隧道不良地質(zhì)段穩(wěn)定性分析及處置對策研究

簡華華

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引言

在山地和丘陵區(qū)域的公路建設中，以往所采用的通過依山繞行修建交通道路的方式已無法符合當前的交通發(fā)展需求。出于對線形、土地資源、經(jīng)濟效益等方面的考慮，作為地下通道的隧道有其他結(jié)構(gòu)難以代替的作用。在隧道施工中，如何確保其安全性是重難點，而其中的圍巖穩(wěn)定性問題則是關(guān)鍵。圍巖穩(wěn)定性指隧道洞室在施工后無支護條件時的自穩(wěn)性能[1]。隧道施工會導致其出現(xiàn)應力釋放的情況使其應力重新分布和調(diào)整，此時圍巖將會發(fā)生變形。關(guān)于圍巖穩(wěn)定性，當前已有較多學者從不同地質(zhì)因素的角度開展了研究[2-6]?；趪鴥?nèi)地形特點，山嶺隧道施工時常需要經(jīng)過各種不良地質(zhì)。沖溝作為不良地質(zhì)中的一種，當其出現(xiàn)時會導致圍巖破碎等病害，影響圍巖穩(wěn)定以及施工安全。因此，還需進一步開展隧道穿越不良地質(zhì)段的研究。

1 工程概況

某隧道建設標準為設計時速100km/h 的雙向4 車道高速公路，以公路-I 級為汽車荷載等級，以BZZ-100作為路面標準軸載，建筑界限凈寬0.75+0.75+2×3.75+1+1=11（m），建筑限界凈高5.0m。呈近南-北向展布，左幅洞長4 943m，右幅洞長4 995m，進口端左右線洞口縱斷面分別位于R=17000,R=18000 凸型豎曲線上，出口端左右線縱斷面均位于R=17000 凸形豎曲線上。左、右線洞身直坡段縱坡分別為-2.1142%, -2.1000%。隧道最大埋深為345m。

2 有限元分析

從現(xiàn)場勘測結(jié)果可知，其不良地質(zhì)段圍巖等級為V級。在模擬分析隧道沖溝段時，為盡可能避免邊界條件帶來的影響，以5倍及以上隧道半徑作為隧道左右邊界和中心線的距離，以100m 作為隧道水平寬度，以3倍及以上的隧道高度作為模型拱底到仰拱的距離，以40m作為模型底部，以隧道埋深到地表的距離作為模型的高度。實際上，沖溝高30m、寬40m、軸向長40m，最終建模模型尺寸為100m 長、90m 高、40m 寬。對模型X、Y、Z方向進行約束。隧道計算模型如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格示意圖

結(jié)合該隧道的施工工況，開挖時以CRD 法進行施工，研究分析隧道淺埋段存在沖溝時的變形情況，具體開挖步驟如圖2所示：

圖2 CRD法開挖橫向施工工序示意圖

（1）開挖先行導坑上部Ⅰ；

（2）施作先行導坑上部初期支護及臨時支護①；

（3）開挖先行導坑上部Ⅱ；

（4）施作先行導坑上部初期支護及臨時支護②；

（5）開挖先行導坑上部Ⅲ；

（6）施作先行導坑上部初期支護及臨時支護③；

（7）開挖先行導坑上部Ⅳ；

（8）施作先行導坑上部初期支護及臨時支護④；

（9）澆筑仰拱⑤；

（10）仰拱回填⑥；

（11）整體模筑二次襯砌⑦。

遵照工程實際進行循環(huán)開挖和支護施工。按1m/d的循環(huán)作為一個施工進度，對隧道圍巖所受沖溝的影響進行分析。

3 模擬計算結(jié)果分析

3.1 沖溝段的存在對穩(wěn)定性的影響分析

隧道在有無沖溝施工時的應力分布如圖3所示。

圖3 最小主應力云圖

限于篇幅，本文僅列出部分數(shù)據(jù)。對比隧道圍巖在有無沖溝條件下的位移情況可知，隧道圍巖的穩(wěn)定性受沖溝的影響較大，圍巖位移在有沖溝時較大，需采取相應措施確保施工安全。分析拱頂和周邊位移可看出，相比于周邊位移，拱頂位移較大，因此必須進行加固以做好拱頂圍巖的變形控制。從拱頂和周邊位移的變化上看，其共有急劇、緩慢、穩(wěn)定3 個變形階段。從拱頂位移上看，隨著不斷進行的施工，在前面1～7d 的隧道開挖時間內(nèi)有急劇變形出現(xiàn)，此時拱頂沉降速率較大；緩慢變形階段出現(xiàn)在8～15d，在第16d 開挖時，位移變化逐漸變?yōu)榱?，表明此時為穩(wěn)定變形階段。在隧道施工時，因通過CRD 施工存在相互擾動的情況，故周邊收斂出現(xiàn)突變，說明在施工時要及時開展初期支護。

進一步對比兩種工況下的應力情況可知，隧道在無沖溝存在時的主應力要小于存在沖溝時的工況，并且在施工時，圍巖的最初平衡狀態(tài)因為隧道的施工而被擾動破壞，且逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樾缕胶鉅顟B(tài)，隧道拱頂和拱腳位置在此時出現(xiàn)了局部應力集中的情況。因此可知，隧道圍巖在沖溝存在時較不穩(wěn)定，開挖隧道前應采取相應措施，避免開挖隧道時出現(xiàn)安全事故。

3.2 沖溝段存在位置不同對穩(wěn)定性的影響

不同沖溝段埋深和隧道豎向位移間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 豎向位移-埋深關(guān)系曲線

圍巖拱頂和仰拱處隨著隧道的不斷開挖表現(xiàn)出豎向位移不斷增加的規(guī)律，并且在拱頂位置位移不斷下沉，仰拱位置位移表現(xiàn)出拱底隆起。隨著隧道埋深的不斷減小，豎向位移不斷增大。隨著不斷加深的隧道水平進尺，隧道沖溝段的埋深不斷從深變淺，經(jīng)過谷底時，又從淺變深，拱頂位移也有所改變，對隧道穩(wěn)定較為不利。

受到隧道開挖的影響，隧道淺埋段圍巖出現(xiàn)掉塊等情況，若處理不當有可能發(fā)展至坍塌等，導致隧道安全性受到影響，應采取一定措施避免隧道施工時出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)。進一步分析隧道應力可知，隧道圍巖因隧道施工的擾動而使其應力開始過渡到新平衡狀態(tài)，此時出現(xiàn)較大的應力分布變化，且部分位置還有應力集中的情況出現(xiàn)，較為明顯的是拱頂和拱腳位置。隧道應力隨著埋深的減小而增大。谷底淺埋段在過沖溝時因為施工影響導致應力出現(xiàn)重新分布，淺埋段的地表應力相比于深埋段出現(xiàn)較大增長，不利于隧道穩(wěn)定，并且隧道圍巖在淺埋段較為破碎，自穩(wěn)性較差，對圍巖失穩(wěn)而言有較大風險。因此隧道圍巖在存在沖溝時其應力會因為不同的埋深情況而使圍巖失穩(wěn)出現(xiàn)不同程度的加劇，不利于其穩(wěn)定性。為避免隧道施工引起安全事故，需提前加固圍巖以抑制其變形。

4 處理措施優(yōu)化分析

4.1 超前小導管支護

超前小導管采用外徑?42mm、壁厚4mm 的熱軋無縫鋼管加工而成，長400cm，鋼管前端加工成錐形，尾部焊接?6鋼筋加勁箍，管壁四周鉆?6mm注漿孔；超前小導管施工時，鋼管以45°外插角打入圍巖，鋼管環(huán)向間距為80cm，縱向排距為60cm；超前小導管注漿采用水泥液漿，可適當摻入水玻璃調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，注漿參數(shù)為：1∶1 的水泥漿水灰比、0.5～1.0MPa 的注漿壓力、42.5 的水泥標號；超前小導管尾端應固定在鋼拱架上，施工中必須確保注漿質(zhì)量。超前小導管布置如圖5所示。

圖5 超前小導管布置圖

4.2 管棚支護

管棚法類似于超前小導管，如圖6所示。同樣是采用向隧道前方圍巖插入鋼管注入水泥漿的方式對圍巖參數(shù)進行改良，并且因為有較長的縱向長度，鋼管能與錨桿共同發(fā)揮承載作用，以此對圍巖變形起到抑制作用，避免圍巖坍塌。若隧道施工遭遇松軟地區(qū)、需經(jīng)過塌方地段、淺埋段、地表或遇到較差的地質(zhì)條件時，都可先采用管棚法施加預支護后再進洞。

圖6 管棚法示意圖

施工管棚時，應一起使用管棚和鋼拱架，首先開挖隧道工作面拱部位置，在地層中采用大型水平鉆施工一排孔眼，再在鉆孔中插入鋼管以成形管棚，前后兩排管棚的搭接長度應在3m 以上。在鋼拱架上搭設并焊死管棚的尾部。拱架相鄰兩榀位置應設置直徑為22mm、環(huán)向間距為1m 的鋼筋，并采用楔子按照2m 的間隔將其楔緊，確保其能有效承受圍巖壓力。

5 結(jié)論

以某隧道項目為背景，探討其在因沖溝存在而出現(xiàn)的淺埋和破碎等不良地質(zhì)環(huán)境下的圍巖穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：

（1）通過有限元分析，探討了不良地質(zhì)條件下的隧道穩(wěn)定性，基于預留核心土臺階法對沖溝存在與否以及存在沖溝時埋深不同的影響進行分析，研究圍巖變形情況。

（2）基于該隧道的變形特點，提出超前小導管和管棚法兩種加固方案，并詳細闡述其布置方式。