淺埋偏壓隧道洞口施工技術及穩定性分析研究

湯前輝

摘 要：某項目隧道屬于高速公路中的典型控制性工程，它集合了偏壓、淺埋、涌泥、涌水等多種地質問題，地質條件極為復雜，在隧道洞口施工時的難度極大。基于此，以該隧道工程為例，簡要分析了淺埋、偏壓施工技術及其有效性，希望為后期相關工程的順利進行提供一定的借鑒。

關鍵詞：隧道工程；偏壓；淺埋；施工技術

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.142

1 工程概述

該隧道全長8.695 km，隧道中線間距達50 m，屬于一項全線控制工程。出口段位于長江中游地震帶與華北平原地震帶的接壤區域，海拔1 200 m，地質情況極為復雜。結合洞口的具體開挖情況，其下層屬于炭質頁巖，覆蓋層極薄，呈現出了一種特別明顯的構造偏壓結構。所以，要想施工順利進行，就必須科學、合理地處理工程中存在的偏壓問題。

2 設計與施工

結合工程的實際地質情況，采取了超長管棚、超前小導管和初期支護等形式的施工方案，具體內容如下。

2.1 超前管棚

在一些地下結構工程淺埋暗挖的施工過程中，超前管棚屬于應用極為普遍的超前支護技術。該技術能夠發揮良好的超前支護作用，能夠有效預防地表下沉和巖石坍塌等問題的發生，從而保證相關掘進工作和后期支護工作的順利實施。另外，該方法還具有見效快、工藝簡單的優點。

在隧道施工的過程中，所用到的超前管棚是規格為Φ108 mm×6 mm的鋼管，在拱部120°的范圍內布設，管長為20 m。工程所用水泥漿的規格為：水灰比為0.8上下，注漿壓力為1～2 MPa。

2.2 超前小導管

應用超前小導管施工方法時，在預挖隧道周圍形成了一層能夠有效止水的穩定性承載殼，它能夠有效增強圍巖的力學性能。另外，導管在具體工程實踐中發揮出了超前錨桿的作用，使巖體的自穩時間明顯延長，同時，還提高了圍巖的自穩能力。該方法的優點是：①大大縮短了開挖時間，加固效果顯著，對注漿質量的控制更加便捷；②導管所形成的管棚能夠明顯改善圍巖的自穩性能，對于圍巖的松弛和變形起到了良好的制約作用；③成本低廉、工藝簡單。

工程中所用的超前小導管規格均為Φ42 mm×3.5 mm的無縫焊管，管長為4.5 m。為了防止漿液前沖，方便插打，特將小導管前端加工成錐形，并在導管的終端設置了直徑為8 mm、呈梅花形布置的溢漿孔，孔間距為20 cm。另外，為了防止在打設導管的過程中出現端部開裂的情況，影響注漿管的連接，特在導管末端焊接了直徑為6 mm的環形箍筋。

2.3 初期支護

結合工程的實際情況，本路段選擇臺階式的開挖方式。其中，初期支護采用的是S2-1支護類型，其縱向間距為0.75 m的18號工字鋼，并采用直徑為8 mm的雙層鋼筋網、厚度為26 cm的C20噴射混凝土和長度為4.5 m的中空注漿錨桿。

3 數值計算

3.1 巖體物理學參數

分析隧道出洞口處的巖體時發現，如果巖體類型為炭質頁巖和硅質頁巖互層，自地表向下分別為全風化層和強風化層。

3.2 初始地應力場

結合具體的自重情況來分析初始地應力場的垂直方向，水平應力側的壓力系數取0.8.

3.3 計算模型

在計算過程中，選擇隧道洞口處路段進行剖面分析，并完成三維計算。具體計算范圍為-60.0 m≤X≤60.0 m。在豎直方向從地表以下60 m到地表，沿隧道軸線方向厚度均取2 m。其中，共剖分的單元為4 270個，節點有5 930個。整個計算過程應用的都是由程序所提供的結構單元模擬襯砌和錨桿。

3.4 數據值計算結果分析

3.4.1 位移場分析

開挖工作完成后，所釋放的壓力使得圍巖發生了相應的位移變化。其中，拱部主要以水平位移為主，底板主要以豎向位移為主。另外，由于仰拱未及時完成跟進處理，導致底板上發生的上臺位移量最大。又因為偏壓的存在，使得左側拱部位移量要小于右部，剖面最大水平位移發生在了左側邊墻。

因此，對于一些處于偏壓、淺埋地段，而且巖體比較脆的隧道洞口來說，為了更好地保證圍巖整體的穩定性，要及時做好仰拱，以盡早形成封閉受力環。這是非常必要的。另外，加固設計和施工時應重點考慮拱腳和變強部位。

3.4.2 應力學特征

由計算結果可知，隧道開挖工作對隧道周圍巖體產生了強烈的擾動，導致巖體應力出現了二次重分布的情況，明顯增加了隧道周圍的環向應力，同時，徑向應力釋放。在隧道的右端墻底部位出現了應力過于集中的現象，在右端的地板和拱部等部位出現了較小的拉應力。

3.4.3 塑性區特征

隧道開挖后，其左邊墻拱部和頂部都出現了較小的裂縫。由塑性區的計算結果可知，在右邊墻、左側拱部和部分底板等部位，都出現了相應的塑性區。其中，主要的破壞形式為剪切破壞，在右側拱部還出現了小范圍的張拉破壞。

3.5 計算結果與監測結果的對比分析

隧道洞口剖面位移計算值與監測值的對比結果如表1所示。

在計算過程中，由于忽略了流-固耦合作用和震動等因素對巖體穩定性的影響，所以，表1中拱頂下沉的數值相對比較小。如果考慮到這些因素，計算位移值將會進一步增大。