軟弱地層大斷面隧道開挖研究

黃 佳

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國家發(fā)展西部經(jīng)濟戰(zhàn)略的制定，大斷面隧道逐漸成為交通建設(shè)的首選[1]。現(xiàn)階段由于經(jīng)濟發(fā)展的需要，我國西北部大量山嶺隧道在建設(shè)，其中大部分為大斷面隧道，但由于西北地貌以高原、盆地和山地為主，地質(zhì)條件復(fù)雜，土層自穩(wěn)性差，大量的施工技術(shù)人員在不停地探索軟弱地層大斷面隧道施工的新技術(shù)和新方法。

國內(nèi)外對隧道施工的研究方法很多，主要有PECK等人采用的理論法[2]、工程對比法等。1934年奧地利人L.V.拉布采維茨采用將噴漿方法用于地下工程[3]，隨后20世紀(jì)70年代意大利Pietro Lunardi教授創(chuàng)立了巖土控制變形分析法[4]，采用理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測綜合分析方法作為隧道安全施工的依據(jù)。本文采用這種新方法結(jié)合現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和研究。

1 工程概況

本文以在建蘭渝鐵路桃樹坪隧道為背景。桃樹坪地區(qū)屬于典型的西北飽和粉細(xì)砂土層，自穩(wěn)性弱，物理性質(zhì)差，同時容易受地下水影響出現(xiàn)管涌。桃樹坪隧道位于蘭州車站站端，起止里程樁號為DK3+435—DK6+655，全長3 220 m。隧道隨著地勢的起伏采用低進高出的設(shè)計方案，隧道進出口高程相差200 m左右，隧道平均埋深為60 m左右。工程地層情況如表1。

表1 工程地層

根據(jù)隧道設(shè)計圖紙，施工采用底部雙洞先行法，如圖1，具體施工過程為：1斷面—2斷面—3斷面—4斷面—5斷面—6斷面依次開挖，各斷面掌子面相互滯后2 m左右，在斷面施工完成后及時進行超前加固和初級支襯。各斷面施工時注意鋼拱架的及時加長，當(dāng)6斷面施工完成后及時施做仰拱，使襯砌封閉成環(huán)。

圖1 隧道施工示意圖

2 監(jiān)測與分析

隧道施工區(qū)域土層存在大范圍的粉細(xì)砂，自穩(wěn)性弱，物理性質(zhì)差，因此在隧道斷面采用5 m選取一個斷面進行監(jiān)控，監(jiān)測項目分別為各重要節(jié)點圍巖應(yīng)力。具體監(jiān)控點布置如圖2，根據(jù)圣維南原理選取中間斷面DK5+177.97為分析斷面。

圖2 監(jiān)測點布置

2.1 拱頂圍巖應(yīng)力分析

根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)與監(jiān)測時間段繪制圖表如圖3，從圖中分析可以看出在施工初期拱頂?shù)膰鷰r應(yīng)力處于平穩(wěn)狀態(tài)，由于圍巖的自穩(wěn)性較差，隨著5斷面核心土的施工，從第6天到第10天，應(yīng)力出現(xiàn)了突變，應(yīng)力從剛開始的12 kPa陡然躍升至74.7 kPa，應(yīng)力增長522.5%，平均每天應(yīng)力增加15.67 kPa。在核心土開挖中間臨時支撐施做后，第10天～第38天應(yīng)力出現(xiàn)了新的平穩(wěn)階段，到第38天圍巖應(yīng)力為88.0 kPa左右，應(yīng)力增加不大，圍巖出現(xiàn)新的穩(wěn)定。隨著6斷面的開挖，第38天～第62天曲線出現(xiàn)新的突變，圍巖應(yīng)力從88 kPa躍升為182 kPa，應(yīng)力增長106.8%。仰拱開挖完成施做仰拱初襯后，第65天左右出現(xiàn)了一個短暫的應(yīng)力下降，下降幅度不到20 kPa，在下降之后又出現(xiàn)一個短暫的應(yīng)力增加，增加幅度為30 kPa左右。在施做二襯后第90天左右圍巖應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定，最終拱頂圍巖應(yīng)力穩(wěn)定在240 kPa左右。

圖3 拱頂圍巖應(yīng)力曲線

2.2 拱腰圍巖應(yīng)力監(jiān)測分析

根據(jù)拱腰監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制圖如圖4，從左拱腰圖可以看出隨著1斷面開挖左拱腰圍巖應(yīng)力一直在增長，一直到第22天左右圍巖應(yīng)力增長最大值為84 kPa左右，初襯施做完成后，第22天～第37天圍巖應(yīng)力出現(xiàn)平穩(wěn)下降，從84 kPa下降到78 kPa左右，說明左拱腰初襯已經(jīng)對圍巖起到約束作用。隨著2斷面施工，第37天～第40天圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了急速下降，圍巖應(yīng)力從78 kPa下降到60 kPa左右。由于3斷面與4斷面施工，第40天～第62天圍巖應(yīng)力又出現(xiàn)上升，圍巖應(yīng)力從60 kPa增長到78 kPa左右。拱頂初襯支護施做后，第62天～第65天圍巖應(yīng)力出現(xiàn)快速的下降，之后圍巖應(yīng)力出現(xiàn)長久的平穩(wěn)，最終測得的圍巖應(yīng)力為22 kPa。

從右拱腰圖可以看出，隨著1斷面開挖及初襯的施做，第38天之前右拱腰圍巖應(yīng)力一直趨于平穩(wěn)，隨著2斷面施工，第38天～第55天右拱腰圍巖應(yīng)力一直快速增長，從48 kPa增長到150 kPa，增長212.5%。初襯施做后，第55天～第62天圍巖應(yīng)力出現(xiàn)一個短暫的平緩。隨著3斷面與4斷面開挖，第62天～第72天圍巖應(yīng)力出現(xiàn)快速的增長，從150 kPa增長到290 kPa左右，增長93%。初襯施做后，第80天之后圍巖應(yīng)力逐漸穩(wěn)定，最終穩(wěn)定圍巖應(yīng)力為300 kPa左右。

圖4 拱腰處圍巖應(yīng)力曲線

2.3 最大跨度圍巖應(yīng)力監(jiān)測分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制最大跨度圍巖應(yīng)力曲線如圖5。從左側(cè)最大跨度處圍巖應(yīng)力可以看出，隨著1斷面開挖，第18天之前圍巖應(yīng)力有個急劇增長的過程，第18天的圍巖應(yīng)力為17 kPa，而同一時期拱腰的圍巖應(yīng)力為80 kPa，遠(yuǎn)小于同一時期的拱腰的圍巖應(yīng)力。隨著1斷面初級支護施做，第44天圍巖應(yīng)力又出現(xiàn)快速的下降，下降至不足10 kPa。2斷面開挖時左側(cè)最大跨度處再次出現(xiàn)圍巖應(yīng)力急劇上升的現(xiàn)象，上升為25 kPa左右，仍然遠(yuǎn)小于同期拱腰處的圍巖應(yīng)力。第70天之后圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了平穩(wěn)，監(jiān)測的最終數(shù)值為20 kPa左右。

從圖5右側(cè)最大跨度處圍巖應(yīng)力曲線可以看出，2斷面開挖之后圍巖應(yīng)力有一個較大的上升，第4天圍巖應(yīng)力上升為47 kPa。隨著2斷面支護施做完成，圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了下降，第30天圍巖應(yīng)力為14 kPa。隨著之后的斷面開挖，右側(cè)圍巖應(yīng)力又較緩慢地上升，從曲線可以看出右側(cè)最大跨度圍巖應(yīng)力在2斷面初級支護完成后圍巖應(yīng)力基本上處于平穩(wěn)的上升階段，上升幅度不大，最終的監(jiān)測數(shù)值為30kPa。

圖5 最大跨度處圍巖應(yīng)力曲線

2.4 綜合分析

從3處監(jiān)測點圍巖應(yīng)力曲線可以看出，拱頂圍巖應(yīng)力數(shù)值最大，而且整個監(jiān)測期間圍巖應(yīng)力基本上一直在上升，圍巖應(yīng)力增加主要出現(xiàn)3斷面與4斷面開挖和5斷面核心土開挖3個施工階段。特別是3斷面與4斷面開挖，圍巖應(yīng)力出現(xiàn)短期522.5%的增長，平均每天增長15.67 kPa。

對比左右拱腰圍巖應(yīng)力曲線圖，可以看出右側(cè)拱腰圍巖應(yīng)力要高于左側(cè)圍巖應(yīng)力，說明在1斷面開挖后對土層的擾動較大。對比3斷面與4斷面施工時期左右拱腰的應(yīng)力增長曲線，可以看出左拱腰圍巖應(yīng)力從60 kPa增長為78 kPa，右拱腰圍巖應(yīng)力從150 kPa增長到 290 kPa左右，圍巖應(yīng)力增加140 kPa。對比3斷面與4斷面初級支護施做后圍巖應(yīng)力變化情況，可以看出左側(cè)拱腰圍巖應(yīng)力出現(xiàn)急劇的下降，左拱腰圍巖應(yīng)力從78 kPa下降到30 kPa左右，而右側(cè)拱腰圍巖應(yīng)力基本處于不變。

對比左右最大跨度處圍巖應(yīng)力曲線圖，可以看出右側(cè)圍巖應(yīng)力平均要高于左側(cè)，1斷面開挖引起的左側(cè)最大跨度圍巖應(yīng)力最大值為17 kPa，而2斷面開挖引起的右側(cè)最大跨度圍巖應(yīng)力在短期內(nèi)迅速增加到47 kPa，說明相比1斷面，2斷面開挖更容易影響圍巖應(yīng)力的變化。同時，對比左右側(cè)最大跨度曲線變化規(guī)律，可以看出后續(xù)施工對右側(cè)最大跨度圍巖應(yīng)力影響更小，更容易控制和預(yù)測，而左側(cè)圍巖應(yīng)力容易受到后續(xù)施工的影響。

3 小結(jié)

a）3、4、5斷面開挖容易導(dǎo)致拱頂圍巖的突變，應(yīng)及時施做初級支護和鋼拱架的拼接，特別是臨時支護的施做應(yīng)該在核心土開挖后，及時施做。

b）左側(cè)斷面開挖對土體的擾動較右側(cè)大，但是后續(xù)施工對右側(cè)土層的影響更平穩(wěn)和規(guī)則，因此應(yīng)在后續(xù)施工中將施工重點進行傾斜，這有利于分析施工側(cè)重點。

c）在開挖前兩個斷面時對土層擾動體現(xiàn)在拱腰處而非最大跨度處，在施做完前兩個斷面后應(yīng)及時施做中間臨時襯砌，并對拱腰進行及時、高頻的監(jiān)測，同時應(yīng)加強對拱腰處臨時支護與永久支護剛度。