隧道下穿采石坑的受力分析及處治技術(shù)探討

■池春生

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了在一些復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下建設(shè)隧道工程的情況。 當(dāng)隧道通過(guò)石料開(kāi)采礦山區(qū)時(shí)，不可避免的出現(xiàn)隧道下穿采石坑的情況。 隧道下穿采石坑與隧道塌方、隧道經(jīng)過(guò)溶洞區(qū)，從坑腔體與隧道的空間關(guān)系有相近之處。 在巖溶隧道、隧道塌方分析計(jì)算和處治方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列研究，并取得了一定的成果[1-7]。 但由于多數(shù)大型采石坑深度較大，坑壁較為光滑，且坑口位于地表，與上述兩種情況又存在一定的差別。 目前針對(duì)隧道下穿采石坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算和相關(guān)工程技術(shù)措施的研究相對(duì)較少，尤其是缺少用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工的研究。

基于此， 本研究以南安市揚(yáng)子山隧道為例，對(duì)隧道下穿采石坑的受力計(jì)算及處治方式進(jìn)行了探討，可為今后類似工程的建設(shè)提供相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

揚(yáng)子山隧道為雙洞分離式三車道隧道，隧道長(zhǎng)度1 461.5 m，隧道沿線場(chǎng)地現(xiàn)狀主要為山地，隧道洞身圍巖為微風(fēng)化花崗巖，為堅(jiān)硬巖，巖體較完整～完整，Ⅲ級(jí)圍巖段落長(zhǎng)度超過(guò)50%。 受路線條件限制， 隧道右洞YK1+040～YK1+100 需從現(xiàn)狀采石坑下方通過(guò)，其中1 號(hào)采石坑位于右洞上方，2 號(hào)采石坑位于其右側(cè)，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 隧道與采石坑位置關(guān)系衛(wèi)星圖

圖2 抽干水后1 號(hào)采石坑情況

根據(jù)勘察資料，1 號(hào)采石坑坑口面積約26 m×50 m，坑內(nèi)見(jiàn)積水，經(jīng)過(guò)抽排水后測(cè)得坑底深約33.6 m，坑底為片塊石棄渣，棄渣最大厚度約5.6 m，石塊最大粒徑約1 m。 隧道右洞頂開(kāi)挖線進(jìn)入采石坑底最大為1.02 m，隧道與采石坑之間的位置關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 隧道與采石坑位置關(guān)系示意

此外，2 個(gè)采石坑中間余留的未開(kāi)采部位可見(jiàn)構(gòu)造帶F1 發(fā)育，產(chǎn)狀105°∠75°～85°，出露位置寬1～5 m，帶內(nèi)巖體較破碎，呈塊（石）碎（石）狀結(jié)構(gòu)，巖石多呈碎塊狀～中風(fēng)化，裂隙極發(fā)育，線密度5～20條/m，部分裂隙可見(jiàn)侵入巖脈。 采石過(guò)程中為防止中間構(gòu)造帶進(jìn)一步破裂，現(xiàn)場(chǎng)已采用鋼索進(jìn)行對(duì)拉，見(jiàn)圖4。同時(shí)，受該構(gòu)造帶影響，采石坑巖壁地面處可見(jiàn)巖石開(kāi)裂，裂隙近垂直切割巖體，局部裂隙張開(kāi)，張開(kāi)度5～20 cm，在震動(dòng)的作用下易產(chǎn)生崩塌滑落，采石坑下部揭露的巖體較完整，上部靠近原地表越近裂隙越發(fā)育，其中的190°∠45°一組節(jié)理面，傾向接近采石坑北側(cè)坡面，不利于坡面穩(wěn)定，見(jiàn)圖5。

圖4 采用鋼索對(duì)中間巖體進(jìn)行對(duì)拉

圖5 采石坑上部巖體破碎

2 擬定隧道下穿采石坑處理方案

2.1 擬定隧道下穿方案

隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的日益重視，礦山治理工作勢(shì)在必行。 基于現(xiàn)場(chǎng)情況，采石坑勢(shì)必要回填處理，故擬定了2 種隧道下穿采石坑的實(shí)施方案：（1）先挖后填（即先開(kāi)挖隧道再回填采石坑）；（2）先填后挖（即先回填采石坑后開(kāi)挖隧道）。

根據(jù)地質(zhì)資料描述采石坑之間的坑壁可見(jiàn)構(gòu)造帶F1 發(fā)育，帶內(nèi)巖體較破碎，施工爆破震動(dòng)易引起坑壁崩塌、石塊掉落，危及隧道結(jié)構(gòu)及人身安全，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。 同時(shí)，先挖后填隧道襯砌結(jié)構(gòu)需承受采石坑回填時(shí)的沖擊荷載，施工不當(dāng)易造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂影響隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性、 耐久性和可靠性。 為保證隧道施工及結(jié)構(gòu)安全，揚(yáng)子山隧道擬定采用先填后挖方案下穿采石坑。

2.2 擬定采石坑回填料

對(duì)現(xiàn)狀采石坑的回填主要采用土石混合料，但為保證隧道拱頂范圍與襯砌結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，拱頂以上3 m 范圍采用C20 素混凝土回填形成混凝土板；其上填筑2 m 厚的碎石砂層作為緩沖層，以減小土石填料對(duì)C20 混凝土板的沖擊作用。由于C20 混凝土板大部分兩端均支撐于微風(fēng)化花崗巖上，考慮混凝土板的支撐效應(yīng)，在C20 混凝土板底懸空部分的巖壁上施作錨桿，以增強(qiáng)C20 混凝土板與坑壁之間的粘結(jié)效果，更利于洞頂范圍回填材料發(fā)揮土拱效應(yīng)。其中，錨桿采用直徑22 mm 的藥卷錨桿，按梅花型布設(shè)，間距50 cm×50 cm，長(zhǎng)2.5 m，進(jìn)入巖壁錨固長(zhǎng)度1.5 m，外露長(zhǎng)度1.0 m。 采石坑巖壁錨桿加固設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖6 采石坑巖壁錨桿加固示意圖

3 襯砌結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算分析

結(jié)合隧道工程條件和水文、地質(zhì)條件，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、造價(jià)等因素，按隧道工程類比初步擬定支護(hù)參數(shù)。 為確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，基于地層結(jié)構(gòu)法和荷載結(jié)構(gòu)法， 采用Midas NX有限元分析軟件分別對(duì)隧道初期支護(hù)及二次襯砌的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行計(jì)算分析，為工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

3.1 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算

3.1.1 模型建立

根據(jù)采石坑段落的實(shí)際情況，選取揚(yáng)子山隧道右洞YK1+060 與YK1+085 2 個(gè)典型斷面， 按地層結(jié)構(gòu)法對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行計(jì)算。 選取計(jì)算斷面見(jiàn)圖7，建立模型見(jiàn)圖8。

圖7 計(jì)算斷面

圖8 數(shù)值計(jì)算斷面網(wǎng)格

3.1.2 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)揚(yáng)子山隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告，計(jì)算斷面圍巖物理力學(xué)參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算斷面采用臺(tái)階法開(kāi)挖，初期支護(hù)參數(shù)為噴射砼強(qiáng)度等級(jí)C25、噴砼厚度30 cm、鋼支撐型號(hào)工22b、鋼架間距0.5 m，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

3.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）初期支護(hù)變形分析

各計(jì)算斷面的初期支護(hù)變形見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 Y 方向位移云圖

圖10 X 方向位移云圖

由圖9 和圖10 可知，按設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)和工法進(jìn)行數(shù)值模擬，YK1+060 和YK1+085 斷面的初支豎向位移最大值均位于拱頂位置，分別為5.3 mm和2.5 mm； 周邊水平位移最大值均位于拱腰位置，分別為0.5 mm 和0.7 mm，滿足JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》初期支護(hù)允許相對(duì)位移的要求。

（2）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全分析

各計(jì)算斷面典型部位內(nèi)力值及其安全系數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 YK1+060 典型部位內(nèi)力值及其安全系數(shù)

表4 YK1+085 典型部位內(nèi)力值及其安全系數(shù)

由表3 和表4 可知，計(jì)算斷面的初期支護(hù)安全系數(shù)均大于1.53，滿足規(guī)范安全要求。

3.2 二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算

根據(jù)采石坑段落的實(shí)際情況，選取揚(yáng)子山隧道右洞YK1+085 作為典型斷面， 按荷載—結(jié)構(gòu)法對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 采石坑回填體產(chǎn)生的垂直壓力計(jì)算

目前針對(duì)采石坑回填后產(chǎn)生垂直壓力計(jì)算尚無(wú)明確的研究，因此必須選取合理計(jì)算原理以確定結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。 根據(jù)采石坑的形態(tài)及與隧道之間的位置關(guān)系，采石坑段作用在襯砌結(jié)構(gòu)的圍巖垂直壓力q 主要包括圍巖基本荷載q1和采石坑回填松散體荷載q2，見(jiàn)圖11；本工程中按最不利情況計(jì)算，即不考慮采石坑回填料與坑壁交界面處的相互影響，采石坑段作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖垂直壓力q 按式（1）計(jì)算。

圖11 采石坑段襯砌結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算示意

其中圍巖基本荷載（q1）比較容易求得。 由于采石坑段隧道洞身位于微風(fēng)化花崗巖， 為Ⅲ級(jí)圍巖段，根據(jù)JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]計(jì)算可得q1=93.27 kPa。

而采石坑回填松散體荷載（q2）的采用全部回填土的自重還是按其他的理論計(jì)算則需進(jìn)一步選擇。通過(guò)對(duì)比分析，確定采用太沙基理論計(jì)算采石坑回填松散體荷載[8]。 根據(jù)太沙基理論，采石坑回填松散體荷載（q2）可按式（2）計(jì)算：

3.2.2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)平面彈性有限元原理，將二次襯砌離散為由梁?jiǎn)卧M成的平面桿系，圍巖對(duì)二次襯砌的約束作用采用只受壓不受拉的彈簧單元進(jìn)行模擬。 計(jì)算中對(duì)二次襯砌墻腳進(jìn)行固結(jié)，混凝土收縮和徐變的影響按整體降溫15℃考慮。

二次襯砌力學(xué)參數(shù)取自JTG 3370.1-2018 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]和GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，混凝土的極限強(qiáng)度：混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、 軸心抗壓Ra為22.5 MPa、 彎曲抗壓Rw為28.1 MPa、軸心抗拉Rl為2.2 MPa。擬定計(jì)算斷面二次襯砌參數(shù)：混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、二次襯砌厚度80 cm、配筋（HRB400，φ25@20）。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算的垂直壓力，側(cè)壓力系數(shù)λ 取0.3，計(jì)算得到水平壓力e=141.31 kPa。 采用綜合系數(shù)法進(jìn)行強(qiáng)度校核，各類荷載的組合系數(shù)均取1.0。 下穿采石石坑段隧道二次襯砌軸力和彎矩見(jiàn)圖12～13，典型部位內(nèi)力值及其安全系數(shù)見(jiàn)表5。

圖12 二次襯砌軸力圖

圖13 二次襯砌彎矩圖

表5 典型部位內(nèi)力值及其安全系數(shù)

由表5 可知， 當(dāng)隧道初支按安全儲(chǔ)備考慮，拱頂回填荷載100%由80 cm 二襯承擔(dān)情況下， 二次襯砌安全系數(shù)均大于2.0，滿足規(guī)范安全要求。

4 采石坑處理效果分析

4.1 采石坑處理技術(shù)

根據(jù)擬定的支護(hù)參數(shù)及施工方案，經(jīng)計(jì)算分析確認(rèn)滿足規(guī)范要求的前提下，對(duì)揚(yáng)子山隧道下穿采石坑段的處理技術(shù)進(jìn)一步細(xì)化。

4.1.1 坑底棄渣清除

采石坑內(nèi)抽水完成后， 先清除坑壁松動(dòng)的石塊，防止受震動(dòng)墜落。 通過(guò)在洞內(nèi)開(kāi)挖導(dǎo)洞至采石坑，清除坑底虛渣。

4.1.2 采石坑回填

坑底回填拱頂以上3 m 厚C20 素混凝土形成底板，并在隧道開(kāi)挖寬度內(nèi)坑壁與C20 素混凝土的交界面范圍巖壁施作錨桿，以增強(qiáng)與坑壁之間的粘結(jié)效果， 更利于洞頂范圍回填材料發(fā)揮土拱效應(yīng)；待C20 混凝土回填施工完成達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再向坑內(nèi)回填2 m 厚碎石砂作為緩沖層以保護(hù)C20 混凝土；最后回填土夾石填料至采石坑頂面并施作防水層。

4.1.3 隧道開(kāi)挖支護(hù)

采石坑回填完成后，按上下臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖隧道洞身，隧道初期支護(hù)采用30 cm 厚C25 噴射混凝土+工22b 鋼支撐（間距50 cm）；二次襯砌采用80 cm 厚C30 防水鋼筋混凝土。

4.1.4 隧道防排水

該段隧道防排水包括隧道洞身防排水和洞頂防排水。 為盡快排走隧道圍巖裂隙水，采石坑段隧道環(huán)向排水盲溝縱向間距調(diào)整為3 m； 為確保坑頂回填部分不積水，回填頂面標(biāo)高應(yīng)根據(jù)周邊地形確定，完成后表面應(yīng)呈4%排水坡度，并在回填頂面設(shè)置防水層， 確保回填部分不積水； 防水層為50 cm膠泥防滲層+防水板+50 cm 膠泥防滲層，與坑壁周邊巖體搭接不小于1 m。

4.2 處理效果分析

為保證下穿采石坑段施工安全，實(shí)時(shí)了解隧道的變形情況。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工情況，對(duì)隧道下穿采石坑段YK1+060、YK1+085 2 個(gè)斷面進(jìn)行拱頂下沉、周邊收斂等項(xiàng)目監(jiān)測(cè)，以充分掌握采石坑段隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)情況，測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置見(jiàn)圖14～15，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖16～19。

圖14 隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖15 隧道拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖16 YK1+060 斷面周邊收斂累計(jì)-時(shí)間曲線

圖17 YK1+060 斷面拱頂下沉累計(jì)-時(shí)間曲線

圖18 YK1+085 斷面周邊收斂累計(jì)-時(shí)間曲線

圖19 YK1+085 斷面拱頂下沉累計(jì)-時(shí)間曲線

由圖16～19 可知，（1）隨著隧道的開(kāi)挖，選取的2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的周邊收斂和拱頂下沉逐漸增大，在達(dá)到最大位移值后趨于穩(wěn)定，且最大位移值均小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果。 其中YK1+060 斷面自2021 年6 月1日開(kāi)挖，周邊收斂在6 月19 日達(dá)到最大值2.3 mm，最大收斂速率為0.2 mm/d，拱頂沉降在6 月13 日達(dá)到最大值2.2 mm，最大沉降速率為0.2 mm/d；YK1+085 斷面自6 月18 日開(kāi)挖， 周邊收斂在7 月5 日達(dá)到最大值2.4 mm，最大收斂速率為0.2 mm/d，拱頂沉降在7 月3 日達(dá)到最大值2.2 mm，最大沉降速率為0.2 mm/d。 （2）從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的最大拱頂沉降為2.2 mm， 最大周邊收斂為2.4 mm，均滿足JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》初期支護(hù)允許相對(duì)位移的要求。

同時(shí)，揚(yáng)子山隧道下穿采石坑段自2021 年6月開(kāi)挖，已于2021 年8 月完成該段二次襯砌施工，截至2022 年4 月二次襯砌外觀完好，說(shuō)明采用的采石坑回填處理方案可行，設(shè)計(jì)的支護(hù)體系安全可靠。

5 結(jié)論

通過(guò)揚(yáng)子山隧道下穿采石坑段成功實(shí)施得出結(jié)論如下：（1）采石坑之間坑壁地質(zhì)條件普遍較差，為保證施工安全建議隧道下穿采石坑優(yōu)先采用先填后挖方案；（2）采石坑回填料采用3 m 厚C20 混凝土+2 m 厚的碎石砂緩沖層+土夾石填料，在隧道開(kāi)挖寬度內(nèi)坑壁與C20 混凝土的交界面范圍巖壁施作錨桿，以增強(qiáng)與坑壁之間的粘結(jié)效果，更利于洞頂范圍回填材料發(fā)揮土拱效應(yīng)；（3）采用太沙基理論計(jì)算采石坑回填后作用在隧道結(jié)構(gòu)上的垂直荷載，計(jì)算理論合理可靠，符合工程實(shí)際；（4）根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析及下穿采石坑段落建成觀測(cè)，說(shuō)明本隧道工程采用的采石坑回填處理方案合理可行，設(shè)計(jì)的支護(hù)體系安全可靠，可為今后類似工程提供借鑒。