體系和緩坡地表的地表沉降變化特征，同時提出相應的防治措施，得到以下幾個結論:

(1)在緩坡淺埋隧道洞門縱向上，開挖引起變形影響范圍約為隧道直徑的3倍；隧道支護結構體系的變形以拱頂為主，其變形規(guī)律與拱肩、拱腰的變形規(guī)律具有一致性，但隧道拱頂?shù)淖冃巫畲螅凹绱沃?，拱腰最小?/p>

(2)在隧道洞門橫向上，隧道變形呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)特征，其變形規(guī)律可以統(tǒng)一用式(4)描述；變形過程主要分為3個階段，且在第Ⅰ階段的變形速率最大。

(3)隧道地表沉降具有明顯的時空效應，均呈現(xiàn)高斯曲線特征；地表的沉降穩(wěn)定時間較隧道結構的變形穩(wěn)定時間具有一定的滯后性。

(4)針對隧道支護結構體系變形特征和地表沉降規(guī)律，對緩坡淺埋隧道洞門施工采取套拱施工和管棚超前支護進洞的施工措施，有效地提高了隧道結構的安全性和洞頂巖土體的變形穩(wěn)定。