松散堆積體隧道進口段施工數(shù)值模擬及方案比選分析

摘要：為優(yōu)化松散堆積體隧道進口段的施工方案，文章以大沙嘴隧道為工程背景，在原有施工方案的基礎(chǔ)上，提出新增抗滑樁和袖閥管地表注漿兩種加固措施，通過有限差分數(shù)值軟件FLAC 3D對不同工況進行數(shù)值計算，分析各工況地表沉降規(guī)律，以確定施工方案。研究表明：采取加固措施后，圍巖的滑動程度減小、穩(wěn)定性增加；單采用袖閥管對地表注漿加固比單純新增抗滑樁更有效；在原設(shè)計的基礎(chǔ)上將抗滑樁和袖閥管地表注漿加固同時采用，能確保施工過程中的隧道穩(wěn)定和安全。

關(guān)鍵詞：松散堆積體地層；隧道工程；加固技術(shù)；數(shù)值模擬

中文分類號：U455.2A491605

0引言

隨著近年來我國在公路、鐵路等交通設(shè)施大規(guī)模發(fā)展建設(shè)，需要穿越松散堆積體地層的隧道工程項目逐漸增多［1］，諸多專家、學者也對隧道堆積體進行了專門的研究［2-8］，目前針對松散堆積體隧道的加固技術(shù)主要有超前小導管注漿、大管棚注漿和地表帷幕注漿等［9-13］。采用上述注漿加固技術(shù)可對堆積體起到一定的加固效果［14］，但對于松散堆積體地層隧道，僅采用注漿這類單一的加固方式對堆積體的變形不能達到滿意的控制需求，往往需要采取多種技術(shù)相結(jié)合的措施才能起到良好的控制效果。因此，分析松散堆積體隧道的圍巖變形規(guī)律，研究合理的加固技術(shù)措施，保證隧道施工的安全性具有重要的意義。本文基于以上工程目標，以大沙嘴隧道為例，設(shè)計出不同的新型施工方案，利用FLAC 3D軟件進行模擬計算，對比分析不同方案的變形加固效果，針對松散堆積體地層隧道總結(jié)合理的加固措施。

1工程背景

1.1工程概況

大沙嘴隧道位于四川省涼山州境內(nèi)宜賓—攀枝花高速公路金陽至寧南段，隧道按左、右線分離式設(shè)計，左線隧道里程樁號為Z2K189+946～Z2K193+886，長3 940 m；右線隧道里程樁號為K189+900～K193+874，長3 974 m，屬特長隧道。大沙嘴隧道進口段位于大沙嘴堆積體之上。該堆積體整體呈“山”字形分布，堆積體前緣高程約560 m，后緣高程約936 m，相對高差約376 m，地形起伏，坡度約35°～50°，寬約445 m，斜長約368 m，平均厚度約13.6 m，體積約222.71×104 m3，屬大型堆積體。

1.2工程地質(zhì)

大沙嘴隧道主要穿越前震旦系燈影組（Zz2dn）（白云巖）及長城系黃草嶺組（Zch）（絹云母千枚巖）。除此之外，隧址區(qū)范圍內(nèi)未見其他滑坡、崩塌、泥石流、地下采空區(qū)等不良地質(zhì)及特殊性巖土。橫向斜坡較陡。圍巖為碎石、塊石和強風化、強卸荷白云巖。隧道埋深淺，表層碎石、塊石結(jié)構(gòu)松散，圍巖自穩(wěn)能力極差，且存在嚴重的地形偏壓。勘察采集了勘探鉆孔內(nèi)揭露的地層巖石試樣進行物理力學性質(zhì)試驗。根據(jù)試驗成果統(tǒng)計資料得出：隧址區(qū)范圍內(nèi)長城系黃草嶺組的中風化絹云母千枚巖單軸飽和抗壓強度平均值為16.34 MPa，標注值為12.34 MPa，屬于軟巖；震旦系燈影組中風化白云巖單軸飽和抗壓強度平均值為59.86，標準值為49.40 MPa，屬于較硬巖。

2進洞施工方案設(shè)計

2.1設(shè)計初始進洞施工方案

為了確保洞口段的安全，減小洞口邊仰坡暴露面積，在施工過程中，首先要開挖一個洞，而另一個洞的土體則暫停施工。在先開挖的洞口、洞內(nèi)的襯砌和洞內(nèi)的回填施工完畢之后，才能繼續(xù)開挖其他洞，兩個洞之間的距離需＞30 m，若隧道軸線與等高線斜交，一般先開挖外側(cè)洞口。

洞口段地形為淺埋地形，設(shè)計采用大管棚超前支護的施工方案進洞。主要施工工序為：洞外截水溝→施作超前支護→施作暗洞→退回完成明洞襯砌。施工時應注意避免仰坡的開挖，根據(jù)實際地形，精確放樣，超前小導管緊貼地面施工。洞口淺埋偏壓段二襯及時施作，二襯距掌子面距離應≤50 m。

大沙嘴隧道進口段由于存在松散堆積體，且隧道結(jié)構(gòu)呈淺埋偏壓狀態(tài)，隧道施工的擾動易造成滑坡，給工程帶來不可預知的危害，因此對進口段采取加固措施，主要包括：

（1）右洞邊坡位置48 m范圍采用三排間距為1 m的DN168鋼管樁+Ⅰ10工字鋼注漿加固。

（2）左右洞明暗交界位置采用5根2 m×3 m方樁支護。

（3）左右洞兩側(cè)采用35根2 m圓樁支護。

暗挖進洞采用A+C型，35 m108 mm超前大管棚+42 mm超前小導管相結(jié)合輔助措施。進洞后35～100 m范圍采用雙層小導管注漿。

隧道暗洞采用22 mm藥卷錨桿，長3 m，梅花形布置，Ⅰ18工字鋼，間距為80 cm，C25噴射混凝土，初支厚度為24 cm，二襯采用C30鋼筋混凝土，厚度為45 cm。

進口段措施俯視圖如圖1所示，細部圖如圖2所示。

2.2改進進洞施工方案

基于大沙嘴隧道進口段施工特點，綜合考慮隧道進洞施工工藝流程及施工難點，在原設(shè)計基礎(chǔ)上提出了大斷面小凈距隧道側(cè)長距離側(cè)穿越松散堆積體進洞施工措施。針對地質(zhì)情況，提出兩個加強措施如下：

（1）措施1：為確保隧道施工擾動及后期運營，山體穩(wěn)定、安全，建議新增抗滑樁12根至K189+970～K190+020位置（拱頂距碎石交界面5 m）。

（2）措施2：由于項目大沙嘴隧道進口堆積體長度較長，覆蓋層薄，存在嚴重的地形偏壓，且隧道進口進洞正值雨季，為避免隧道冒頂威脅洞口安全，對右洞里程K189+900～K190+020位置，洞頂5 m至隧底范圍的土體，采用袖閥管進行地表注漿加固。

3進洞施工方案數(shù)值計算分析

3.1計算工況

為了驗證原設(shè)計支護情況是否可對整個松散堆積體起到加固作用，在進口段的加固強度是否滿足要求，以及如果原設(shè)計無法滿足要求，采用工況對比的方式，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加加固方案，使該邊坡達到穩(wěn)定，以保證工程的順利施工與運營?，F(xiàn)采用FLAC 3D軟件，對隧道進口加固措施進行安全驗算。

為完成計算目的，現(xiàn)定四個計算工況，即：

工況一：原設(shè)計。

工況二：原設(shè)計＋措施1。

工況三：原設(shè)計＋措施2。

工況四：原設(shè)計＋措施1＋措施2。

支護措施如圖3所示。

3.2數(shù)值計算模型及計算參數(shù)

由于計算工況模型較為復雜，選取K189+970～K190+020段進行計算。隧道圍巖、支護結(jié)構(gòu)、樁結(jié)構(gòu)采用實體單元，圍巖采用基于摩爾-庫侖強度準則的彈塑性本構(gòu)模型，支護結(jié)構(gòu)、樁結(jié)構(gòu)、加固區(qū)等采用彈性本構(gòu)模型。計算模型如圖4所示，計算參數(shù)如表1所示。

4數(shù)值計算結(jié)果分析

計算結(jié)果位移如圖5～6所示，剪切應變（抗滑）如圖8所示、最大主應變（圍巖抗拉）如圖9所示。

由圖5～6所示，無論是豎向位移還是水平位移，隨著措施的增加，位移皆有減小，但工況一與工況二相差不大，工況三與工況四相差不大，而工況一與工況三相差在右線注漿加固，而工況四與工況二相差在注漿加固，但工況四對比工況一，位移變化幅度有了明顯的減小。將模擬位移結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖7，得到各工況的位移對比曲線。

由圖7可以看出，從位移的角度可以判斷，注漿加固的效果優(yōu)于抗滑樁，單注漿加固可使豎向位移較原設(shè)計減小17.2%，水平位移減小14.1%；單增加抗滑樁可使豎向位移較原設(shè)計減小[JP+1]3.6%，水平位移減小1.1%；復合加固可使豎向位移較原設(shè)計減小19.6%，水平位移減小18.1%。形成這種現(xiàn)象是因為抗滑樁和地表注漿對堆積體起到了加固和限制位移的作用，減小了施工對堆積體的影響，說明措施一與措施二對原方案起到了有效的維穩(wěn)作用，對堆積體的垮塌起到了有效的防范作用。

由圖8可以看出，隨著抗滑樁的增加，可明顯阻斷邊坡的潛在滑動面，但抗滑樁上部圍巖出現(xiàn)較大的應力集中，抗滑樁受力較大。

如圖8、圖9所示，應變最大位置主要在仰拱底部，且隨措施的增加剪切應變與最大主應變都隨之減小。這主要是因為地表注漿增加了堆積體之間的粘聚力，使松散的巖土固結(jié)，加大了圍巖的穩(wěn)定性。將模擬應變結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖10，得到各工況下最大應變對比曲線。

由圖10可以看出，隨著措施的增加，均可減小圍巖的滑動程度，增加圍巖穩(wěn)定性，單施作抗滑樁較原設(shè)計可使極限剪應變減小17.6%，使最大主應變減小33.9%；單注漿加固較原設(shè)計可使極限剪應變減小45.2%，使最大主應變減小66.2%；復合加固較原[JP+1]設(shè)計可使極限剪應變減小52.3%，使最大主應變減小76.9%。由于此段原設(shè)計加固較弱，隨著加固措施的增加，可大幅度提升隧道的抗滑抗裂能力。

根據(jù)預留變形量表（見表2）和位移管理等級表（見表3）［15-16］，并選定K189+970～K190+020段的預留變形量為80 mm，可得：原設(shè)計的實際位移值和采取抗滑樁措施后的實際位移值大于2/3的預留變形量，為Ⅰ級位移管理等級，因此應采取特殊措施；通過采取抗滑樁和地表注漿加固復合措施以后，降為Ⅱ位移管理等級，即采取加強支護即可。

（2）四車道隧道應通過工程類比和計算分析確定

5結(jié)語

本文以大沙嘴隧道為工程背景，通過有限元數(shù)值軟件模擬各設(shè)計工況進行對比分析，得到不同工況下的地形變化規(guī)律，具體結(jié)論如下：

（1）原設(shè)計的實際位移值和采取抗滑樁措施后的實際位移值大于2/3的預留變形量，為Ⅰ級位移管理等級，因此應采取特殊措施；通過采取抗滑樁和地表注漿加固復合措施以后，降為Ⅱ位移管理等級，即采取加強支護即可。

（2）從位移的角度可以判斷，措施二的采用袖閥管對地表注漿加固比措施一的單純新增抗滑樁更有效，單注漿加固可使豎向位移較原設(shè)計減小17.2%，水平位移減小14.1%；單增加抗滑樁可使豎向位移較原設(shè)計減小3.6%，水平位移減小1.1%；復合加固可使豎向位移較原設(shè)計減小19.6%，水平位移減小18.1%。

（3）從抗剪切滑移角度分析，加固措施均可減小圍巖的滑動程度、增加圍巖穩(wěn)定性，單施作抗滑樁較原設(shè)計可使極限剪應變減小17.6%，使最大主應變減小33.9%；單注漿加固較原設(shè)計可使極限剪應變減小45.2%，使最大主應變減小66.2%；復合加固較原設(shè)計可使極限剪應變減小52.3%，使最大主應變減小76.9%。

（4）針對大沙嘴隧道進口段大型堆積體情況，在原設(shè)計上提出新增抗滑樁和地表注漿加固方案，根據(jù)有限元模擬軟件結(jié)果，證明了措施一的新增抗滑樁和措施二的袖閥管地表注漿加固同時采用，能確保施工過程中的隧道穩(wěn)定和安全。

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作者簡介：馬易學（1983—），工程師，主要從事公路、橋梁、隧道工程管理工作。