西峽隧道安全工程穩(wěn)定性研究

李 慧 劉文濤

（北京信息科技大學(xué)，北京 102200）

中國(guó)西部地區(qū)山嶺環(huán)繞，復(fù)雜的地質(zhì)條件和環(huán)境對(duì)隧道工程建設(shè)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。根據(jù)工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中安全工程的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，結(jié)合目前大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)值模擬的圍巖穩(wěn)定性分析方法，同時(shí)根據(jù)施工過(guò)程中得到的監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)西峽隧道洞口段圍巖穩(wěn)定性研究進(jìn)行深入分析。

1 西峽隧道工程地質(zhì)條件

隧道起點(diǎn)位于雙龍鎮(zhèn)南側(cè)的柳樹(shù)溝口附近，終點(diǎn)在劉莊西設(shè)雙喇叭型立交與滬陜高速連接。隧道進(jìn)洞段屬于中低山丘陵地貌，地勢(shì)的起伏比較小，隧道的小里程端比較高，大里程比較低，坡面的植被很茂盛。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，經(jīng)過(guò)地調(diào)復(fù)核及1∶2000工程地質(zhì)調(diào)繪，隧道出口離斷層較近，對(duì)隧道穩(wěn)定性有一定影響，故隧址區(qū)為區(qū)域地質(zhì)基本穩(wěn)定區(qū)。地面標(biāo)高為305.1m～378.8m，相對(duì)高差約73.7m。西峽隧道進(jìn)洞段地形均為比較緩，坡角約為15°～25°，出洞段地形較陡，坡角約25°～30°。左線(xiàn)最大埋深74.602m，右線(xiàn)最大埋深78.013m。隧道凈寬為10.25m，凈高為5.0m。

2 隧道進(jìn)洞段圍巖變形特征

該隧道左線(xiàn)西峽端洞口（樁號(hào)：ZK137+729）圍巖特征為全風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化石英片巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，碎石狀，層間結(jié)合差，穩(wěn)定性極差，為Ⅴ級(jí)圍巖。

隧道右線(xiàn)雙龍端洞口（樁號(hào)：K137+101）圍巖特征為全風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化石英片巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，碎石狀，層間結(jié)合差，穩(wěn)定性極差，定為Ⅴ級(jí)圍巖。

隧道右線(xiàn)西峽端洞口（樁號(hào)：K137+689）圍巖特征為全風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化石英片巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，碎石狀，層間結(jié)合差，穩(wěn)定性極差，為Ⅴ級(jí)圍巖。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB202003-2015），抗震設(shè)防烈度為7度，鑒于項(xiàng)目特點(diǎn)，建議隧道抗震設(shè)計(jì)適當(dāng)提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及必要的抗震措施，地震作用應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防等級(jí)確定。

在隧道區(qū)內(nèi)主要出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為山體大里程側(cè)巖體破碎帶。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在隧道大里程K138+200 處存在斷層構(gòu)造，受斷層地質(zhì)作用影響，出口端巖體破碎，對(duì)隧道的穩(wěn)定性存在不良影響。

3 隧道安全工程加固

3.1 隧道安全工程加固措施選擇

西峽地區(qū)高速隧道進(jìn)洞段埋深淺，圍巖狀態(tài)比較破碎，易風(fēng)化。應(yīng)選擇適合其工程地質(zhì)條件的加固方案對(duì)其進(jìn)行加固。基于對(duì)公路隧道工程的常用圍巖加固措施的分析，位于雙西高速的隧道進(jìn)洞口的圍巖支護(hù)方法是進(jìn)行管棚支護(hù)加固。超前大管棚支護(hù)長(zhǎng)度為洞口端30m范圍，管棚施工工藝流程（圖1）：首先，在進(jìn)行施工前準(zhǔn)備物料，提前進(jìn)行測(cè)量放樣。管棚的鉆孔工作要在隧道洞口的護(hù)拱混凝土的強(qiáng)度達(dá)到可以施加管棚支護(hù)加固的要求后進(jìn)行。隧道洞口的開(kāi)挖面邊線(xiàn)與管棚的中心位置的距離約為40cm，管棚鋼管是熱軋無(wú)縫鋼管，鋼管的外徑為108mm，鋼管壁厚度為6mm，長(zhǎng)度有3m和6m兩種。環(huán)向上，鋼管之間的距離設(shè)置為0.4m，鋼管的仰角為1°～2°（不包括線(xiàn)路縱坡），鋼管仰角方向與隧道線(xiàn)路的中線(xiàn)平行，安插鋼管的施工誤差徑向控制小于20cm。在隧道的縱方向上，同一斷面內(nèi)的管棚接頭數(shù)要小于1/2，相鄰的鋼導(dǎo)管之間的接頭要互相錯(cuò)開(kāi)至少1m。鋼管接頭是絲扣相連接的，絲扣的長(zhǎng)度為15cm。相鄰的鉆孔如果相連，會(huì)造成坍塌，所以成孔質(zhì)量是需要嚴(yán)格控制的，鉆孔工作應(yīng)該奇數(shù)孔和偶數(shù)孔間隔進(jìn)行。先鉆奇數(shù)孔，后鉆偶數(shù)孔，成孔直徑為127mm，這個(gè)成孔尺寸有利于安裝φ108×6mm的鋼導(dǎo)管。奇數(shù)孔成孔后應(yīng)該及時(shí)安裝有孔的鋼導(dǎo)管，向鋼導(dǎo)管孔內(nèi)注入水泥漿。偶數(shù)孔鉆成后立即安裝無(wú)孔的鋼花管，控制偶數(shù)孔的形狀，防止塌孔。隧道管棚加固施工過(guò)程中，無(wú)論是奇數(shù)孔還是偶數(shù)孔，每鉆完一個(gè)孔就要立即用無(wú)孔鋼管支撐。鉆一孔、注一孔，漿液擴(kuò)散半徑不小于0.5m，注漿壓力為0.5MPa～1.0MPa。注漿的同時(shí)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表發(fā)生的位移變化，一旦地表變形量過(guò)大要分析原因，然后采取針對(duì)性的控制措施。

圖1 隧道左線(xiàn)進(jìn)洞段管棚施工工藝流程圖

3.2 隧道左線(xiàn)進(jìn)洞段施工注意事項(xiàng)

洞口管棚加固施工前注意檢查管棚鉆機(jī)和注漿機(jī)的性能，鉆機(jī)位置與鉆孔口的距離不能大于4 m。

注漿前要先檢查注漿設(shè)備的注漿效果。管棚注漿的原則為“從上往下、跳孔注漿”。注漿漿液按水灰比為1∶1制作水泥漿。鉆一孔、注一孔，漿液擴(kuò)散半徑不小于0.5m，注漿壓力為0.5MPa～1.0MPa。注漿的同時(shí)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表發(fā)生的位移變化，一旦地表變形量過(guò)大要分析原因，然后采取針對(duì)性的控制措施，如停止注漿，限制注漿壓力與泵量，或調(diào)整水泥漿液的混合比例等。

嚴(yán)格掌握注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)：達(dá)到設(shè)計(jì)要求的注漿量或注漿壓力達(dá)到2 MPa，注漿時(shí)間大于10 min。

隧道開(kāi)挖后，對(duì)掌子面進(jìn)行加固也是非常必要的。噴射混凝土就能很好地起到保護(hù)掌子面不被風(fēng)化的作用，加固隧道圍巖的整體穩(wěn)定性。

4 隧道安全工程數(shù)值模擬與施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 隧道安全工程有限元數(shù)值模擬

有限單元法是將復(fù)雜的工程問(wèn)題拆分為一個(gè)又一個(gè)的單元體分析實(shí)際工程中的受力問(wèn)題，模擬現(xiàn)實(shí)中巖土體的實(shí)際情況。

高速公路隧道工程比較常用的數(shù)值模擬軟件有MIDAS、FLAC 3D以及ABAQUS等，每種類(lèi)型的有限元軟件都有其優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，適用范圍不同，不同的隧道工程項(xiàng)目選用合適的軟件，該文采用的就是ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)西峽隧道進(jìn)洞段圍巖加固情況進(jìn)行模擬分析。計(jì)算參數(shù)如下。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)Ⅴ級(jí)圍巖的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)挖初期襯砌采用C30模筑防水混凝土，厚度為60cm。隧道上表面距離地表的距離為20m，隧道模型的邊界尺寸取隧道半徑為6m。這里取長(zhǎng)60m，寬60m的正方形二維模型。根據(jù)工地勘察數(shù)據(jù)，寨子溝隧道左線(xiàn)雙龍段洞口圍巖為全風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化石英片巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，碎石狀，層間結(jié)合差，穩(wěn)定性極差，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，彈性模量為200MPa，泊松比為0.2。在數(shù)值模擬過(guò)程中，采用以下材料參數(shù)，得到位移矢量圖（圖2），隧道在進(jìn)行開(kāi)挖施工前的狀態(tài)是受重力并處于相對(duì)平衡的狀態(tài)，由于開(kāi)挖施工打破了這一平衡狀態(tài)，因此會(huì)引起隧道的變形，變形到隧道達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在進(jìn)行模擬隧道開(kāi)挖前，先進(jìn)行地層的地應(yīng)力平衡計(jì)算。首先計(jì)算模型僅在自重荷載作用下的圍巖應(yīng)力，并將圍巖應(yīng)力加入模型，作為初始應(yīng)力，再按照施工工序進(jìn)行隧道開(kāi)挖。

計(jì)算參數(shù)如下。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)Ⅴ級(jí)圍巖的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)挖初期襯砌采用C30模筑防水混凝土，厚度為60cm。在數(shù)值模擬過(guò)程中，采用以下材料參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

由圖2分析可得，觀(guān)察隧道的上方部位水平方向上的位移為0，而越接近隧道的兩側(cè)，水平方向上的位移就越大，達(dá)到隧道的峰值后，水平方向上的位移越來(lái)越小。隧道頂部的豎直方向上的位移（沉降量）是最大的，越向隧道的兩邊，豎直方向上的位移（沉降量）越小。隧道上方發(fā)生沉降，隧道底部回彈。這是因?yàn)樗淼劳馏w的變形引起掌子面底部的部分土體受到拉應(yīng)力的作用，位于隧道中間部分的土體則會(huì)受到圍巖的壓應(yīng)力作用。

圖2 總位移矢量圖

4.2 隧道安全工程施工監(jiān)測(cè)布置

對(duì)西峽地區(qū)雙西高速的隧道有左線(xiàn)和右線(xiàn)2條線(xiàn)路，4個(gè)洞口，分別是左線(xiàn)雙龍端洞口（樁號(hào)：ZK137+092）；左線(xiàn)西峽端洞口（樁號(hào)：ZK137+729）；右線(xiàn)雙龍端洞口（樁號(hào)：K137+101）；右線(xiàn)西峽端洞口（樁號(hào)：ZK137+689）對(duì)寨子溝隧道進(jìn)洞段的拱頂沉降及圍巖變形特征的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)由點(diǎn)到線(xiàn)再到面展開(kāi)，寨子溝隧道左線(xiàn)全長(zhǎng)637m，起始樁號(hào)為雙龍端的ZK137+092，終止樁號(hào)為西峽端的ZK137+729，隧道右線(xiàn)全長(zhǎng)588 m，起始樁號(hào)為雙龍端的K137+101，終止樁號(hào)為西峽端的K137+689，每隔1m有一樁，每個(gè)樁號(hào)所在的橫截面為1個(gè)監(jiān)測(cè)面，每個(gè)監(jiān)測(cè)面上都有拱頂沉降監(jiān)測(cè)和2條測(cè)線(xiàn)監(jiān)測(cè)圍巖的變形程度。拱頂沉降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)貼反光片，使用全站儀觀(guān)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程，讀取高程差。測(cè)線(xiàn)上觀(guān)察測(cè)線(xiàn)2點(diǎn)之間的距離，判斷圍巖的變形程度。其中選取左線(xiàn)西峽端洞口的具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.3 隧道安全工程施工監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

從圖3中可知，前一個(gè)星期的A測(cè)線(xiàn)累計(jì)位移值由10月31日2 mm左右變化到11月6日的10 mm左右，累計(jì)位移值變化很大，11月中旬后周邊收斂位移值的變化不再那么劇烈，到一月兩個(gè)月的時(shí)間累計(jì)位移值的變化量為5 mm左右。從A測(cè)線(xiàn)周邊位移這條曲線(xiàn)中可以看出曲線(xiàn)的斜率在變小，這個(gè)曲線(xiàn)斜率代表隧道周邊位移的變化速率，說(shuō)明周邊位移的變化是放緩的。

圖3 隧道左線(xiàn)ZK137+729斷面A測(cè)線(xiàn)周邊位移時(shí)態(tài)曲線(xiàn)圖

從圖4中可以看出，隧道左線(xiàn)ZK137+729斷面的B測(cè)線(xiàn)累計(jì)位移值從12月開(kāi)始測(cè)量，前七天的累計(jì)位移值變化非常明顯，新布的測(cè)點(diǎn)剛開(kāi)始變化量會(huì)比較大。12月11日后周邊收斂位移值的變化就不再那么劇烈，位移值變化在1 mm左右，從B測(cè)線(xiàn)周邊位移這條曲線(xiàn)中可以看出曲線(xiàn)的斜率在變小，這個(gè)曲線(xiàn)斜率代表隧道周邊位移的變化速率，說(shuō)明周邊位移的變化是放緩的，而且在后來(lái)的周邊位移的監(jiān)控量測(cè)中位移變化曲線(xiàn)的斜率趨于零，相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 左線(xiàn)ZK137+729斷面B測(cè)線(xiàn)周邊位移時(shí)態(tài)曲線(xiàn)圖

5 結(jié)論

該文以西峽隧道進(jìn)洞段的實(shí)地地質(zhì)概況為工程背景，采用ABAQUS有限元分析模擬軟件進(jìn)行建模，對(duì)隧道進(jìn)洞段的開(kāi)挖進(jìn)程和圍巖支護(hù)措施進(jìn)行數(shù)值模擬分析，給出隧道進(jìn)洞段圍巖支護(hù)的合適方案。

詳細(xì)介紹了隧道左線(xiàn)進(jìn)洞段管棚施工工藝流程及施工注意事項(xiàng)。簡(jiǎn)述隧道安全工程施工監(jiān)測(cè)布置方案，對(duì)監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行位移時(shí)態(tài)分析。

對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化信息化施工，為開(kāi)挖方法的選擇提供數(shù)據(jù)支持，保障現(xiàn)場(chǎng)施工安全，防止不良事故的發(fā)生，可以節(jié)約工程投資。