浦清高速仙垌隧道初期支護施工方案研究

【摘 要】結(jié)合浦清高速仙垌隧道工程，根據(jù)相關規(guī)范，綜合考慮該隧道的工程地質(zhì)情況，對仙垌隧道進行初期支護方案的設計。仙垌隧道段地質(zhì)復雜，斷層破碎帶眾多，隧道出口處巖層破碎，洞門需要承擔山體壓力，選取端墻式洞門。

【關鍵詞】隧道施工； 端墻式洞門； 初期支護

【中圖分類號】U455.7【文獻標志碼】A

0 引言

隨著基建的快速推進，隧道工程的應用越發(fā)廣泛，部分施工難度較大的隧道對工期的影響越來越大。在淺埋偏壓軟弱圍巖等復雜地質(zhì)相結(jié)合條件下修建隧道則非常困難［1］?，F(xiàn)行的規(guī)范中，圍巖分級跨度較大，缺乏較強的普適性。為此國內(nèi)外學者進行了大量的研究工作針對隧道支護進行優(yōu)化。而對于特定的軟巖大變形隧道，研究其圍巖性質(zhì)及地應力特征，且模擬其塑性區(qū)和位移分布規(guī)律的研究相對較少，并且對于高應力軟巖隧道開挖方案的選擇往往依賴于經(jīng)驗和工程類比［2］。

張偉［3］通過Phase2軟件，對圓形隧道開挖過程中圍巖的變形和襯砌結(jié)構內(nèi)力進行了分析為定量設計和改進隧道二襯支護方案提供了新思路。羅貞焱等［4］以某V級圍巖小凈距隧道為研究對象，借助數(shù)值分析手段尋求小凈距隧道在多種荷載分擔比組合下的力學行為特征，研究了先行洞和后行洞圍巖支護的荷載分擔比優(yōu)化問題，為類似小凈距隧道圍巖支護荷載分擔比優(yōu)化提供了新的思路。

1 工程概況

仙垌隧道隧址所在的區(qū)域位于博白縣的三灘鎮(zhèn)，是浦清高速重難點工程天池山特大橋的唯一架梁通道，“肩負”著保障按期完成天池山特大橋架梁工期節(jié)點的重要使命。其附近僅有為風力發(fā)電而修筑的碎石公路和鄉(xiāng)間小路，交通條件一般。

隧址區(qū)的路線從整體來看沿南北向展布，隧道的出口位于三灘河附近，地貌屬于構造剝蝕侵蝕低山地貌；隧道進口位處于山體斜坡，地形上較陡，地面標高大部分為150～200 m，其相對高差大概50 m左右，自然邊坡坡向約190°，坡度30°；隧道出口位于山麓斜坡，地面標高一般 150～190 m，相對高差約 40 m，自然邊坡坡向約30°～40°，坡度40°。

隧址區(qū)發(fā)育三灘-塘肚斷層F4（N55°E），該斷層為逆斷層長約14 km。斷層走向北東，傾向北西，傾角約74°。主要錯斷泥盆系地層。路線于K59+000與斷層斜交，交角約20°隧址區(qū)出露巖層屬單斜構造，其中泥盆系中統(tǒng)下段（D2y1）強—中風化砂巖、砂巖夾頁巖、砂巖（構造破碎帶）、泥質(zhì)砂巖層面產(chǎn)狀為135°∠55°～140°∠60°。

在隧道進出口兩側(cè)均發(fā)育季節(jié)性溪溝流水，溪溝水流量變化較大，旱季流量較小，雨季流量變大。

該地區(qū)的地下水大部分屬于第四系松散孔隙水、基巖風化裂隙水、斷層破碎帶、構造破碎帶構造裂隙水。隧址區(qū)地下水的主要補給來源為大氣降水，雨水大多通過松散覆蓋層順著巖體表面的節(jié)理裂隙通過下滲對地下水進行補給，該地區(qū)的地下水大部分沿著斷層 F4 斷裂帶及巖層層面裂隙向地表河流排泄。

隧道分左右兩線，左線分13段，右線同樣分為13段。隧道屬于為雙洞分離式隧道，左洞全長為1 090 m，右洞全長為1 105 m。隧道公路等級為雙向四車道高速公路，隧道設計速度為120 km/h，凈寬13.75 m，凈高5.0 m。隧道進口左右洞和出口右洞均采用端墻式洞門，洞口剖面見圖1，出口左洞采用偏壓式洞門，設置2處人行橫洞，1處車行橫洞。隧址區(qū)巖石試驗成果統(tǒng)計見表1。

隧道左、右段總共被劃分為11個圍巖段，圍巖級別分別為Ⅴ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅴ、Ⅴ。各級圍巖的物理力學參數(shù)及結(jié)構面抗剪強度，遵照JTGD 70-2018《公路隧道設計規(guī)范》［5］選取，各級圍巖物理力學指標標準值見表2。隧道右線分段圍巖級別長度所占隧道長度的比例為：右幅Ⅴ級圍巖段長725 m，占比66.5%，Ⅳ級圍巖段長365 m，占比33.5%；隧道左線分段圍巖級別長度所占隧道長度的比例為：Ⅴ級圍巖段共長725 m，占65.6%，Ⅳ級圍巖段長約380 m約占34.4%。

2 隧道洞門形式及穩(wěn)定性驗算

2.1 隧道斷面參數(shù)

隧道斷面對于隧道建設具有重要作用，不僅關乎工程施工開展情況，也影響隧道整體安全穩(wěn)定。仙垌隧道位于廣西南部，地形以山嶺為主，地質(zhì)條件復雜。此外，隧址地處亞熱帶季風氣候區(qū)，雨季多暴雨，河流眾多，地表水受季節(jié)影響大，汛期時往往對施工具有較大影響?；谙邵硭淼缹嶋H情況本工程設計斷面具體參數(shù)如表3所示。

2.2 隧道洞門形式

本工程位于山嶺地帶，地質(zhì)復雜，圍巖穩(wěn)定性差，工程難度高。由于該項目隧道出口處巖層破碎，洞門需要承擔山體壓力，結(jié)合工程經(jīng)驗及現(xiàn)場實際情況選取端墻式洞門［6］，擬定洞門端墻高度為14.2 m，墻身傾斜的角度大概為1∶10，基底埋深為2.4 m，洞口仰坡坡腳至洞門墻背的水平距離為5 m，墻厚為1.6 m。

2.3 隧道洞門穩(wěn)定性計算

根據(jù)隧道洞門的相關參數(shù)（表4），對洞門穩(wěn)定性進行計算，傾覆穩(wěn)定性系數(shù)由式1求知，滑動穩(wěn)定系數(shù)由式2求知，基底偏心距由式3求出，基底最大壓力由式4求出，墻面偏心距由式5求出，墻面應力由式6求出，洞門各項指標均滿足設計要求，符合國家標準（表5）。

巖土工程與地下工程上官偉， 由洋旭， 田曉雷， 等： 浦清高速仙垌隧道初期支護施工方案研究

K0=∑My/∑Mx（1）

Kc=∑N·f/∑E（2）

e=1.5-ZN（3）

σmaxmin=∑N/B（1±6e/B）（4）

eb=M/N（5）

σ=∑N/b（1+6eb/b）（6）

式中：K0為傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；ΣMy為全部垂直力對墻趾的穩(wěn)定力矩；ΣMx為全部水平力對墻趾的穩(wěn)定力矩；Kc為滑動穩(wěn)定系數(shù)；ΣN為作用在基底上得垂直力之和；ΣE為墻后主動土壓力之和；e為基底偏心距；ZN為ΣN對墻體的力臂；σmax為基底最大壓力；eb為墻面偏心距；M為選擇計算截面各作用分力對計算截面形心計算分力矩總和；N為作用于截面之上垂直分力之和；σ為墻面應力。

3 隧道初期支護設計與計算

3.1 山嶺隧道類型判定

按照圍巖的初始應力狀態(tài)以及圍巖變形破壞的形式，山嶺隧道通?？梢员粍澐譃樯盥袼淼?、淺埋隧道和超深隧道三種［7］。其分界依照經(jīng)驗式（7）進行判別。

Hp=（2～2.5）hq（7）

式中：Hp為深淺埋隧道分界深度；hq為荷載等效高度；q為深埋隧道豎向均布壓力；γ為圍巖容重，取20 kN/m3。

根據(jù)公路隧道設計規(guī)范，深埋隧道的圍巖豎向均布壓力可根據(jù)式（8）進行計算：

q=0.45×2s-1γω（8）

式中：S為圍巖等級；γ為圍巖的重度；ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i（Bt-5）；Bt為隧道寬度；i為圍巖壓力的增減率結(jié)合上述兩式求得隧道埋深大于深埋隧道分界深度，可知仙垌隧道屬于深埋隧道。并根據(jù)相應規(guī)范計算出圍巖垂直均布壓力及圍巖水平均布壓力為之后的支護方案設計設計提供依據(jù)。

3.2 初期支護的設計與穩(wěn)定性計算

隧道初期支護是隧道開挖后的首個工序，隨著設計方案的進步，更大限度調(diào)動圍巖的自穩(wěn)性成為當前研究的主流。初期支護既可以跟周圍圍巖共同變形又具有一定剛度可以抑制圍巖進一步變形［8］。

根據(jù)仙垌隧道的設計要求與地形地貌，結(jié)合實際工程情況，現(xiàn)選取支護參數(shù)為（表6）。隧道初襯厚30 cm，隧道開挖半徑r0=7.67 m，φ=45°，c=0，γ=24 kN/m3。根據(jù)支護參數(shù)對隧道的初期支護穩(wěn)定性進行計算（表7），經(jīng)過計算驗證初期支護總支護阻力大于最小支護阻力，本工程初期支護符合國家標準，符合設計需要。

4 結(jié)論

近些年來我國公路建設發(fā)展迅速，隧道方案的采用變得越來越廣泛，所以對一個隧道的開挖支護方案進行科學合理的設計變得尤為重要。本文圍繞著浦清高速仙洞隧道工程，根據(jù)相關規(guī)范，綜合考慮該隧道的工程地質(zhì)情況，對仙洞隧道進行初期支護方案的設計，主要研究成果如下：

（1）本工程位于山嶺地帶，地質(zhì)復雜，圍巖穩(wěn)定性差，工程難度高，根據(jù)工程經(jīng)驗及現(xiàn)場實際情況優(yōu)先選取端墻式洞門。

（2）本工程初期支護充分調(diào)動圍巖的自穩(wěn)性充分利用圍巖提供的支護抗力，為同類型隧道施工提供了參考。

參考文獻

［1］ 甘俊壕.淺埋偏壓軟弱圍巖隧道設計施工優(yōu)化研究［D］.重慶：重慶交通大學，2018.

［2］ 雷萬雄，李取綱.高地應力軟巖隧道開挖方案優(yōu)化研究［J］.土工基礎，2017，31（3）：344-349.

［3］ 張偉.基于安全系數(shù)的隧道二次襯砌支護設計新方法［J］山西建筑，2016，42（34）：156-158.

［4］ 羅貞焱，史秀志，代轉(zhuǎn)，等.V級圍巖小凈距隧道二次襯砌支護荷載分擔比優(yōu)化研究［J］.礦冶工程，2020， 40（2）：24-27+32.

［5］ 中華人民共和國行業(yè)標準.公路隧道設計規(guī)范：JTG D70-2018［S］.北京：人民交通出版社，2018.

［6］ 譚忠盛.隧道洞門抗滑模型試驗及可靠度分析［J］.蘭州鐵道學院學報，2001（3）：4-7.

［7］ 楊勇，諸岧，關振長. 深埋小凈距隧道群圍巖壓力計算方法探究［J］.水利與建筑工程學報，2021，19（6）：35-40+75.

［8］ 陳峰賓.隧道初期支護與軟弱圍巖作用機理及應用［D］.北京：北京交通大學，2012.

［作者簡介］上官偉（1989—），男，本科，工程師，主要從事鐵路、公路工程施工工作。