偏壓隧道洞口段坡體鋼花管注漿加固效果分析

鄭明新， 伍明文, *， 胡國平， 郭杰森， 黃 鋼， 楊繼凱

(1. 華東交通大學土木建筑學院， 江西 南昌 330013；2. 江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室， 江西 南昌 330013)

0 引言

對于偏壓隧道[1]，常常因施工方案不當誘發隧道洞口段坡體滑塌，而其穩定性關乎整個工程的安全、順利進行，因此隧道洞口段邊坡穩定性一直是隧道工程界重點關注的問題。多年來，為了尋求有效的邊坡加固方案，相關學者進行了大量的研究并取得了一系列的研究成果。鄭明新等[2]針對路塹邊坡特征提出了相應的邊坡防護措施、適用條件及相應的邊坡支護方案。沈金瑞等[3]針對軟弱結構面分析了邊坡注漿前、后坡體的穩定狀況。陳思陽等[4]介紹了黃土偏壓隧道穿越邊坡時通過對隧址邊坡進行預加固,大大降低了施工對土體的擾動,減少了滑坡、崩塌等工程風險。王華俊等[5]介紹了在高速公路邊坡病害防治中采用鋼花管注漿加固，并取得了較好的應用效果。王俊生[6]探討了注漿鋼花管樁加固邊坡設計方法，發現該支護方法能提高荷載傳遞效果，并能較好地控制地表的變形。

以往將鋼花管注漿支護主要應用于高速公路邊坡預支護，盡管有許多學者和工程師對于這類加固方案相繼進行探究[7-8]，但對于偏壓隧道洞口段坡體鋼花管注漿加固效果的研究較少?？紤]到研究對象洞口段坡體主要由于偏壓、地下水的作用及支護不當而容易導致局部坡體滑移，故本文針對該工程在產生局部坡體滑移后的偏壓隧道洞口段上方坡體施作鋼花管注漿加固效果進行分析，通過計算不同加固工況下的邊坡安全系數、側坡總位移、坡體有效塑性應變及對坡體采用鋼花管注漿加固后的現場邊坡測點位移監測數據來評價坡體支護加固后的效果。

1 工程概況及洞口邊坡變形分析

1.1 隧道工程概況

花都Ⅱ號隧道工程位于福建省漳州市，隧道按上下行分離雙向6車道設計，左洞全長985 m、右洞全長945 m，最大埋深為106 m，隧道主洞凈高為 10.27 m，凈寬為15.27 m。隧道右洞進口邊坡及橫斷面如圖1所示。

(a) 進口邊坡

(b) 橫斷面

研究區屬于新構造活動性斷裂塊差異隆起區，隧道分布于第四系更新統殘坡積層與侏羅系強風化—中風化凝灰熔巖巖層內；右洞進口段坡體地層巖性自上而下為坡積含碎石黏土、砂土狀強風化凝灰熔巖、碎塊狀強風化凝灰熔巖及中風化凝灰熔巖，見圖2(a)，右洞坡面左側有明顯地下水滲出。

1.2 坡體變形特征

隧道施作套拱初期，因開挖坡腳處局部土體，導致坡體上方變形較大，隨即采用局部坡體注漿，然而，隨著土體的開挖，局部坡體仍然發生滑移失穩，同時，坡體地表出現多條裂紋。該裂紋主要是由于右洞上方土體偏壓、地下水未及時排出及坡體支護不到位使得局部邊坡滑移失穩。施工單位在施作套拱前曾開挖左側坡腳處的局部土體，當開挖深度為3 m時，套拱處上方局部坡體已發生明顯的滑動并出現局部坍塌現象，在邊坡地表出現多條裂紋(見圖2(b))，裂紋最寬達3 cm，最長達9.5 m，同時在坡體上部多處冒出小股流量地下水，形成地表徑流。

(a) 坡體橫截面 (單位： m)

(b) 坡體裂紋

邊坡局部失穩主要源于坡體偏壓、地下水的影響及坡體支護不當所致。為滿足后期隧道施工的需求，需對邊坡進行加固以提高坡體的穩定性。

2 邊坡加固支護方法比選分析

數值計算分析軟件采用Midas-GTS-NX[9-10]，該軟件分析邊坡穩定性是基于有限元強度折減原理[11-12]進行計算分析的。在本工程背景下采用該方法相比其他分析方法，其可考慮巖土體的非線性本構關系，能自動搜索滑面并求出強度儲備安全系數，最大剪切應變云圖可直接反映失穩坡體滑移面的位置情況，還可以反映滑動面的形成、發展、貫通情況，并且能算出有/無支護情況下邊坡滑動面走向與安全系數，也能對有支護情況下坡體的穩定性進行評價。

2.1 坡體計算模型的建立與參數的確定

2.1.1 計算模型的建立

隧道邊坡土體、圍巖采用M-C屈服準則，土體采用 4 節點局部3節點二維平面單元模擬。將隧道初期支護的網噴混凝土和鋼拱架視為一個等效體。模型計算范圍橫向為X向，取92 m；豎向(Y向)左側取30 m，右側取64 m；整個模型底部為全部約束，邊坡面定義為自由邊界，左右兩側均設為水平約束，隧道邊坡及側坡支護結構模型如圖3所示。

(a) 隧道邊坡模型

(b) 隧道側坡支護結構示意

隧道邊坡支護加固措施分3種： 工況1采用對坡面刷坡加砂漿錨桿支護；工況2采用工況1加局部坡體注漿支護；工況3采用工況1的支護加鋼花管注漿支護。在二維模型中支護工況1生成的刷坡及砂漿錨桿采用對坡面單元析取產生1D梁單元及在錨桿植入位置析取產生1D植入式桁架施加；支護工況2在采用工況1的基礎上再對注漿加固區的土體的屬性變為注漿后土體的物理屬性；工況3是在工況2的基礎上對鋼花管加固區把其析取出來的1D梁單元進行模擬施加。

1)坡面掛網噴漿+砂漿錨桿。在坡面施作厚度為10 cm的C25噴射混凝土、φ8鋼筋網及垂直坡面打入長為3 m的砂漿錨桿。

2)坡體注漿。在加固區采用C20水泥漿液(水灰比為1∶1)對坡體進行注漿加固, 鉆孔直徑為60 mm，孔距與排距均為2 m，鉆孔深度9 m，注漿壓力為2～3 MPa，采用外徑為45 mm的中空長鋼管進行注漿，漿液擴散半徑1 250 mm。

3)注漿鋼花管。在加固區沿重力方向打入12根長為10 m、直徑為108 mm、壁厚為8 mm的鋼花管后，再通過鋼花管對坡體采用C20水泥漿液(水灰比為1∶1)進行注漿加固(采用這種鋼花管能夠起到加固巖土體、增強抗滑能力，而嵌入地層的鋼花管又能起到錨固樁作用，有利于后期隧道的開挖)。

以上加固方式詳情見圖3(b)。

2.1.2 模型參數的選取

根據設計院的地質勘測資料、室內取土實驗及邊坡支護設計資料可知，土體與支護結構材料的物理力學參數見表1，其中鋼花管注漿對圍巖的影響區域大致在1 250 mm范圍內[5,13]，通過對鋼花管與固結在鋼花管內的水泥砂漿的彈性模量進行折算[14]，可知注漿鋼花管彈性模量為57 200 MPa、泊松比為0.3、容重為27.4 kN·m-3。

表1模型中地層與結構物理力學參數

Table 1 Physico-mechanical parameters of strata and structure in model

類別 E/MPaμγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)坡積土500.31181518砂土狀強風化凝灰熔巖1 0000.35203035碎塊狀強風化凝灰熔巖2 0000.19224040中風化凝灰巖3 4000.0526.119 40045.8注漿加固體2 1000.2236048噴射混凝土25 0000.322錨桿210 0000.2078注漿鋼花管57 2000.327.4初期支護30 0000.2325中間鋼支撐29 0000.3125

2.2 計算方案比選

隧道邊坡穩定性分析主要考慮3種加固方案： 1)坡面掛網噴漿+砂漿錨桿支護； 2)坡面掛網噴漿+砂漿錨桿+局部坡體注漿支護； 3)坡面掛網噴漿+砂漿錨桿+局部坡體鋼花管注漿支護。3種支護工況比選見表2。

表2 3種支護工況比選

2.3 計算結果分析

2.3.1 不同工況下的邊坡安全系數

經數值計算分析可知，邊坡在不同支護工況條件下穩定性安全系數如表3所示。

表3邊坡在不同支護工況條件下穩定性安全系數值

Table 3 Slope stability safety factors corresponding to different slope support schemes

工況編號工況類別安全系數1坡面掛網噴漿+砂漿錨桿1.1012坡面掛網噴漿+砂漿錨桿+坡體注漿1.3123坡面掛網噴漿+砂漿錨桿+坡體鋼花管注漿1.546

通過表3可知: 工況1邊坡穩定性安全系數小于規范中對一級邊坡穩定性安全系數1.3的要求，不利于后期隧道施工；工況2和工況3均達到一級邊坡安全穩定的要求，雖然工況2邊坡安全系數相比工況1提高19.16%，但是工況2的安全系數相比1.3僅高出0.9%，坡體安全儲量極低，這對后期隧道開挖施工是不利的；工況3的邊坡安全系數相比工況2提高17.83%，與工況1相比提高40.42%，說明局部坡體鋼花管注漿加固相比單獨坡體注漿能更有效地提高邊坡的穩定性。

2.3.2 不同支護工況下側坡總位移分析

在隧道還未開挖時，上方邊坡采用不同支護工況下側坡總位移分析如圖 4所示。

由表3和圖4可知： 1)工況1的邊坡穩定安全系數小于1.3，邊坡整體處于局部失穩狀態。2)工況2是在工況1的基礎上對支護區進行注漿加固，加固后發現坡體的穩定性得到了較大的提高，工況2最大側坡總位移相比工況1減少了27.19 cm，注漿雖能夠較好地提高邊坡的穩定性，但后期隧道開挖施工將擾動坡體，可能會導致坡體失穩，所以還需進一步對坡體進行加固。3)工況3是在工況2支護加固的基礎上與鋼花管結合而成的坡體支護加固方案，側坡最大總位移值為1.26 cm，該值在所有坡體支護工況中最小，邊坡安全系數在所有支護工況中最大，為1.546。該支護工況能極大地提高邊坡的穩定性，也可極大地降低后期隧道施工對地表變形的影響，這在所有支護工況中最有利于坡體的穩定，因此，專家推薦此坡體支護加固方案。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

坡體支護工況2和工況3下側坡監測點總位移曲線如圖5所示。

由圖2和圖4—5可知： 偏壓隧道側坡的9個測點總位移值中最小為工況3，最大為工況1(鑒于工況1的坡面所有測點中，最小測點總位移值為39.9 mm，均大于其他工況的所有測點總位移值，所以圖5僅比較工況2及工況3的坡體位移變形情況)。從圖5可知： 工況3總位移變化總體趨勢小于工況2；在測點5的總位移值中，工況3相比工況2減少67.72%，變化值為9.82 mm，在所有測點中變化最大，其極大地降低了隧道拱頂上方的位移值。

圖5 在坡體支護工況2和工況3下側坡監測點總位移曲線

綜上可得： 工況3采用坡面施作掛網噴漿、砂漿錨桿支護及局部坡體鋼花管注漿支護能夠極大地提高坡體自身的穩定性，確保后期隧道的順利開挖。

2.3.3 不同支護工況下坡體有效塑性應變及最大剪應變的分析

通過坡體最大有效塑性應變(指在該工況下模型中的有效塑性應變峰值)及最大剪應變的貫通情況、分布位置及應變值的大小，可以推選出最適宜的邊坡支護工況，為邊坡的加固提供合理的方案。各工況下邊坡有效塑性應變及最大剪應變如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知： 1)工況1最大有效塑性應變為35.2，考慮到后期隧道的開挖將會擾動坡體很容易誘發坡體滑移失穩，所以需對坡體進一步加固； 工況2相比工況1最大有效塑性應變降低了87.3%； 工況3相比工況2降低了84.4%，可知工況3支護效果最佳。2)工況1—3邊坡最大剪應變值從0.198 1降為0.037 4，呈現逐漸降低的趨勢，工況2的最大剪應變值小于工況1，工況3最大剪應變值相比工況2降低29.55%，可見局部坡體鋼花管注漿能有效提高邊坡的支護效果。

(a) 工況1坡體有效塑性應變

(b) 工況2坡體有效塑性應變

(c) 工況3坡體有效塑性應變

(d) 工況1坡體最大剪應變

(e) 工況2坡體最大剪應變

(f) 工況3坡體最大剪應變

圖7 各支護工況下坡體最大剪應變及最大有效塑性應變值曲線

綜上可知： 把鋼花管與局部坡體注漿相結合起來可大大提高坡體的穩定性，滿足后期隧道開挖施工等作業。

2.3.4 隧道施工對已支護邊坡豎向位移的影響分析

坡體采用工況3方式加固后，對隧道雙側壁導坑進行模擬開挖施工(現場也是采用雙側壁法進行施工開挖)，開挖次序為左導坑(開挖1)、右導坑(開挖2)、中導坑(開挖3)及拆撐+開挖仰拱(開挖4)。隧道開挖側坡豎直方向位移如圖8和圖9所示。分析隧道開挖對已支護邊坡豎向變形的影響，以便探討該支護工況對隧道邊坡的支護效果。

(a) 開挖左導坑

(b) 開挖右導坑

(c) 開挖中導坑

(d) 拆撐+開挖仰拱

圖9 隧道開挖(支護工況3)側坡監測點豎直方向位移曲線

Fig. 9 Vertical displacement curves of slope in support scheme 3

由圖8和圖9可知： 對工況3支護下的邊坡進行隧道開挖，當開挖完左導坑時坡面最大沉降值為3.0 mm，靠近加固區的土體與上方下滑土體擠壓導致地表產生最大隆起位移為17.4 mm；開挖完仰拱與拆撐時坡面最大沉降值為8.9 mm，相比開挖1下沉5.9 mm，地表產生最大隆起位移為35.9 mm，相比開挖1上升18.5 mm。通過對比發現，邊坡在鋼花管注漿加固支護下有效地提高了坡體的穩定性，同時也抑制了坡腳薄弱地帶部位的變形情況，該加固方案能極大地提升偏壓隧道邊坡的穩定性。

2.4 隧道開挖過程中的邊坡位移監測數據分析

2.4.1 邊坡監測點的布置

開挖套拱土體初期邊坡產生局部破壞后，立即采用工況3對坡體進行加固并在地表布置監測點，垂直于隧道軸線從坡腳到靠近坡頂布置9個測點，測點5布置在隧道拱頂部位，以該測點為中心向兩側布點，測點5至測點6相距5 m、測點6至測點7相距6 m、測點7至測點8相距6 m、測點8至測點9相距7 m。測點布置見圖2(a)。

2.4.2 邊坡位移監測分析

坡體支護后開始了隧道開挖作業，從開挖左導坑到施作仰拱初期支護用時24 d(其中第6天左導坑開挖支護完成，第12天右導坑開挖支護完成，第17天中導坑開挖支護完成，第24天仰拱開挖支護完成)。隧道開挖上部坡體各監測點X、Y向位移時程曲線如圖10和圖11所示。從圖可知： 前1～17 d開挖左、右及中導坑時隨著開挖進尺的增加，各測點X及Y方向位移逐漸增加，其中，測點4和測點5的X、Y向位移變化顯著；17～24 d仰拱開挖完畢，各測點位移逐漸趨于平穩，變化不大，同時遠離開挖面的測點變形影響較小；加固區土體在鋼花管注漿后極大地提高了該區域土體的物理屬性，使得加固后的土體具有較大的剛度且穩定性更好。

圖10隧道開挖上部坡體各監測點X向位移時程曲線(負值表示向左側移動)

Fig. 10 Time-history horizontal displacement curves of slope when tunnel excavation (negative values refer to displacement moving towards left)

圖11隧道開挖上部坡體各監測點Y向位移時程曲線(正值表示向上移動，負值表示向下移動)

Fig. 11 Time-history vertical displacement curves of slope when tunnel excavation (negative values refer to displacement moving towards upside)

由圖10可知： 開挖左、中導坑階段坡體各測點X向位移增速均大于其他開挖階段，由于左、中導坑開挖使得隧道內出現大的臨空面，導致坡體周圍土體發生較大變形，在右側土體偏壓作用下誘發右側上方坡體微微下滑，擠壓加固區土體令測點4和測點5位移值均大于其他測點，在中導坑支護完成后這2個測點X向變形逐漸趨于穩定，值分別為19.8、26.3 mm，位移方向向左；在開挖左導坑期間坡體各測點位移變形速率在4個階段中最大，在該階段測點4和測點5的X向位移增速分別為2.17、1.33 mm/d。

由圖11可知： 開挖隧道期間加固區土體與上方下滑坡體擠壓變形導致測點3和測點4的豎向位移值上升，測點4位于加固區最右側，土體擠壓變形最大為32.5 mm；在開挖左導坑期間，測點4豎向變形速率在4個開挖階段中最大，為2.5 mm/d，于第6天左導坑支護完成時達到15 mm，同時該階段測點5下沉值在所有測點中最大，為5.1 mm；右導坑的開挖誘發拱頂測點5處右側上方坡體土體下滑并擠壓加固區土體，導致測點3和測點4豎向位移值進一步增大，測點3和測點4分別上升2.8、12.1 mm；中導坑開挖對坡體上方測點沉降影響最大，拱頂測點5在中導坑開挖支護階段下沉值最大，為6 mm；仰拱的開挖對坡體沉降影響小，其增大了臨空面使得測點4發生微微下沉。

綜上可知，局部坡體鋼花管注漿有效地提高了邊坡的穩定性。

3 結論與建議

1)對隧道洞口段坡體采用坡面掛網噴漿、砂漿錨桿及局部鋼花管注漿支護在3種支護工況中效果最好，能極大地提高坡體穩定性，有利于隧道后期施工的順利進行。

2)在隧道開挖前對坡體做好預加固可有效控制邊坡變形，局部坡體鋼花管注漿支護相比采用坡體注漿支護可使邊坡安全系數提升17.83%、側坡位移降低32.43 mm、最大剪應變下降29.56%、最大有效塑性應變降低84.37%，所以在支護工況2的基礎上再加鋼花管注漿支護，能有效并且極大地提升隧道坡體的穩定性。

3)通過監測數據對比分析可知，對偏壓隧道洞口段邊坡采用工況3(局部鋼花管注漿支護)的方式加固后再對隧道進行開挖，地表沉降得到了極大地控制，也提高了邊坡穩定性，這與數值模擬的結果相近，說明局部坡體鋼花管注漿對于偏壓隧道邊坡支護效果最佳。

4)本文選用偏壓隧道洞口段邊坡的3個支護結構模型并結合現場監測數據進行分析，得出了偏壓隧道洞口段邊坡的穩定性變化規律及最佳支護方案。然而其也有一定的局限性，富含地下水施工與爆破擾動下對偏壓隧道邊坡的穩定性還有一定的影響，后期還有待進一步的研究。本文從理論與實踐方面對提升位于偏壓隧道洞口段邊坡的穩定性具有一定的參考價值。