隧道穿越軟弱煤系地層施工關鍵技術與數值模擬

何勁松 徐庭 張貴恩

摘 要：本文以官莊隧道為研究對象，該隧道穿越煤系地層，圍巖軟弱破碎，為V級圍巖。針對該隧道的工程地質條件提出了交叉中隔墻法（CRD）的施工方法，結合超前地質預報，運用FLAC3D軟件對隧道開挖施工進行模擬，并將模擬值和實測值進行對比，結果表明：隧道開挖后，拱頂和拱底均發生豎向位移，且拱頂位移大于拱底位移，左右邊墻主要發生水平位移，豎向位移的影響范圍相對大于水平位移，且上半部分開挖是隧道開挖過程中的重要環節，應予以重視。并進一步驗證：官莊隧道采用交叉中隔墻法（CRD）工法開挖施工是合理正確的，該工法可有效地控制隧道開挖變形，保證隧道施工穩定和安全。

關鍵詞：煤系地層;CRD施工方法;數值模擬;變形監測

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）08-0105-03

隨著我國基礎設施建設的不斷發展，鐵路、公路隧道建設已然成為人們關注的焦點。我國是一個礦產資源十分豐富的國家，在修建公路隧道的時候勢必要穿越煤系地層，這增加了隧道施工技術的難度，而且可能引發安全事故。

在煤系地層段修建隧道存在兩個難點：一是煤系地層中含有有毒和易燃的瓦斯氣體，瓦斯壓力過大的地層有瓦斯爆炸的危險;二是煤系地層一般都是軟弱圍巖，對隧道施工中的支護要求較高，因此必須要有可靠的施工工藝保證施工安全[1]。

本文根據官莊隧道的具體工程地質概況，將數值模擬等分析手段與超前地質預報、監控量測信息反饋手段相結合，系統地研究了穿越煤系地層段隧道的施工關鍵技術，確保施工過程的安全，保證工程質量，為將來的穿越煤系地層隧道提供示范意義和積累施工經驗。

1工程概況

官莊隧道位于石阡縣甘溪鄉， 起訖樁號ZK65+205～ZK65+790，長585m，屬中隧道，最大埋深約220m。擬建隧道呈曲線形展布，隧道總體軸線方向約250°，隧道平面線形為R-∞，R=3700，隧道縱坡均為0.7%，單向坡。隧道采用復合式襯砌結構。

2工程地質條件

根據野外地質調查及鉆探、物探成果，隧道區上覆第四系更新統坡積成因粉質黏土、塊石，隧址區下伏基巖為寒武系下統清虛洞組灰巖及牛蹄塘組、下統明心寺組、下統金頂山組組合灰質頁巖、二疊系上統龍潭組等。其從上到下可分為第四系覆蓋層，下伏基巖和風化層。

2.1第四系覆蓋層

粉質黏土（含砂巖）：褐黃色，可塑，含約5%碎石，表層0.3含植物根系。塊石：灰色，密實，粒徑大于200mm的顆粒含量約80%，粒徑一般200mm～1500m，多層棱角狀，母巖成分主要為灰巖，泥質充填，顆粒級配一般。

2.2下伏基巖和風化層

強風化灰巖：淺灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造。節理裂隙發育，裂隙方解石脈充填，巖芯多呈塊狀，巖體破碎。

強～中風化炭質頁巖：褐灰黑色，原巖結構大部分破壞，泥質結構，頁理狀構造，節理裂隙發育，巖芯多呈碎塊狀，巖質軟，巖體破碎，瓦斯賦存在炭質巖中。

煤系瓦斯地層段為二疊系上統龍潭組（P31）：粉質粘土含砂巖、炭質頁巖、炭質灰巖，分布于隧道洞身段。隧道洞身ZK65+225～ZK65+305段，地表發現采煤探坑。

3隧道穿越煤系地層施工工藝

3.1超前地質預報

采取地質法為基礎、以物探為主要手段，結合超前鉆探，采用地質雷達對掌子面前方地質情況進行勘察[2]。

本文選取典型區段進行超前地質預報（即ZK65+275～K65+295區段），雷達波反射均較強烈，圍巖穩定性差，瓦斯等有害氣體可通過裂隙向掌子面溢出，開挖后拱頂無支護時容易發生掉塊或者坍塌等不良地質現象。

3.2煤系地層施工關鍵技術

3.2.1超前支護

（1）在軟弱圍巖煤系地層段，采取R51自進式錨桿，使用SP50型錨固工程鉆機安裝，鉆桿的錨桿體具有無需拔除的特點。錨桿減小了施工過程中對圍巖擾動的影響，而且錨桿空孔可以成為注漿通道，讓其具有雙重功能，既節約了成本，又增加了圍巖開挖后的穩定性。

（2）隧道側導洞支護采用Ф50小導管，L=5m，環向間距40cm，外插角10°，Ф8鋼筋網，15×15cm，臨時支撐采用I18鋼拱架，縱向間距100cm，噴射C20混凝土20cm。Ф50鎖腳注漿小導管隧道拱腳每處兩根，長5m。

支護參數：Ф50熱軋無縫鋼管沿拱部120°范圍內布設，每環長4.7m，每環35根，環向間距40cm，外插角10°，搭接長度1m，壓注水泥漿液。

3.2.2交叉中隔墻法（CRD）施工工藝

穿越煤系地層官莊隧道圍巖為強風化炭質頁巖，節理裂隙發育，巖質破碎，整體性較差。隧道所穿圍巖級別分別為Ⅳ級、Ⅴ級。結合實際情況，采用一種適用于較軟弱地層的隧道施工方法-交叉中隔墻法（CRD）開挖方法（見圖1）。

圖1? 分布開挖示意圖

3.2.3初期支護

初期支護施工程序：測量定位→鉆孔→支護錨桿→噴射混凝土→安設拱架→掛設鋼筋網→噴射混凝土。

隧道施工時，噴射標號為C25的混凝土，噴射厚度達到30cm。水灰比準確控制、充分拌合及水化作用以及按比例計量添加速凝劑等方面充分保證了采用濕噴工藝噴射混凝土的強度。在鋼拱架安裝加固完畢后，在拱架背后和巖面空隙之間打進木楔，環向每米1個，使圍巖應力及時傳到支護上，可有效控制早期圍巖收斂變形。

4 數值模擬分析

4.1計算模型

本文選取典型剖面ZK65+285，采用FLAC3D有限差分軟件對隧道建立模型，對隧道開挖圍巖變形進行分析。該段為 V 級圍巖，采用復合式襯砌的支護形式。因為二次襯砌通常起著隧道的安全儲備和美觀的作用，因此本文不考慮二次襯砌的作用[3]。模型采用實體單元建模，圍巖土體采用摩爾庫倫模型，初期支護采用襯砌單元模擬。模擬使用的模型尺寸為隧道設計路面的高度到拱頂距離8.15m，模型大小長為100m，寬為60m，系統錨桿、超前小導管注漿支護的效果采用提高加固圈物理參數的辦法來模擬其作用效果[4]，初期支護采用襯砌單元模擬。位移邊界條件：上表面即地表為自由邊界，其余各外表均約束法線方向的位移。

采用CRD法對煤系段地層段進行開挖支護，表1是模擬CRD開挖法的具體參數。

4.2模擬值與實測值對比分析

限于篇幅，只列出CRD法施工方法各開挖及初期支護關鍵步驟施工完成后的位移云圖。本文選取典型斷面ZK65+285處的模擬值和實測值進行對比分析。

第一次開挖支護后，拱頂部位產生的最大位移3mm左右。隨著開挖繼續，拱頂位移不斷增大，到第三次開挖支護完成后達17mm之多。這是因為，由于隧道開挖致使圍巖豎向應力主要集中分布在隧道拱頂范圍內造成的?？芍淼篱_挖采用CRD施工工藝，前三次施工拱頂沉降速率較大，對隧道穩定的穩定性存在一定程度的影響，因此施工時有必要采取一定的支護措施，防止隧道位移沉降過大。第四次開挖支護完成后，拱頂的最大豎向位移達20mm左右，沉降速率減緩，位移可控。且拱底有起鼓現象，位移為2mm左右，說明CRD施工工藝能有效抑制拱底上移。由圖可知，隧道開挖豎向位移影響范圍內大約為3倍洞室高度，這與文獻[5]結論有所差別，原因是地層巖性、施工工藝等有所不同。

斷面ZK65+285最大沉降值為22.3mm，最大下沉速度2.4mm/d，可以看出斷面ZK65+285拱頂下沉共有三個階段：①前四天沉降速率最快，此時圍巖剛得到支護，支護結構和圍巖還沒有形成共同作用的整體;②5～20天沉降量跟時間近似成直線狀，說明圍巖與支護結構共同作用形成受力整體，沉降速度穩定;③22天以后沉降量趨于穩定，此時拱頂沉降速率為0.2mm/d，滿足規范中的規定，拱頂趨于穩定。

對比分析模擬值和實測值，可知拱頂的沉降實測值大于模擬值，相差2mm，這是由于數值模擬不能完全反映實際施工的滯后效應和施工質量情況，導致實測值較大。但兩者反映圍巖的變化趨勢一致，量值接近。另一方面，數值模擬結果也說明，在圍巖破碎嚴重的地段，采用交叉中隔墻法（CRD）施工工藝，能有效抑制圍巖變形，保證隧道施工穩定和安全。

隧道開挖之后，應力釋放，圍巖逐漸向隧道內部偏移，左右邊墻水平隨隧道開挖不斷增大，開挖完成之后最大值為6mm。

左右邊墻最大收斂值是14.3mm，最大收斂速率是2.6mm/d，其收斂最終值在相關規范規定的范圍內。在斷面ZK65+285處左右邊墻收斂值在趨于穩定前其值幾乎跟時間成直線關系，說明其收斂速率穩定地維持在1.54mm/d左右，待到量測第25天的時候收斂速率0.1mm/d，左右邊墻趨于穩定，變化幅度非常小。

左右邊墻實測最大位移值14.3mm大于模擬值6mm。由位移云圖可知，水平位移影響范圍為1倍的洞室高度。這是因為此模型中默認最大天然應力為豎向應力，隧道模型近似于橢圓形，短軸方向與最大天然應力的作用方向垂直，一定程度上抑制了左右邊墻向隧道內側發展，致使模擬值偏小于實際值，也一定程度減小了水平位移的影響范圍，致使水平收斂位移值大于模擬值，但此變化值在合理范圍內理操作。

5結論

（1）采用地質雷達可對掌子面前方20m范圍內的地質狀況做出較好的判斷，對隧道施工方案提供指導性建議。

（2）詳細介紹隧道穿越煤系地層的施工工藝，將FLAC3D數值模擬結果與實測結果進行對比，兩者變化趨勢一致，數值相接近，表明模擬具有可靠性，可以反映出CRD開挖方式圍巖變形情況，在煤系地層破碎帶采用CRD施工方法和超前小導管注漿是可行的，CRD工法能夠保證在不良地質條件下施工的安全性，有效控制圍巖位移，對相似地質條件下隧道施工具有一定的指導意義。

（3）利用FLAC3D進行數值模擬，采用加固圈物理參數的辦法來模擬系統錨桿、超前小導管注漿支護的效果可以較真實地反映實際情況，從而為支護設計和施工提供可靠的參考數據，

（4）由數值模擬結果可知，隧道開挖后，由于應力釋放，圍巖收斂變形，豎向位移主要集中在拱頂和拱底處，且拱頂位移大于頂底位移，由于上半部開挖引起拱頂沉降所占比例較大，因此在開挖之后要及時施加初期支護。水平位移主要集中在左右邊墻處，位移相對較小，且影響范圍較豎向位移小。

（5）由現場實測數據可知，隧道開挖初期拱頂下降速度較大，位移-時間曲線斜率教大，處于不穩定狀態，隨著時間速率減小，逐漸穩定。而左右邊墻收斂值在趨于穩定前其值幾乎跟時間成直線關系，但兩者最終趨于穩定，說明支護參數合理。

參考文獻：

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