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(tuán)城市建設(shè)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(jié)構(gòu)形式穿越山體[1-2]。在以往的隧道工程建設(shè)中，多關(guān)注于隧道洞身范圍內(nèi)的開挖掘進(jìn)和結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的安全、技術(shù)等問題，對于洞口部位的施工風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識不足，導(dǎo)致洞口坍塌和洞口襯砌結(jié)構(gòu)擠壓變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)而影響隧道工程的建設(shè)成本和建設(shè)周期[3]。這是因?yàn)樗淼蓝纯谧鳛樗淼拦こ探ㄔO(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，長期受到自然風(fēng)化、植被根系的作用，巖體結(jié)構(gòu)多破碎、裂隙發(fā)育，地表覆蓋松散的全強(qiáng)風(fēng)化層，巖體強(qiáng)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(dòng)后使得坡面形成臨空面，圍巖體難于形成有效的承載拱，導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jī)理非常復(fù)雜，因此其日益受到研究者的關(guān)注，并采用了數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等手段進(jìn)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(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的變形控制；劉小軍等[7]采用數(shù)值模擬手段對環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)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(yīng)力釋放以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)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(shí)測的方式對順層巖質(zhì)邊坡條件下隧道洞口變形進(jìn)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(shí)測的方式研究了黃土地區(qū)淺埋洞口段的變形時(shí)空效應(yīng)，提出隧道洞口變形的預(yù)測分析模型。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)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(jìn)一步展開研究和探討。

本文以桐梓至新蒲高速公路項(xiàng)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(jié)構(gòu)體系和緩坡地表的地表沉降變化特征，同時(shí)指出相應(yīng)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(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(dòng)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(zhì)膠結(jié)。斷層上盤為O1m地層，受構(gòu)造影響，巖層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，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(yuǎn)，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(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主。隧道的地質(zhì)分布如圖1所示。

圖1 左隧道地質(zhì)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(hù)結(jié)構(gòu)體系以及地表縱橫方向上的時(shí)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(diǎn)，在高度方向上，按隧道輪廓外直徑的1/3控制，在縱向掘進(jìn)方向上，監(jiān)測點(diǎn)的間隔為5 m；在緩坡地表共布置4排地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，分別為 D1、D2、D3、D4，在寬度方向上以隧道對稱軸為原點(diǎn)，監(jiān)測左右20 m范圍內(nèi)的土層沉降，共布置9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，沉降監(jiān)測點(diǎn)間距為5 m。隧道洞門支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及地表變形監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 隧道洞門支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及地表變形監(jiān)測點(diǎn)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(jìn)洞掘進(jìn)方向上，左洞口、右洞口隧道結(jié)構(gòu)體系的變形曲線。從圖中可以看出，由于存在緩坡地形進(jìn)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(dǎo)致土體應(yīng)力釋放和產(chǎn)生附加變形；從隧道左、右洞洞門結(jié)構(gòu)的變形情況看，其受地形因素和開挖效應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)方向上左洞口隧道結(jié)構(gòu)體系的變形曲線

圖4 縱向掘進(jìn)方向上右洞口隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)支護(hù)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(jié)構(gòu)支護(hù)體系的變形隨時(shí)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(jié)構(gòu)體系的位移曲線

圖6 隧道右洞口(DK60+490)橫向方向上結(jié)構(gòu)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(shí)間；R2為擬合決定系數(shù)。

因此可以用統(tǒng)一的表達(dá)形式進(jìn)行描述，如方程(4):

式中，s為隧道結(jié)構(gòu)的變形；a、b為擬合系數(shù)。

從圖5、圖6中可以看出，隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的變形具有明顯的3個(gè)階段，在第Ⅰ階段，受開挖擾動(dòng)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(gè)階段的位移占累計(jì)總位移的比例大于50%；在第Ⅱ階段，隧道的累計(jì)位移仍然不斷增加，變形速率雖然有所波動(dòng)，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(jì)位移增加不明顯，位移速率較小，表明隧道結(jié)構(gòu)已進(jìn)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(jié)構(gòu)變形和變形速率增長主要發(fā)生在第Ⅰ階段，應(yīng)采取有效的變形控制措施使結(jié)構(gòu)體系盡早進(jìn)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(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，緩坡地表沉降曲線隨時(shí)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(cè)逐漸減??；隨著時(shí)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(dá)到變形穩(wěn)定，對比于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定時(shí)間(30 d，如圖5所示)，表明地表的沉降穩(wěn)定時(shí)間比隧道結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定時(shí)間具有一定的滯后性，因此在施工時(shí)應(yīng)對地表進(jìn)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(cè)不斷減小。隨著隧道的不斷掘進(jìn)，隧道的埋深不斷加大，在隧道縱向掘進(jìn)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(jìn)過程中，需要加強(qiáng)對緩坡淺埋隧道進(jìn)洞階段巖土體的加固，比如加設(shè)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(jìn)洞開挖采用套拱工藝對圍巖體進(jìn)行圍護(hù)和隔離，以及早進(jìn)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(cè)壁導(dǎo)坑法對隧道掌子面巖土體進(jìn)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(shè)置φ127×4 mm導(dǎo)向管，考慮鉆進(jìn)中的下垂，導(dǎo)向管方向較鋼管設(shè)計(jì)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(hù)進(jìn)洞

為改善隧道洞口巖土體自身承載能力，改善隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力條件，緩坡淺埋隧道進(jìn)洞設(shè)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(jì)51根，沿隧道輪廓環(huán)向間距為40 cm。施工時(shí)，為了避免相鄰孔的擠壓變形和驗(yàn)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(jī)鉆孔，為保證鉆孔的軸線和偏角正確，應(yīng)該對鉆桿的傾斜度進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測和糾正，完成鉆孔并實(shí)行孔內(nèi)雜物清理后才能安裝管棚[12]。管棚安裝時(shí)，同一橫斷面相互錯(cuò)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(jìn)行注漿，水灰比設(shè)計(jì)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(dǎo)致土體擠壓，在初次加壓時(shí)，壓力控制在0.5～1.0 MPa，以后維持在1.5 MPa左右，終了時(shí)注漿壓力控制在2.0 MPa。

5 結(jié)論

緩坡淺埋隧道洞門施工是隧道工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。以桐梓至新蒲高速公路項(xiàng)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(jié)構(gòu)體系和緩坡地表的地表沉降變化特征，同時(shí)提出相應(yīng)的防治措施，得到以下幾個(gè)結(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)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?，拱肩次之，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(gè)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(shí)空效應(yīng)，均呈現(xiàn)高斯曲線特征；地表的沉降穩(wěn)定時(shí)間較隧道結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定時(shí)間具有一定的滯后性。

(4)針對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)進(jìn)洞的施工措施，有效地提高了隧道結(jié)構(gòu)的安全性和洞頂巖土體的變形穩(wěn)定。