高海拔隧道洞口段超前支護(hù)技術(shù)研究

鄭小均

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、引言

在隧道坡積碎石土淺埋段施工中，由于隧道淺埋段開挖時(shí)工作面地質(zhì)的復(fù)雜性，其穩(wěn)定性往往難以保持。隧道穿越軟弱破碎圍巖時(shí)，開挖擾動(dòng)會(huì)引起較大圍巖變形[1]。如果初期支護(hù)做不及時(shí)，圍巖變形可能超過其容許范圍，嚴(yán)重時(shí)引起掌子面失穩(wěn)、隧道塌方，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[3]。而高海拔地區(qū)隧道坡積碎石土淺埋段施工和圍巖穩(wěn)定性的保持的問題更加復(fù)雜，普通的超前支護(hù)達(dá)不到預(yù)期的超前支護(hù)的效果。因此需要一種高海拔地區(qū)碎石土淺埋松散坡積段隧道的超前支護(hù)工藝。本文依托西藏工布江達(dá)縣米拉山隧道工程，對(duì)高海拔坡積碎石土隧道淺埋段超前支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

二、工程概況

米拉山隧道所在地位于工布江達(dá)縣境內(nèi)，與拉薩市墨竹工卡縣相界，隧道南北向橫穿海拔5350m米拉山。采用分離式隧道，測(cè)設(shè)線間距約40m。隧道長5720米，最大埋深約391m。進(jìn)口設(shè)計(jì)高程約4752m，出口設(shè)計(jì)高程約4774m，通風(fēng)斜井口設(shè)計(jì)高程約4889.6m。隧道洞體設(shè)計(jì)限高7.8m，設(shè)計(jì)限寬10.25m

據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探揭露，隧址區(qū)地層主要為晚第三系新達(dá)拉(NX)花崗巖、下第三系-上白堊系林子宗(K2-E)l3)凝灰?guī)r、前奧陶系松多巖群岔薩崗巖組(AnOc)板巖、冰水積(Q3fgl)碎石土、崩坡積(Q4c+dl)碎石土。米拉山隧道二維地震勘探共查明斷層25條(F1至F25)：按落差劃分，其中落差大于等于10m的斷層10條(F1、F2、F4、F7、F10、F11、F12、F14、F18、F24)，落差小于10m的斷層15條；其中正斷層22條，逆斷層3條。

三、數(shù)值模擬分析

本文設(shè)計(jì)了兩種針對(duì)高海拔地區(qū)松散坡積碎石土隧道淺埋段的超前支護(hù)組合工藝。第一種：首先在隧道淺埋段開挖前，對(duì)隧道地表新型地表注漿工藝進(jìn)行注漿加固，在隧道開挖過程中，對(duì)拱頂以及邊墻設(shè)計(jì)密插小導(dǎo)管同時(shí)適當(dāng)加強(qiáng)初期支護(hù)，仰拱開挖之前，對(duì)仰拱底部進(jìn)行注漿加固。第二種：首先對(duì)隧道淺埋段進(jìn)行管棚支護(hù)，在隧道開挖過程中，對(duì)拱頂以及邊墻設(shè)計(jì)密插小導(dǎo)管同時(shí)適當(dāng)加強(qiáng)初期支護(hù)。本文對(duì)兩種組合工藝進(jìn)行了對(duì)比和分析，最終選擇了第一種組合工藝。該工藝能在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，隨著漿液擴(kuò)散，填充圍巖裂隙，擠密巖土體[3]，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。

(一)計(jì)算模型

本文采用數(shù)值模擬方法，分析注漿加固范圍對(duì)于圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，研究超前支護(hù)的加固效果。根據(jù)米拉山隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，本次的數(shù)值模擬現(xiàn)擬定隧道模型尺寸：寬12.1m，高9.1m，拱部為半徑為605cm的半圓，仰拱為半徑為1550cm圓弧，仰拱與拱部間用一個(gè)小半徑為100cm的圓弧連接。在隧道開挖過程中，圍巖的豎向位移主要發(fā)生于隧道拱頂以上以及仰拱以下的區(qū)域[2]。數(shù)值分析采用適合模擬巖土非線性問題和大變形問題的FLAC3D進(jìn)行模擬。根據(jù)米拉山隧道地質(zhì)勘察資料與《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T D70-2010)》，洞口圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值：彈性模量0.15GPa，泊松比0.3，重度1800KN/m，粘聚力0.12MPa,摩擦角28°。

(二)計(jì)算工況

由于超前支護(hù)結(jié)構(gòu)深入圍巖內(nèi)部，且與初支結(jié)構(gòu)剛性連接，構(gòu)成“圍巖-超前支護(hù)-初期支護(hù)”整體承載結(jié)構(gòu)，在研究超前支護(hù)作用效果時(shí)既要研究超前支護(hù)結(jié)構(gòu)自身力學(xué)性質(zhì)，更要考慮圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同受力特征[4-5]。本次計(jì)算主要分析新型坡積碎石土隧道淺埋段超前預(yù)加固工法合理性。本次模擬采用兩種不同工況：工況一采用地表注漿加固、仰拱地基注漿加固、管棚超前支護(hù)；工況二只采用管棚超前支護(hù)。

(三)隧道圍巖穩(wěn)定性分析

圍巖的位移為影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素，本節(jié)主要采用圍巖的位移作為新型坡積碎石土隧道淺埋段超前預(yù)加固工法合理性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。主要對(duì)比分析注漿加固后和未注漿加固的兩種工況下隧道拱頂、每個(gè)開挖步之后拱頂?shù)淖畲笪灰埔约暗孛娴某两怠?/p>

通過對(duì)不同工況隧道豎向位移對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)隧道拱頂豎向位移隨著距洞口的距離增大而逐漸增大，隨著距離的增大增速不斷降低，在距洞口40米之后圍巖豎向位移逐漸趨于穩(wěn)定，距洞口0-50米范圍內(nèi)，通過對(duì)地表提前預(yù)注漿加固后，隧道拱頂?shù)奈灰泼黠@降低，相對(duì)于未地表預(yù)注漿加固位移約減少了30%，很大程度上提高了隧道的穩(wěn)定性。

通過對(duì)各個(gè)開挖步后隧道20米斷面拱頂位移分析，發(fā)現(xiàn)隧道拱頂?shù)呢Q向位移主要集中在開挖第一步，約整個(gè)過程全部位移的60%，第2-4步每步開挖引起的位移約為整個(gè)過程圍巖位移的10%，在第五步開挖后，隧道拱頂?shù)呢Q向位移逐漸趨于穩(wěn)定；對(duì)比兩種工況可以看出在隧道開挖前，對(duì)地基進(jìn)行預(yù)注漿加固可以明顯的降低拱頂?shù)呢Q向位移，且注漿加固隧道每一步開挖引起的拱頂豎向位移均小于未注漿加固，更有利于位移的穩(wěn)定性，更好的降低隧道的變形。

通過對(duì)兩種工況下由于隧道開挖造成的地表沉降的分析，發(fā)現(xiàn)地表的位移呈現(xiàn)出隧道拱軸線豎向位移最大，隨著距拱軸線的距離增加，地表位移不斷減少；注漿加固在拱軸線出約可以減少地表沉降10mm，相對(duì)于不注漿加固豎向位移約減少了30%。

四、結(jié)論

1.相對(duì)于傳統(tǒng)的隧道淺埋段預(yù)支護(hù)技術(shù)，高海拔地區(qū)坡積碎石土隧道淺埋段超前支護(hù)方式能提高隧道圍巖的穩(wěn)定性，改善隧道圍巖的受力以及結(jié)構(gòu)受力。

2.高海拔地區(qū)隧道淺埋段坡積碎石土淺埋段超前支護(hù)方式相對(duì)于傳統(tǒng)洞口預(yù)加固方式，能夠約降低隧道拱頂圍巖位移20%，降低地表沉降約30%，更有利于邊坡的穩(wěn)定性。

3.隧道地表注漿加固范圍越大，越有利于控制隧道圍巖的變形，但當(dāng)這些參數(shù)達(dá)到一定程度后，對(duì)隧道圍巖變形的影響的敏感性降低，最后其影響效果都趨于穩(wěn)定。

本項(xiàng)研究形成的適合高海拔地區(qū)隧道坡積碎石土淺埋段的超前支護(hù)方式，豐富了我國在西藏、云南等地區(qū)的隧道淺埋段超前支護(hù)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在今后類似條件下的施工具有實(shí)際指導(dǎo)意義。