超淺埋軟弱圍巖隧道拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)

楊 輝

(福州市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展總公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來隧道工程規(guī)模越來越大，地質(zhì)情況愈加復(fù)雜，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)劇增。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，在軟弱圍巖結(jié)構(gòu)隧道進(jìn)行施工過程中，拱腳部位變形較為嚴(yán)重，因此必須對拱腳部位進(jìn)行變形監(jiān)測與穩(wěn)定控制，進(jìn)而保證隧道整體結(jié)構(gòu)可靠性[1-3]。隧道拱腳為開挖拱與未開挖巖體或路面的交界部位，當(dāng)隧道采取分部開挖時(shí)，拱腳隨開挖斷面變化而變化。從力學(xué)分析，拱腳部位在隧道開挖拱中起到了對拱形斷面支撐基礎(chǔ)的作用[4]。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)大量雙線鐵路公路修建，隧道斷面越來越大，地質(zhì)情況也愈加復(fù)雜，施工的軟弱圍巖隧道拱腳沉降問題也日益突出，相應(yīng)的，已有相關(guān)研究成果見諸報(bào)道[5-7]。賈劍青等運(yùn)用有限元模擬分析了隧道深埋段支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及圍巖塑性區(qū)的變化特點(diǎn)[8]。王小鳳，李崇蓮，馬朋濤等結(jié)合工程實(shí)踐對拱腳穩(wěn)定性進(jìn)行分析并提出了一些控制措施[9-11]。韓同春結(jié)合永寧高速高寶隧道施工過程中發(fā)生的拱腳塌方事故，分析隧道拱腳塌方的原因及所采用的加固措施[12]。李文江等采用數(shù)值分析的方法，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測資料，對軟弱圍巖拱腳穩(wěn)定性控制技術(shù)進(jìn)行分析[13]。

本文以某工程暗挖隧道施工為背景，以土力學(xué)和塌落拱理論為依據(jù)，以監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為最終判斷標(biāo)準(zhǔn)，對隧道拱腳進(jìn)行力學(xué)分析及其穩(wěn)定性控制技術(shù)討論總結(jié)，為今后相似工程提供借鑒。

1 工程概況

某工程南北雙洞雙線布置。選取南線K1+300～K1+330和北線K1+250～K1+280段為分析對象，此兩段暗挖隧道均處于Ⅵ級超淺埋軟弱富水圍巖地質(zhì)，主要圍巖力學(xué)參數(shù)表如表1所示，埋深約11m。隧道開挖現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 隧道開挖現(xiàn)場圖

場地內(nèi)自上而下分別為雜填土①、 淤泥③、 (含砂礫)粘土④、 卵石(碎石)⑤和殘積砂質(zhì)黏土⑥， 開挖斷面上部主要為淤泥③和(含砂礫)粘土④， 下部為卵石(碎石)⑤和殘積砂質(zhì)黏土⑥， 各土層在水平及垂直方向分布，均勻性差。其中砂卵石層中的孔隙承壓水，水量豐富，由山體側(cè)向補(bǔ)給，并受大氣降水及地表滲流影響較大，隧道單位長度設(shè)計(jì)正常涌水量0.7～3.52m3/d。

表1 主要圍巖力學(xué)參數(shù)表

2 拱腳受力狀態(tài)分析

2.1 隧道力學(xué)狀態(tài)分析

(1)隧道開挖后力學(xué)狀態(tài)

隧道開挖后，開挖斷面空間形成開挖拱，開挖洞周界面圍巖土體一側(cè)解除約束，洞周圍一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力重新分布。分布規(guī)律為洞周圍巖表面僅存在切向應(yīng)力，處于單向應(yīng)力狀態(tài)，向圍巖土體內(nèi)部發(fā)展，逐步恢復(fù)到原有應(yīng)力狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 隧道開挖后洞周界面切向應(yīng)力分布圖

洞周界面切向應(yīng)力：

σt=σy((1-2cos2φ)+λ(1 +2cos2φ))

σy—洞周圍巖土體豎向應(yīng)力；

φ—洞周圍巖土體摩擦角；

λ—洞周圍巖土體側(cè)向壓力系數(shù)，是摩擦角φ的函數(shù)，試驗(yàn)測得。

(2)噴錨支護(hù)完成后洞周力學(xué)狀態(tài)

洞身開挖完成后，及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)。噴錨支護(hù)體系附著于洞周圍巖表面，與圍巖共同作用，形成新的支護(hù)受力體系。隨著洞周圍巖土體的變形發(fā)展，支護(hù)結(jié)構(gòu)在控制圍巖的變形過程中，自身將受到由于圍巖的變形所產(chǎn)生的圍巖壓力作用。支護(hù)結(jié)構(gòu)新的受力體系受力如圖3所示。

圖3 以塌落拱理論分析支護(hù)結(jié)構(gòu)受力體系

側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)：h=b/f

側(cè)壁不穩(wěn)定時(shí)：

h=(b+H·tan(45°-φ/2))/f

b—洞室跨度之半；

h—塌落拱等效高度；

f—圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)，又叫似摩擦系數(shù)；

H—隧洞開挖高度。

以上是洞周圍巖穩(wěn)定與失穩(wěn)兩種情況時(shí)洞周支護(hù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的受力情況。文中所選分析對象均處于超淺埋施工范圍，簡化計(jì)算的淺埋洞室圍巖壓力計(jì)算公式如下：

qv=γH(1-HK1/2b1)

γ——圍巖重度(KN/m3)；

H——洞頂覆土厚度(m)；

K1——滑動體ABCD兩側(cè)AD和BC面上摩阻力系數(shù)，K1= tan2(45°-φ/2)tanφ；

b1——滑動體底寬，b1=b+htan(45°-φ/2)。

2.2 拱腳力學(xué)狀態(tài)分析

隧道開挖后，如圖2所示，洞周應(yīng)力重新分布，在洞周一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力拱，以及在隧道初期支護(hù)完成后，如圖3～圖4所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的支護(hù)拱，都是支撐洞周圍巖土體維持隧洞空間平衡穩(wěn)定的拱形受力體系。

圖4 淺埋洞室圍巖壓力計(jì)算簡圖

以拱的受力特性來簡化分析隧道施工中拱腳部位的受力情況，進(jìn)而分析總結(jié)其穩(wěn)定性控制技術(shù)，具有一定科學(xué)性和合理性。

拱的受力特點(diǎn)為，在荷載作用下，拱的拱腳部位不僅會產(chǎn)生豎向反力，還會產(chǎn)生水平反力，且不合理的拱軸，在拱的界面上還會產(chǎn)生彎矩和剪力作用。根據(jù)土體的力學(xué)特性，洞周應(yīng)力拱和支護(hù)拱要保持穩(wěn)定，須滿足兩個(gè)條件：①任一拱截面上彎矩和剪力作用不得使拱發(fā)生變形破壞；②拱腳不得下沉和滑動破壞。

3 隧道拱腳穩(wěn)定性控制技術(shù)

3.1 控制拱腳沉降

拱腳沉降主要包括兩個(gè)部分：一是拱架連接間隙和拱腳與支撐基面間隙；二是拱腳基礎(chǔ)沉降變形。對于拱架連接間隙和拱腳與支撐基面間隙控制，可采取以下措施。

3.1.1拱架連接安裝豎直、緊密

每環(huán)拱架安裝采用吊垂線進(jìn)行垂直度校正，避免拱架傾斜后承受偏心荷載，產(chǎn)生彎矩，發(fā)生變形破壞。拱架連接板連接緊密，必要時(shí)加墊鋼板或鋼筋，以消除變形發(fā)展空間。

3.1.2拱腳支墊于堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上

在洞身開挖時(shí)，拱腳位置預(yù)留20cm～30cm，采用人工開挖清理松散渣土至原狀土，放置拱腳支墊構(gòu)件(型鋼、混凝土塊或石塊等材料制成)，并放置平穩(wěn)，接觸面密實(shí)。該工程中采用槽鋼擴(kuò)大拱腳+混凝土楔形塊進(jìn)行支墊，取得了良好效果。

對于拱腳位置地基沉降變形從以下兩個(gè)方面進(jìn)行控制：

(1)提高基礎(chǔ)承載能力

①在不改變土體力學(xué)性能時(shí)，即地基承載能力不變的情況下，采取擴(kuò)大拱腳提高拱腳承載能力，擴(kuò)大拱腳操作簡單，且可以制成單獨(dú)構(gòu)件，進(jìn)行重復(fù)利用。

②改變土體力學(xué)性能，提高地基承載能力，主要技術(shù)措施包括：注漿法、擠密法、冷凍法等。

(2)減小拱腳上部荷載

上文所述，支護(hù)拱所受荷載主要來自洞周塌落拱范圍內(nèi)圍巖土體自身重力及地下水靜水壓力。其中圍巖土體自重大小分洞身側(cè)壁穩(wěn)定與否兩種情況，且支護(hù)拱所受荷載大小還與土體本身性質(zhì)(內(nèi)摩擦角、粘聚力等)依據(jù)隧道洞頂覆土厚度等有關(guān)。以此分析著手，減小拱腳上部所受荷載主要從以下幾個(gè)方面考慮：

①增強(qiáng)洞身側(cè)壁穩(wěn)定性，降低塌落拱高度

洞身開挖前可對洞身兩側(cè)土體進(jìn)行超前預(yù)加固(包括地表或洞內(nèi)注漿或降水等)，改良土體力學(xué)性能，洞身開挖后能夠自穩(wěn)；

控制超欠挖，并及時(shí)進(jìn)行初噴，保護(hù)洞周應(yīng)力拱的形成；

避免側(cè)壁墻角積水浸泡及地下水滲流降低側(cè)壁土體力學(xué)性能，導(dǎo)致失穩(wěn)。

②提高洞頂覆土的自穩(wěn)能力，降低塌落拱高度

施工前進(jìn)行地表或洞內(nèi)超前預(yù)加固(水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、洞內(nèi)水平旋噴樁及超前支護(hù)等工藝技術(shù))，地下水位較高時(shí)，可采取地表降水。

③控制掌子面擠出變形，以免導(dǎo)致洞頂失穩(wěn)

掌子面擠出變形會導(dǎo)致掌子面前后洞頂土體凌空失穩(wěn)，尤其軟弱圍巖隧道施工中，掌子面擠出變形導(dǎo)致拱頂沉降十分顯著。施工中控制掌子面擠出變形的手段包括：掌子面超前注漿加固、預(yù)留核心土或者CD/CRD分部開挖等。

④設(shè)置鎖腳錨桿(管)，分擔(dān)荷載

鎖腳錨桿(管)隧道施工噴錨支護(hù)工藝的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，由于其工藝簡單易行、效果明顯，且經(jīng)濟(jì)高效，施工中得到了廣泛應(yīng)用。鎖腳錨桿(管)在分擔(dān)荷載和在接續(xù)下部開挖拱腳懸空時(shí)臨時(shí)承擔(dān)全部荷載，起到了控制變形沉降關(guān)鍵性作用。鎖腳錨桿(管)承載機(jī)理較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)為與圍巖土體的摩擦力和本身材料的錨固抗剪能力。根據(jù)軟件模擬分析和工程實(shí)踐表明，鎖腳錨桿(管)的作用效果主要與注漿效果、設(shè)置角度和長度有關(guān)。

針對該工程地質(zhì)情況，采取的技術(shù)措施為：地表高壓旋噴樁預(yù)加固，在隧道洞身兩側(cè)采用雙排Φ800@600高壓旋噴樁作為止水帷幕、改良洞周側(cè)壁和初支體系錨固基礎(chǔ)，加固深度為拱頂上4m至仰拱底下1m；洞身范圍采用Φ800@800高壓旋噴樁加固洞頂開挖輪廓線以外3.0m土體，改良洞頂覆土并形成拱形支護(hù)殼體，淤泥水泥土芯樣抗壓強(qiáng)度代表值1.3MPa(16d齡期)，內(nèi)聚力提高2.5倍至約25kPa，內(nèi)摩擦角提高3.6倍至約25°，堅(jiān)固性系數(shù)從約0.5提高至約1.5。圍巖堅(jiān)固性、摩阻力及自承能力成倍提升(達(dá)到砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖經(jīng)驗(yàn)值)，圍巖壓力降低20%。并局部間歇采取長樁加固至洞內(nèi)淤泥層底，穩(wěn)定開挖掌子面，對掌子面擠出變形有扼制作用。

3.2 控制拱腳水平位移

(1)拱腳水平外移控制

支護(hù)拱在荷載作用下，拱腳不僅有豎向反力，還有水平反力，故拱腳在洞周圍巖壓力下存在水平外移的趨勢。根據(jù)拱的上述力學(xué)特性，依據(jù)施工實(shí)踐證明，在洞身開挖時(shí)，上導(dǎo)坑的矢跨比不得小于1/3。

后陰即肛門，為大腸的下口，又稱魄門、谷道。魄門為粕之通道，魄門即粕門，飲食糟粕由此排出體外，所以稱為魄門。

(2)拱腳水平內(nèi)移(收斂)控制

一般情況下，圍巖土體能夠提供的支撐反力要大于支護(hù)拱的外移動力。隧道施工收斂變形監(jiān)測是必測項(xiàng)目。拱腳水平內(nèi)移的原因，是洞周圍巖壓力較大，使拱架截面產(chǎn)生較大彎矩，發(fā)生變形。導(dǎo)致水平內(nèi)移的圍巖壓力主要為水平壓力。

控制洞周圍巖水平壓力主要有以下措施：

①對洞身兩側(cè)土體進(jìn)行超前預(yù)加固(包括地表或洞內(nèi)注漿或降水等)，改良土體力學(xué)性能，降低其側(cè)向壓力系數(shù)；

②控制超欠挖，并及時(shí)進(jìn)行初噴，防止風(fēng)干收縮變形失穩(wěn)；

③避免側(cè)壁墻角積水浸泡及地下水滲流降低側(cè)壁土體力學(xué)性能，導(dǎo)致失穩(wěn)；

④設(shè)置鎖腳錨管，并注漿，在土體內(nèi)形成錨固體，對支護(hù)拱架提供錨拉力，抵抗圍巖水平壓力；

⑤洞內(nèi)兩側(cè)拱腳位置設(shè)置水平支撐。

針對該工程地質(zhì)情況，采取的措施為：沿線路兩側(cè)各設(shè)置管井降水，間距8m，降水井深入隧底以下10m或進(jìn)入中風(fēng)化層5m，與開挖邊界水平距離不小于4m，降低水位至工作面以下1m為宜。優(yōu)化施工工法，原交叉中隔壁工法優(yōu)化為3臺階山形預(yù)留核心土環(huán)形開挖+中臺階臨時(shí)仰拱。

4 隧道變形控制效果分析

上述措施實(shí)施后，拱腳變形得到有效控制，選取南線K1+310和北線K1+260兩個(gè)斷面的拱頂沉降和周邊收斂現(xiàn)場測試圖如圖5～圖6所示。可以看出上臺階開挖至中臺階臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)，拱頂沉降不大于3mm/d，最大累計(jì)變形35mm左右，拱腳水平收斂位移2mm/d，累計(jì)變形15mm；拆除臨時(shí)仰拱至襯砌仰拱施作完畢，拱頂沉降3～5mm/d，累計(jì)變形50mm，拱腳水平收斂位移3mm/d，累計(jì)變形30mm。從該工程的實(shí)施效果來看是可行的。

圖5 拱腳水平收斂

圖6 拱頂沉降

5 結(jié)論

把隧道開挖后和噴錨支護(hù)后的結(jié)構(gòu)受力體系簡化為應(yīng)力拱和支護(hù)拱進(jìn)行力學(xué)分析，并以土力學(xué)、拱的受力特性以及塌落拱理論為依據(jù)，分析總結(jié)拱腳的變形失穩(wěn)原因，有針對性采取相應(yīng)的技術(shù)措施，從該工程的實(shí)施效果來看是可行的。

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