軟弱圍巖淺埋偏壓四車道公路隧道安全施工技術(shù)

摘 要：在軟弱圍巖區(qū)域施工，會(huì)面臨圍巖軟弱、埋深較淺、地質(zhì)存在偏壓力等問題，對(duì)施工技術(shù)要求較高。文章結(jié)合四車道公路隧道施工案例，確定隧道施工方案，闡述隧道施工方法，旨在保障隧道施工安全、提高隧道施工質(zhì)效。研究建立隧道監(jiān)控量測(cè)體系，監(jiān)測(cè)施工期間地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，做好隧道施工支護(hù)技術(shù)，確保隧道施工安全性，減少潛在安全隱患。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖 淺埋偏壓 公路隧道 安全施工

四車道公路跨度較大，隧道施工難度增加。開挖期間遇到軟弱圍巖，容易出現(xiàn)坍塌、沉降等問題，若不做好支護(hù)和監(jiān)測(cè)工作，容易引發(fā)工程質(zhì)量問題，甚至?xí)斐蓢?yán)重的安全事故。因此，結(jié)合公路隧道施工地質(zhì)情況，需要在設(shè)計(jì)方案中明確施工難點(diǎn)、重點(diǎn)，采用適宜的支護(hù)結(jié)構(gòu)，為隧道施工創(chuàng)造良好開挖條件，保障施工過程安全性，使隧道工程質(zhì)量符合要求。

1 工程概況

某四車道公路全長(zhǎng)5.18km，設(shè)計(jì)車輛行駛速度為80km/h，單車道寬度為3.2m，隧道開挖應(yīng)以滿足駕駛?cè)藛T視距110m以上基本要求，隧道彎曲處最小半徑為1000m，長(zhǎng)度滿足40m以上基本要求，縱坡滿足3.5%以上要求，坡長(zhǎng)要求控制在400m左右。隧道開挖量在147m以上，工程量為5012m，屬于特長(zhǎng)隧道項(xiàng)目，數(shù)量為2座，標(biāo)號(hào)分別為A隧道和B隧道。其中B隧道中存在漏斗區(qū)，項(xiàng)目施工難度較大。設(shè)計(jì)方案中明確具體施工工期，要求在35個(gè)月內(nèi)完成項(xiàng)目的建設(shè)，且嚴(yán)格控制生產(chǎn)安全，避免安全事故發(fā)生。隧道所處區(qū)域?yàn)閮缮綂A結(jié)構(gòu)，施工區(qū)域地形起伏變化比較大，存在巖溶發(fā)育結(jié)構(gòu)，山脈陡峭。山體內(nèi)存在大量的孔隙水，圍巖埋深為4.2m，地質(zhì)內(nèi)存在偏壓力，導(dǎo)致整個(gè)隧道施工區(qū)域存在沉降、塌陷安全隱患。具體隧道工程實(shí)際情況如表1所示。

2 隧道施工方案設(shè)計(jì)

A標(biāo)段隧道總體長(zhǎng)度達(dá)到2854m，左洞和右洞開挖量均比較大。標(biāo)段內(nèi)穿越山體存在富水圍巖，地質(zhì)結(jié)構(gòu)軟弱，存在瓦斯等氣體。隧道位于山體中間區(qū)域，與頂部、底部的距離分別為62m和48m，開挖進(jìn)洞難度比較大。隧道內(nèi)存在水流沖刷情況，穩(wěn)定性比較差，開挖口區(qū)域存在偏壓情況，洞口區(qū)域容易產(chǎn)生滑坡、落石等情況，安全風(fēng)險(xiǎn)比較高。為確保A標(biāo)段隧道開挖施工安全性，設(shè)計(jì)應(yīng)用超前水平鉆、紅外線探水施工方案，利用地質(zhì)雷達(dá)獲取地段內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，采用鉆孔引排的方案改變水流動(dòng)，使用注漿方案加固圍巖，隧道頂部區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)。

B標(biāo)段的隧道施工長(zhǎng)度在2018m左右，圍巖等級(jí)為 Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，巖體結(jié)構(gòu)為頁巖，巖體的穩(wěn)定性比較差，部分區(qū)域存在滲漏情況，局部存在碎巖掉塊現(xiàn)象。B標(biāo)段隧道穿越富水區(qū)域，進(jìn)口地表位置為斗狀，存在盆地，具有匯水功能。頂部區(qū)域存在暗河與偏壓力。設(shè)計(jì)B標(biāo)段隧道開挖使用超前支護(hù)、預(yù)注漿方案加固地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)口段減少開挖進(jìn)尺量和爆破炸藥的用量，避免對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

分析兩個(gè)標(biāo)段隧道內(nèi)的實(shí)際情況，存在軟弱圍巖和偏壓現(xiàn)象，存在穩(wěn)定性較差、抗壓強(qiáng)度低、易塌方的現(xiàn)象，在受到應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)形變現(xiàn)象，使得圍巖出現(xiàn)位移的情況。因此，在隧道施工方案的設(shè)計(jì)期間，應(yīng)做好施工方案的設(shè)計(jì)和圍巖隧道開挖過程中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在隧道施工方案中，根據(jù)圍巖情況選擇合適的加固支護(hù)方式，使用錨桿、噴錨、鋼架等，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)設(shè)計(jì)分段開挖方案，控制施工面積的同時(shí)，減少圍巖失穩(wěn)的可能性。施工期間，設(shè)置合理的圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖變化情況，識(shí)別潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，控制施工工藝參數(shù)。

3 隧道安全施工技術(shù)應(yīng)用

3.1 有限元模型構(gòu)建

公路隧道開挖地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用有限元模型模擬地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，將勘察所得地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬性輸入到FLA3D有限差分軟件中。首先根據(jù)實(shí)際隧道的幾何形狀和尺寸，在有限元軟件中建立隧道的三維幾何模型，隧道的輪廓、截面形狀、支護(hù)結(jié)構(gòu)等。隨后，為隧道及周圍巖體、支護(hù)結(jié)構(gòu)等材料賦予合適的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等，以描述它們的力學(xué)特性。完成后，設(shè)置模型的邊界約束條件和荷載條件，以模擬實(shí)際施工過程中的外部作用力和約束情況。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其分解成小單元，確保在每個(gè)單元內(nèi)可以準(zhǔn)確地描述應(yīng)力和變形的分布。

模型單元使用混合離散方案，將原本的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為六面體單元，對(duì)應(yīng)常應(yīng)變的四面體，進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化計(jì)算。模型中閉合曲面的流量與該曲面所包圍的空間區(qū)域之間的關(guān)系使用高斯公式表示，具體計(jì)算公式如下：

（1）

公式（1）中的表示結(jié)構(gòu)體積，表示面積，表示法向分量，表示線性分布規(guī)律的速率分量，表示常量，表示高斯模型，表示第i個(gè)單元j節(jié)點(diǎn)的空間區(qū)域，d表示直徑。利用有限元模型，模擬隧道的實(shí)際情況，識(shí)別巖體結(jié)構(gòu)中的地質(zhì)變化情況，將Mohr-Coulomb塑性理論運(yùn)用到地質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算和選擇之中，輸入初始地應(yīng)力數(shù)值，模擬開挖和支護(hù)情況。隧道開挖前地應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，開挖后地應(yīng)力平衡偏移，偏向力對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并沿著自由度方向達(dá)到新的平衡。模擬開挖和支護(hù)過程，采用超前注漿、超前錨桿支護(hù)方案，建立支護(hù)體系結(jié)構(gòu)，并在初期支護(hù)完成后進(jìn)行二次襯砌施工。在模型中預(yù)設(shè)不同材料屬性的特征，建立開挖及支護(hù)的力學(xué)模型，調(diào)整具體的工藝參數(shù)，以確保地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為前提，做好隧道開挖施工風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)控工作。

3.2 便道修建

按照公路隧道建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合隧道項(xiàng)目所處區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)實(shí)際分布情況，以保障施工安全、施工效率為依據(jù)，科學(xué)做好便道的修建作業(yè)。便道內(nèi)路面使用水泥穩(wěn)定碎石+混凝土瀝青，厚度為25cm，其中瀝青鋪設(shè)厚度為5cm，設(shè)計(jì)便道的行駛速度為30km/h，縱坡參數(shù)控制在12%以內(nèi)，連續(xù)縱坡的長(zhǎng)度控制在300m左右，便于開挖建設(shè)過程中的清運(yùn)、設(shè)備輸送等工作。支路便道的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度達(dá)到400m以上，原本存在便道和錯(cuò)車道150m，新建棧道的長(zhǎng)度達(dá)到250m以上，B標(biāo)段內(nèi)的便道長(zhǎng)度達(dá)到1200m，內(nèi)容包括地方道路和新建道路。其中，錯(cuò)車道寬度為6m，長(zhǎng)度達(dá)到25m以上。

3.3 隧道開挖支護(hù)

隧道開挖和支護(hù)是隧道工程項(xiàng)目建設(shè)的核心，亦屬于容易產(chǎn)生安全隱患的關(guān)鍵區(qū)域。在隧道開挖施工期間，由于A隧道洞口區(qū)域的復(fù)雜性和特殊性，需要避開雨季開挖作業(yè)，從左洞開始進(jìn)洞施工作業(yè)。按照隧道開挖施工流程，在明暗交界處開始施工作業(yè)，使用坡面防護(hù)方案，設(shè)置排水溝，利用超前管棚注漿加固方法。在開挖前，在隧道區(qū)域內(nèi)搭設(shè)管棚結(jié)構(gòu)，使用鋼管搭設(shè)穩(wěn)定的支撐框架，在管棚內(nèi)開始開挖作業(yè)。管棚搭設(shè)鉆孔深度在3m左右，孔距為1.5m，孔口角度控制為3°左右，采用單排鉆孔方案。鉆孔完成后鋪設(shè)預(yù)埋管，控制圍巖頂板區(qū)域。在地層內(nèi)鉆孔的同時(shí)，將特定的水泥漿液材料注入孔位之中，在巖體內(nèi)逐步擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的支撐體系，起到加固巖層和土體的作用，加固單孔注漿量控制在35kg左右。具體管棚支護(hù)如下圖1所示。

完成支護(hù)后進(jìn)行開挖，A標(biāo)段隧道區(qū)域開挖期間，在進(jìn)洞80m后，增設(shè)車橫通道，隨后進(jìn)行右洞的穿越。期間使用便捷通道，運(yùn)輸渣土，在右洞內(nèi)分層填筑，設(shè)置偏壓墻、抗滑樁。偏壓墻沿著邊坡區(qū)域設(shè)置，抵抗巖體的側(cè)壓力，避免邊坡區(qū)域出現(xiàn)土體滑動(dòng)的情況。偏壓墻使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?？够瑯对O(shè)置在邊坡的下部，通過豎直樁體的抗拔和摩擦阻力來防止土體滑動(dòng)?？够瑯恫捎娩摻罨炷粒休d能力和抗滑穩(wěn)定性良好。管棚搭設(shè)使用預(yù)制鋼材料，中間設(shè)置連接筋，安裝期間嚴(yán)格控制誤差在0.5cm以內(nèi)，沿著中線調(diào)整，使用混凝土墊塊縮小間隙。調(diào)整完成后，按照下、上、左、右的順序，進(jìn)行混凝土濕噴操作，旋轉(zhuǎn)濕噴半徑為15m，蛇形長(zhǎng)度控制在3.5m左右。完成支護(hù)后，組織進(jìn)行通道面的掘進(jìn)貫通處理，掘進(jìn)使用臺(tái)階法進(jìn)行作業(yè)，逐層分階段開挖，減小開挖面積，降低地下水滲流和地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)。開挖作業(yè)期間內(nèi)，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在10m左右，上半斷面超前參數(shù)為18m，從左側(cè)進(jìn)洞，向右側(cè)掘進(jìn)。

B標(biāo)段地下水較多，開挖前布設(shè)截水溝，使用潛水泵排水，采用預(yù)留核心土法進(jìn)行環(huán)境開挖，開挖期間同步做好邊坡防護(hù)作業(yè)。在初期支護(hù)完成，仰拱進(jìn)行回填操作后，執(zhí)行二次襯砌施工方案，進(jìn)行模板搭設(shè)和鋼筋安裝，然后澆筑混凝土，最后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。開挖期間，根據(jù)洞口的特點(diǎn)，采用長(zhǎng)管棚施工方案，開挖核心土體進(jìn)洞，配合襯砌、回填方案，進(jìn)行反壓明洞開挖后方，其間控制仰坡的高度在18m左右。

3.4 隧道開挖質(zhì)量監(jiān)測(cè)

公路隧道開挖作業(yè)期間，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)圍巖的應(yīng)力變化情況，判斷是否產(chǎn)生沉降等現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括圍巖的位移情況、壓力變化情況、襯砌內(nèi)力變化，共計(jì)設(shè)置斷面的數(shù)量為4個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的間距控制在8m左右。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位內(nèi)布設(shè)安裝傳感器設(shè)備（位移計(jì)、壓力計(jì)）等，進(jìn)行隧道開挖時(shí)的相關(guān)參數(shù)獲取，具體測(cè)點(diǎn)的測(cè)量公式如下：

（2）

公式（2）中的表示壓力，表示設(shè)備的標(biāo)定系數(shù)，表示頻率，i表示荷載，0表示初始狀態(tài)。結(jié)合公式和傳感器設(shè)備反饋的測(cè)量結(jié)果，確定隧道內(nèi)的偏應(yīng)力變化情況及位移情況，并依據(jù)《隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》文件中的要求，確定變化結(jié)果是否處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。具體量測(cè)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)量測(cè)結(jié)果可知，圍巖壓力穩(wěn)定在0.4MPa至0.7MPa之間，整體穩(wěn)定性良好。在襯砌逐步硬化后，內(nèi)力穩(wěn)定在-18.5MPa內(nèi)，襯砌支護(hù)的效果良好，能夠保障施工過程中的安全。

3.5 安全預(yù)警機(jī)制構(gòu)建

隧道施工期間建立預(yù)警機(jī)制，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果變化采用不同的應(yīng)急措施。安全預(yù)警共計(jì)分為三個(gè)等級(jí)，變形速率處于5mm以內(nèi)，且初期支護(hù)完好，位于三級(jí)預(yù)警階段，可正常施工。二級(jí)預(yù)警則監(jiān)測(cè)變形速率在10mm左右，持續(xù)情況超過2天，進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，出具書面報(bào)告，可繼續(xù)施工。一級(jí)預(yù)警下，監(jiān)測(cè)位移形變連續(xù)3d超過10mm，初期支護(hù)開裂，則暫停施工，加強(qiáng)支護(hù)。

4 結(jié)論

綜上所述，保障軟弱圍巖淺埋偏壓公路隧道安全施工的要點(diǎn)是支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，科學(xué)的支護(hù)方案設(shè)計(jì)對(duì)于保障隧道施工安全有著積極作用，可減少施工期間的地質(zhì)沉降、地表坍塌等問題產(chǎn)生。為確保施工過程中消除安全隱患，應(yīng)該做好整個(gè)開挖過程中的地質(zhì)變化監(jiān)測(cè)和施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)。本文研究通過構(gòu)建有限元模型的方式，模擬隧道的實(shí)際情況，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化開挖方案，有效保障了施工過程的安全性和施工質(zhì)量。

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