佰公凹隧道左線超淺埋段加強輔助施工措施方案分析

【摘 要】本文闡述了隧道左線超淺埋段加強輔助施工方案，通過方案必選，結合隧道實際情況及工期要求，確定適應項目的施工方案，并得到成功實施，為今后類似工程的施工提供了一定的借鑒與參考。

【關鍵詞】小導管；強度驗算；加固

一、工程概況

佰公凹隧道出口端左線ZK27+858～ZK27+927為超淺埋段（埋深4.3m-10m），設計采用在地表注漿，在洞內進行超前小導管輔助施工的方式對地層進行加固后，以雙側壁導坑法施工通過。

根據設計的地質資料顯示，該段地表下約2～3m為亞粘土，再往下至拱頂為強風化石英砂巖，隧道側壁則在弱風化砂巖中。ZK27+920隧道右下部離F7斷層破碎帶約10m。隧道右側處于F7逆斷層上盤裂隙帶內，ZK27+850 F7斷層在隧道中心附近穿過。隧道右側處于斷層破碎帶內。

在地表注漿施工過程中，發現該段從地表往下在注漿范圍內（約8-9m）大部分為亞粘土層，即隧道起拱線以上基本上處于第4紀殘坡積地層中，較設計描述差異較大。該層在注漿施工時正處于雨季，呈淤泥狀，注漿后又逢旱季，呈松散土狀。

經實測，該段內ZK27+858～ZK27+882，以隧道中線為界，地形左高右低，埋深變化較大（見地表注漿橫斷面圖1）。右側埋深淺而地層較弱，開挖后會形成結構偏壓。

地表注漿橫斷面圖1

設計資料顯示，隧道在ZK27+912距F7斷層不足10m。由于F7斷層是壓扭性逆斷層，其上盤受構造運動影響較大，巖層裂隙帶范圍明顯增大，約10～20m（這在ZK27+941～ZK28+059.5段開挖后已得到證實）。由設計資料推算，F7斷層在ZK27+860～ZK27+890）應進入隧道范圍。因此隧道該段圍巖會更差（全部位于F7斷裂帶內）。

鑒于以上原因，我們認為該段襯砌應由S5b變更為S5a，在該段洞內施工時，輔助施工應于加強。一是應擴大地層加固范圍，二是應增加超前小導管的管棚作用，三是提高注漿的早期強度，減少用水量，從而減少圍巖特別是掌子面的軟化。因此建議采用雙層小導管進行雙液壓漿對地層進行加固，方案如下：

1.將原設計超前小導管加密一倍施工，即每隔一榀鋼拱架，打一環（縱向間距縮短為1.5m，其余參數不變），注漿液改為水泥、水玻璃。

2.增加仰角450的雙液注漿小導管，與上述超前小導管間隔施工。450雙液小導管長L=4.5m，采用450仰角打入圍巖，環向間距40cm，縱向間距1.5m，水泥漿與水玻璃液比1：1（重量比），注漿壓力0.5～1.0MPa。

二、小導管的強度驗算：

2.1荷載深度的確定：

本隧道雙側壁導坑開挖寬度為6m，拱部開挖寬度為11m。荷載等效高度按《公路隧道設計規范》（P29 6.2.3）式計算：

H=0.45×2s-1ω

S—圍巖等級；

ω—寬度影響系數，ω=1+i（B-5）；

B—開挖寬度；

i—B每增1m時，圍巖壓力增減率，以B=5m為準，

當B<5m時，取i=0.2；B>5m時，取i=0.1。

開挖側壁導坑時，B=6，i=0.1，S=5，

則ω=1+0.1（6-5）=1.1

h1=0.45×25-1×1.1=7.92m

開挖拱部上導坑時，B=11，i=0.1，S=5，

則ω=1+0.1（11-5）=1.6

h2=0.45×25-1×1.6=11.52m

其淺埋分界深度分別為：

雙側壁導坑Hp1=2.5h1=2.5×7.92=19.8m

拱部上導坑Hp2=2.5h2=2.5×11.52=28.8m

據此，由附件1：《地表注漿加固斷面》可知，側壁導坑和拱部導坑開挖時，均屬淺埋施工。所以計算地層的垂直均布荷載時， h均應以埋深取值。但考慮是臨時輔助施工，計算時，當埋深小于h1時按埋深計算，當埋深大于h1時，仍按h1計算。

2.2圍巖密度取值（γ）：

由設計地質報告可知，該段隧道上覆層地表為亞粘土層，其下至拱部為泥盆系強風化砂巖，計算地層荷載時本應分層計算，因此地表亞粘土層厚度為2～10m，地層密度在埋深 h>6m時考慮亞粘土層密度影響取γ=（18+18.5）/2=1.825g/cm3。而在 h>6m時，忽略亞粘土密度影響，取γ=1.80g/cm3。

2.3強度計算：

1）計算圖式

驗算小導管施工后第三榀拱架安裝前小導管的強度，由工況圖確定 L = 249+20+13=282cm；設計小導管環距=40cm，小導的線荷載 δ=40×γ× h

2）計算Φ45×3.5mm小導管截面慣性矩（I）和抗彎截面系數（ W）：

∝=d/D=3.5/4.2=0.8333

I=πd4/64×（1-∝4 ）

=3.1416×4.24/64×（1-0.83334）

=7.910（cm4）

W=I/R=7.910/2.1=3.767（Ccm3）

3）驗算：

ZK27+912斷面：

拱部上導： h=590cm<600Vcm y =1.825g/cm3

δ=40×1.825×590=43.070kg/cm

Mc=1/8×43.07×2822=428137.335kg-cm

σc=Mc/W=428137.335/3.767=113654.72kg/cm2=11365MPa

ZK27+876斷面：

拱部上導：h=880cm>600Vcm γ =1.8g/cm3

δ =40×1.8×880=6336g/cm=63.36Kg/cm

Mc=1/8×63.36×2822=629830Kg-cm

ó=Mc/W=629830/3.767=167196.71kg/cm2=16719.67MPa

4）圍巖沿隧道縱向形成坍落拱時，小導管強度驗標：

仍按公路設計規范P29（6.2.3）式計算：

q= γh

h=0.45×2s-1ω

式中：q —垂直均布壓力（kg/cm）

γ —圍巖容重（按地質資料，強風化砂巖y=1.80kg/cm3）

S—圍巖級別（V級圍巖，S=5）

B—開挖寬度（cm）

ω—寬度影響系數ω=1+i（B-5）

i —B每增加1m時圍巖壓力增長率，以B=5m為準，當 B<5m時，取i=0.2； B>5m 時，取i=0.1

①按小導管施工后第三榀拱架安裝前的工況計算，圍巖沿破裂面坍落：B取小導管支撐的水平寬度，即B=2.82m≈3 m <5；i=0.2，ω=1+0.2×（3-5）=0.6

h=0.45×2s-1 ×0.6=4.32 m=432cm

q=1.80×432=777.6（g/cm2）

小導管慣性矩I=7.91（cm4）

抗彎截面系數W=3.767（cm3）

Mc=1/8×40×777.6×2822=308189312g-cm=309189kg-cm

σ=309189/3.767=82078kg/cm2=8207.8MPa

②考慮到拱部以下能進入弱風化砂巖地層掌子面較為穩定，小導管的承載跨度可較小，這可能是最為常見的情況。現以小導管施工后第二榀拱架未安裝前的工況進行驗算。

由圖計算，L=111cm

B=111 m<5m

i=0.2，ω=1+0.2×（111-5）=0.222

h=0.45×2s-1 ×0.222=1.598m=160cm

q=1.80×160=288（g/cm2） δ=40q

Mc=1/8δL2=1/8×40×288×1112=17742240g-cm=17742kg-cm

σ=Mc/W=17742/3.767=4709.8MPa

由常用工程材料手冊可知，普通碳素鋼（GB700-88）的屈服極限σS=235MPa，

拉伸強度極限σb=375～500MPa；普通低合金鋼（16Mn）的屈服極限σS=280～350MPa，拉伸強度極限480～520MPa。

以上計算結果說明，一旦發生較大的坍方，小導管的強度遠遠不足的，雖然以上計算的圖式與小導管實際的受力狀態是有差別的，但應引起我們極大的重視。

三、結語：

由于水泥漿注漿在注漿臺強度上升緩慢，注漿液中的水對圍巖有軟化作用，圍巖的穩定性在注漿初期反而有所下降，這與淺埋段應快速施工的要求是矛盾的，采用雙液注漿就是為了解決這一矛盾。