隧道洞口段的加固方案設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究

丁廣煒, 歐陽(yáng)艷, 王起才

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 高鐵工程學(xué)院, 陜西 渭南 714000；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城軌工程學(xué)院, 陜西 渭南 714000；3.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

川藏線是我國(guó)一條極具戰(zhàn)略意義的線路工程,受地形地貌條件的限制,隧道工程被廣泛應(yīng)用；同時(shí),該項(xiàng)目在帶來(lái)巨大利益的同時(shí),其施工過(guò)程也面臨較多工程問(wèn)題,如在特殊不良地質(zhì)條件下,隧道洞口段的設(shè)計(jì)及施工問(wèn)題,因此,開(kāi)展特殊地段條件下的隧道洞口段施工研究具有重要意義[1-4]。目前,在鐵路隧道洞口施工方面,已取得了相關(guān)研究成果。葉志強(qiáng)等[3]對(duì)隧道洞口段初支大變形機(jī)理進(jìn)行研究，并進(jìn)行治理方案探討。王雪霽等[6]從多個(gè)方面探討豎直及水平支護(hù)方法在風(fēng)積沙地層中的適用性,得出洞口施工前期宜采用水平旋噴樁加固,后期宜采用豎直旋噴樁加固。李輝[7]、蔡愛(ài)萍等[8]研究水平旋噴樁在隧道工程事故處理中的作用,進(jìn)一步驗(yàn)證該類(lèi)施工方法在隧道工程中的適用性。韓華軒[9]對(duì)軟巖隧道的洞口加固問(wèn)題開(kāi)展了研究,得出水平旋噴樁的超前支護(hù)可很大程度上保證隧道圍巖穩(wěn)定性,是安全施工的重要保障。王偉等[10]也基于隧道變形成果開(kāi)展隧道洞口邊坡的穩(wěn)定性分析。上述研究雖取得較大的研究成果,但未涉及川藏鐵路線的隧道工程,且隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,有必要針對(duì)性開(kāi)展洞口處的加固方案研究。同時(shí),上述研究也僅從施工方面進(jìn)行研究,未開(kāi)展加固后的效果研究。

本文以川藏鐵路線米林隧道為工程實(shí)例背景,對(duì)其洞口段的加固方案開(kāi)展研究,并總結(jié)施工過(guò)程中的工程問(wèn)題及處理措施；同時(shí),為評(píng)價(jià)隧道加固效果,且鑒于尖點(diǎn)突變理論[11-14]在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的有效性,進(jìn)一步提出以隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果為基礎(chǔ),利用尖點(diǎn)突變理論來(lái)分析評(píng)價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,以期為類(lèi)似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 基本原理

尖點(diǎn)突變理論的應(yīng)用較為廣泛,可較好地評(píng)價(jià)事物由非平衡狀態(tài)到平衡狀態(tài)的改變,且鑒于隧道變形是隧道圍巖穩(wěn)定的直觀表現(xiàn),進(jìn)而該理論適用于隧道圍巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究。

結(jié)合節(jié)點(diǎn)突變理論的基本原理,將該理論在隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用過(guò)程總結(jié)如下:基于隧道變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果,利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)其變形序列的多項(xiàng)式擬合,求得其擬合函數(shù)；利用參數(shù)變換,將擬合函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃魏瘮?shù)及標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)；利用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的突變參數(shù)求解突變特征值,并利用該值判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性。將該理論的具體實(shí)施過(guò)程分述如下:

根據(jù)隧道變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,確定分析對(duì)象,并通過(guò)MATLAB軟件擬合得到隧道變形序列的四次項(xiàng)式函數(shù)，

Ut=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4，

(1)

式中:Ut為擬合函數(shù)；a0，a1，…，a4為擬合參數(shù)；t為時(shí)間變量。

由于擬合函數(shù)并非尖點(diǎn)突變理論的標(biāo)準(zhǔn)形式,進(jìn)而需進(jìn)行變換處理,即先利用Tschirhaus變換將擬合函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃魏瘮?shù),得到分析過(guò)程中的變形函數(shù)為

Ux=b4x4+b2x2+b1x+b0，

(2)

同時(shí),對(duì)式(2)進(jìn)行變化,即在其兩側(cè)同除以b4即可得到突變分析的標(biāo)準(zhǔn)形式為

U=x4+μx2+vx+c，

(3)

式中:U為標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)；μ、υ為突變參數(shù)；c為常數(shù)。

結(jié)合前述變換過(guò)程,可得到突變參數(shù)與擬合參數(shù)間的關(guān)系式為

(4)

(5)

最后,以突變參數(shù)為基礎(chǔ),可求得突變特征值為

Δ=8μ3+27v2。

(6)

根據(jù)突變特征值的正負(fù)性即可判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性,判據(jù)為:當(dāng)Δ=0時(shí),說(shuō)明隧道圍巖處于臨界狀態(tài)；當(dāng)Δ<0時(shí),說(shuō)明隧道圍巖不穩(wěn)定狀態(tài)；反之,說(shuō)明隧道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí),根據(jù)突變特征值的大小還可進(jìn)一步判斷圍巖穩(wěn)定性的強(qiáng)弱,即突變特征值越大,穩(wěn)定性相對(duì)越弱[11]。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

米林隧道隸屬川藏線,為單線隧道,設(shè)計(jì)斷面面積為73.63 m2,隧道凈寬為8.44 m,凈高為10.39 m,里程范圍為(D2K378+111)～(D2K389+671),全長(zhǎng)11 560 m。隧址區(qū)位于藏南谷地高山區(qū),間于喜馬拉雅山與唐古拉山之間,山脈整體走向呈南北向延展,最高高程為4 230 m,最低高程為2 940 m,高差1 290 m,得出區(qū)內(nèi)地形起伏較大,溝谷切割較深。區(qū)內(nèi)第四系覆土主要為殘坡積土及冰水堆積層,其中,殘坡積層主要為細(xì)砂層和碎石土,而冰水堆積層主要為卵石土；下覆基巖主要以糜棱巖及片麻巖為主,地表出露明顯,且受區(qū)內(nèi)構(gòu)造影響,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理密閉性及延伸性均較好,局部具少量充填。

同時(shí),根據(jù)勘察成果,得出出口端洞口段地層主要為沉積砂、塊石土,延伸長(zhǎng)度可到50 m。其中,沉積砂呈黃褐色、灰黃色,潮濕～飽和,主要以粉、細(xì)粒為主,顆粒較為均勻,具連續(xù)分布特征；塊石土呈黃褐、灰褐色,稍密-密室,潮濕～飽和,成分以片麻巖為主,余為粉土、碎石等,在洞口段也均有分布，因此,得出該隧道洞口段的圍巖條件較差,屬Ⅵ級(jí)圍巖。

2.2 加固方案設(shè)計(jì)

由于該洞口段的圍巖自穩(wěn)能力差,因此管棚、密排小導(dǎo)管及注漿等措施均均難以達(dá)到預(yù)期效果,施工難度大,但鑒于水平旋噴樁是目前國(guó)內(nèi)處理砂、土層較為成熟的施工方法,其優(yōu)點(diǎn)如下:

① 該處理方法屬超前加固措施,可改善圍巖的力學(xué)性質(zhì),進(jìn)而提高其自穩(wěn)能力,可有效控制漏砂、流砂等災(zāi)害。

② 通過(guò)該處理,可先使圍巖周邊預(yù)成環(huán),進(jìn)而起到一定的支撐作用,可有效控制圍巖變形。

基于上述,確定水平旋噴樁為該隧道洞口圍巖超前支護(hù)的加固方法。結(jié)合工程實(shí)際,該方法在應(yīng)用過(guò)程中也面臨如下困難:

① 施工地層為砂層、塊石土,根據(jù)以往類(lèi)似地層施工經(jīng)驗(yàn),鉆孔及旋噴過(guò)程中易卡鉆、抱鉆。

② 該工程主要地層以砂層為主,含水量低,自穩(wěn)性差,設(shè)計(jì)僅為單排旋噴樁,在施工時(shí)如若角度控制不當(dāng),易出現(xiàn)平行樁或樁錯(cuò)位搭接較差,進(jìn)而引發(fā)溜塌,增加開(kāi)挖難度,因此水平旋噴施工角度的控制為本項(xiàng)目施工控制的重點(diǎn)。

鑒于上述施工難點(diǎn),有必要對(duì)洞口段的加固方案進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì),以保證加固效果。

2.2.1 斷面布樁及循環(huán)設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)際,水平旋噴樁采用掌子面周邊設(shè)計(jì)與中部設(shè)計(jì)相結(jié)合的形式,其中,周邊旋噴樁樁徑設(shè)置為500 mm,開(kāi)孔間距設(shè)置為29 cm,終孔間距設(shè)置為38 cm,進(jìn)而得到每個(gè)斷面的周邊旋噴樁總計(jì)71根；中部旋噴樁采用梅花形布設(shè),共計(jì)3排,且水平間距為1.8 m,豎向間距為1.5 m,共計(jì)設(shè)置9根。

在縱向循環(huán)上,水平旋噴樁的操作平臺(tái)長(zhǎng)度不應(yīng)小于18 m,每次循環(huán)加固長(zhǎng)度為15 m,其中,包含5 m的搭接長(zhǎng)度和10 m的開(kāi)挖長(zhǎng)度,外插角為3°～5°。同時(shí),水平旋噴樁的施工順序?yàn)橄认潞笊?先施做周邊旋噴樁,再施做中部旋噴樁。得到水平旋噴樁的縱斷面布設(shè)如圖1所示。

圖1 水平旋噴樁的縱斷面布設(shè) 單位:m

2.2.2 施工工藝流程

結(jié)合工程實(shí)際,將洞口段加固方案的水平旋噴樁施工工藝流程分述如下:

① 施工前期準(zhǔn)備。先對(duì)掌子面進(jìn)行掛網(wǎng)封閉,網(wǎng)格尺寸為25 cm的正方形鋼筋網(wǎng),鋼筋尺寸為8 mm,且網(wǎng)噴厚度不應(yīng)小于30 cm。該工作的主要作用是防止掌子面出現(xiàn)漏砂、流砂現(xiàn)象,進(jìn)而保證施工過(guò)程中的掌子面穩(wěn)定。

② 孔位的放線定位。以前述斷面設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),對(duì)各水平旋噴樁的孔位進(jìn)行放線定位,并同步測(cè)定鉆孔外插角；同時(shí),在定位過(guò)程中,應(yīng)嚴(yán)格控制放線精度,如鉆孔孔位誤差不應(yīng)大于2 cm，外插角偏差不應(yīng)大于1%。

③ 鉆孔施工。按照水平旋噴樁的施工工序,對(duì)各鉆孔進(jìn)行逐一施工；同時(shí),在施工過(guò)程中,應(yīng)保證鉆孔深度,做好施工記錄,并對(duì)比分析地層條件與設(shè)計(jì)條件間的差異,以便更好地指導(dǎo)后續(xù)施工。

④ 漿液配制。據(jù)設(shè)計(jì)要求,水平旋噴樁的漿液為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥漿,水灰比為1∶1,進(jìn)而按照該要求進(jìn)行漿液配制,并在實(shí)際施工中,可根據(jù)地質(zhì)條件適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整配比,以保證施工質(zhì)量。

⑤ 水平旋噴樁的施工。將噴射管底放至設(shè)計(jì)深度,待漿液從孔口流出后,按設(shè)計(jì)速度及轉(zhuǎn)速進(jìn)行施工,直至施工至設(shè)計(jì)終噴位置,且在旋噴過(guò)程中,也應(yīng)做好施工記錄,測(cè)定漿液凝膠時(shí)間及返漿率,及時(shí)調(diào)整施工參數(shù),以確保注漿效果。

⑥ 噴管沖洗。當(dāng)一根旋噴樁施做完畢后,需及時(shí)沖洗噴管,以防堵塞,并及時(shí)進(jìn)入下一根旋噴樁的施做。

上述為一個(gè)縱向循環(huán)的施工流程。當(dāng)一個(gè)循環(huán)完成后即可進(jìn)入下一循環(huán),且在每個(gè)循環(huán)中都應(yīng)做好相應(yīng)記錄,并根據(jù)工程實(shí)際實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施工,以保證施工效果。

2.2.3 施工參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)例及以往經(jīng)驗(yàn),將水平旋噴樁的施工參數(shù)設(shè)計(jì)如下:旋噴樁樁徑為500 mm，樁間距為35 mm，注漿壓力為40～45 MPa，轉(zhuǎn)速為20 r/min，水泥漿液流量為200 L/min，后退速度為0.714 cm/s,其余未盡參數(shù)參照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

2.2.4 施工質(zhì)量評(píng)述

結(jié)合工程實(shí)際,本次洞口加固里程為(D2K389+631)～(D2K389+570),自2016年4月23日開(kāi)始施工,于2016年8月15日完成,共計(jì)加固長(zhǎng)度為61 m,縱向循環(huán)次數(shù)為7次,各次循環(huán)的實(shí)際參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 洞口加固過(guò)程的實(shí)際參數(shù)統(tǒng)計(jì)

在上述各循環(huán)的施工過(guò)程中,均不同程度的出現(xiàn)了工程問(wèn)題,具體分述如下:

在施做第1循環(huán)過(guò)程中,施工隊(duì)伍還未熟悉地層情況,經(jīng)驗(yàn)略顯不足,主要出現(xiàn)了3個(gè)問(wèn)題,即:

① 水平旋噴樁的錯(cuò)位較大,致使其咬合質(zhì)量較差；

② 由于開(kāi)孔孔位離拱架內(nèi)側(cè)較遠(yuǎn),加之鉆桿下垂影響,因此旋噴后的內(nèi)側(cè)開(kāi)挖斷面不足,未到達(dá)理想效果,增大了開(kāi)挖難度,減慢了施工進(jìn)度；

③ 施工隊(duì)伍未按設(shè)計(jì)要求開(kāi)挖10 m,違規(guī)超挖至12 m時(shí),隧道左側(cè)拱部發(fā)生塌方,塌方方量約為80 m3,增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。

為克服上述困難,在施工過(guò)程中,采取了如下解決方法:

① 對(duì)旋噴樁進(jìn)行標(biāo)記編號(hào)處理,其中,每隔5根旋噴樁進(jìn)行一次編號(hào),記號(hào)則是利用水泥釘進(jìn)行標(biāo)記,這樣可使施工隊(duì)伍較快地辨識(shí)旋噴樁編號(hào),進(jìn)而避免錯(cuò)位。

② 調(diào)整開(kāi)孔位置與拱架間的距離,將其由20 cm調(diào)整至10 cm,進(jìn)而間斷破除旋噴樁的長(zhǎng)度,且實(shí)際開(kāi)挖破除旋噴樁的長(zhǎng)度間于5～6 m,滿(mǎn)足施工要求。

③ 在塌方事故的處理過(guò)程中,先對(duì)掌子面進(jìn)行封閉,再對(duì)漏點(diǎn)施做8 m長(zhǎng)的水平旋噴,并在每根樁內(nèi)下入直徑70 mm管棚以增強(qiáng)旋噴樁的抗剪強(qiáng)度,確保開(kāi)挖順利；同時(shí),加強(qiáng)監(jiān)督,嚴(yán)禁施工隊(duì)伍超挖,保證每個(gè)循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度不得超過(guò)10 m。

鑒于第1循環(huán)中的問(wèn)題改正,在第2循環(huán)中的問(wèn)題相對(duì)較少,僅出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題,即第2循環(huán)中的外插角仍按5°進(jìn)行施工,導(dǎo)致實(shí)際破除旋噴樁的長(zhǎng)度為8 m左右,未能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)該問(wèn)題,將后期循環(huán)的外插角調(diào)整為7°。

在第3循環(huán)至第7循環(huán)中,未出現(xiàn)明顯問(wèn)題,只是局部出現(xiàn)漏砂現(xiàn)象,為克服該問(wèn)題,要求施工隊(duì)伍在施工前準(zhǔn)備好網(wǎng)片、棉紗、鋼筋及小導(dǎo)管等封堵物資,一旦破環(huán)能及時(shí)采用上述物資封堵,以避免塌方事故的發(fā)生。

綜上所述,在施工進(jìn)度上,本次洞口加固處理基本達(dá)到每月完成2個(gè)循環(huán)的要求,每月加固進(jìn)尺約20 m,施工進(jìn)度上滿(mǎn)足業(yè)主要求；在施工質(zhì)量上,除因超挖發(fā)生一次塌方外,未出現(xiàn)明顯質(zhì)量事故,總體達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

上述已對(duì)隧道洞口段的加固方案及施工質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)述,但多是偏向定性分析,有必要進(jìn)一步評(píng)價(jià)隧道圍巖的穩(wěn)定性,以判斷加固方案的有效性。同時(shí),鑒于隧道變形是隧道穩(wěn)定性的直觀體現(xiàn),加之變形監(jiān)測(cè)也是隧道施工過(guò)程中的必測(cè)項(xiàng)目，因此,該文以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果為基礎(chǔ),利用尖點(diǎn)突變理論判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中,監(jiān)測(cè)斷面的間距為5 m,其中,每隔斷面包含拱頂沉降及水平收斂2個(gè)必測(cè)項(xiàng)目。在所有監(jiān)測(cè)斷面中,由于第1個(gè)循環(huán)中的施工問(wèn)題較多,加之其隧道埋深相對(duì)最淺,進(jìn)而該循環(huán)中的變形量相對(duì)最大,因此,該文對(duì)該循環(huán)前后3個(gè)斷面進(jìn)行尖點(diǎn)突變分析,且鑒于2類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的差異,該文對(duì)其進(jìn)行分述和評(píng)價(jià)。

① 拱頂沉降的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

以拱頂沉降的監(jiān)測(cè)成果為基礎(chǔ),利用尖點(diǎn)突變理論進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,結(jié)果見(jiàn)表2。由表可知,3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降擬合函數(shù)的擬合度均趨近于1,加之均方根誤差也較少,說(shuō)明3個(gè)擬合函數(shù)的擬合精度較高,為后期分析奠定了基礎(chǔ)；同時(shí),3個(gè)斷面的突變特征值均大于0,得出各斷面均處于穩(wěn)定狀態(tài),且以(D2K389+620)斷面的突變特征值相對(duì)最大,說(shuō)明其穩(wěn)定性相對(duì)略差,分析其原因應(yīng)與超挖塌方事故相關(guān)。

表2 拱頂沉降的尖點(diǎn)突變分析結(jié)果

② 水平收斂的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

類(lèi)比拱頂沉降的分析過(guò)程,再對(duì)水平收斂進(jìn)行尖點(diǎn)突變分析,結(jié)果見(jiàn)表3。由表可知,在水平收斂變形的尖點(diǎn)突變分析過(guò)程中,3個(gè)斷面的擬合精度也較高,說(shuō)明3個(gè)斷面的水平收斂擬合效果較優(yōu)；同時(shí),3個(gè)斷面的突變特征值也大于0,進(jìn)一步驗(yàn)證了3個(gè)斷面的穩(wěn)定性,且各斷面穩(wěn)定性的相對(duì)大小關(guān)系也與拱頂沉降分析結(jié)果一致,得出3個(gè)斷面穩(wěn)定性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表3 水平收斂的尖點(diǎn)突變分析結(jié)果

綜上所述,在洞口段的加固過(guò)程中,雖出現(xiàn)了各種問(wèn)題,但經(jīng)過(guò)工藝及參數(shù)調(diào)整,順利保質(zhì)保量的完成了洞口段施工,且經(jīng)尖點(diǎn)突變分析,得出加固后的洞口段圍巖均處于穩(wěn)定性狀態(tài),進(jìn)一步驗(yàn)證了加固方案的有效性,可為類(lèi)似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)論

通過(guò)隧道洞口段的加固方案設(shè)計(jì)及隧道變形的尖點(diǎn)突變分析,得出主要結(jié)論如下:

① 水平旋噴樁是一種有效的洞口加固方法,可有效改良周邊圍巖性質(zhì),對(duì)處理自穩(wěn)能力差的圍巖具有很好的適用性,且在施工前,應(yīng)充分結(jié)合工程實(shí)際,開(kāi)展方案設(shè)計(jì)研究,為后續(xù)施工奠定基礎(chǔ)。

② 在隧道洞口的加固過(guò)程中,會(huì)遇見(jiàn)很多不可預(yù)見(jiàn)的施工問(wèn)題或事故,進(jìn)而有必要做好事故處理準(zhǔn)備,并加強(qiáng)施工監(jiān)督,對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)處理,進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工管理。

③ 尖點(diǎn)突變理論可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道圍巖穩(wěn)定性,驗(yàn)證其在隧道工程中的適用性,且得出各評(píng)價(jià)斷面均處于穩(wěn)定狀態(tài),驗(yàn)證了該隧道洞口加固方案的有效性。