淺埋棄渣堆積體影響下的隧道支護技術研究

李波 何濤 中交第二公路勘察設計研究院有限公司

1.工程概況

保康至神農架高速公路路線里程全長約43.259km，分5個施工標段，全線橋梁總長10615.8m/27座，隧道總長26258.6m/11座，橋隧比例85.24%，另有60m的引水洞一座。是湖北省“十二五”規劃中“九縱五橫三環”高速公路網規劃以及“鄂西生態文化旅游圈”建設的重要組成部分，同時也是神農架林區同外界溝通聯系的第一條高速公路。針對隧道工程可能出現的施工風險，提出針對性預防措施，從超前地質預報、涌水帷幕注漿及監測數據動態調整施工工法等有效手段，保證了隧道施工的安全。

2.隧道工程地質概況

隧道采用上下行分離式設計的四車道隧道，隧址區地貌為構造剝蝕中低山區。山體地形被切割較為強烈，山頂線多為圓錐狀，山脊為波狀起伏狀。根據地質調繪、鉆探及物探等相關勘察資料，隧址區出露地層主要為第四系更新統殘坡積粘土，泥盆系中統跳馬澗組強～中風化砂質頁巖等組成。隧址區內因地質構造影響，受燕山期花崗巖侵入，巖層受到強烈擠壓，局部有方解石脈和石英脈穿插。

隧道巖性為中風化砂質頁巖，節理裂隙較發育，巖體呈破碎—較破碎，圍巖自穩性較差，側壁易發生掉塊現象或致失穩，拱部由于無支護同樣易引發掉塊，爆破震動過大時易導致塌方問題，從而使得初期支護變形嚴重，下沉變形而嚴重侵入建筑限界。此外，工程施工過程中下穿棄渣場和一條鄉村公路（現為施工便道，載重貨車較多），棄渣場內擬棄渣高度約為20m。棄渣場原為山體沖溝，經現場復測數據顯示沖溝底原地表處最小高程為754.884m，該處隧道埋深約為22.69m，棄渣場內棄渣對隧道形成較大的土體壓力。

本項目隧道圍巖強度較低，開挖后不具備良好的自穩能力，同時在隧道上方還有22m厚的棄渣場，為確保工程的長期運行安全，需要對該段隧道結構的安全性進行系統的校核和工程處置，才能保證隧道運行期安全。

3.棄渣堆積體下隧道工程支護參數研究

3.1 邊界條件及參數

首先采用地層結構法對結構的受力特征進行數值仿真分析，復合式襯砌設計時，V級圍巖中二襯作為主要承載結構。此處假設開挖后圍巖應力釋放20%，初襯與圍巖承擔40%圍巖壓力，二襯承擔40%圍巖壓力。

計算時首施加初始地應力場，對于淺埋隧道工程，只考慮自重應力，數值計算時，開挖時先釋放20%的圍巖荷載，初期支護噴射混凝土承擔40%的荷載，永久支護二襯鋼筋混凝土承擔40%的剩余荷載。

采用FLAC 3D軟件開展數值計算，模型尺寸為：豎向取80m，水平向取50m。

隧道圍巖采用Mohr-Coulomb屈服準則進行非線性彈塑性分析。將圍巖劃分為四邊形等參單元法模擬，采用Liner element模擬隧道初襯和二襯。圍巖和襯砌結構的具體幾何參數按照設計參數設定，其物理力學參考相關規范指標進行取經驗值，初襯中鋼拱架采用等效方法模擬，將鋼拱架彈性模量按照體積含量與噴射混凝土進行折算后獲取計算值。

對于棄渣場棄渣荷載，采用等效荷載方法進行施加。數值模擬計算時，在隧道開挖及支護完成后，將棄渣堆以均布荷載方式施加于地表，重新進行計算至平衡。

3.2 數值計算結果

相關計算結果表明，棄渣堆載前后洞內外變形及支護結構受力變化幅度較大。堆載前，圍巖變形范圍主要集中在隧道開挖輪廓附近，隧道上方圍巖向下沉降，隧道底板附近圍巖略微有些隆起，兩側圍巖具體表現為向隧道內收斂狀態，且變形值不是很大，圍巖最大位移矢量為7.8mm。堆載后，圍巖在水平方向上位移略有增大，但最大值僅為3mm，而在豎直方向上則表現為整體向下沉降趨勢，自下至上沉降值逐漸增大，且隧道開挖范圍以上部分圍巖沉降值較大，最大沉降出現在隧道拱頂對應的地表位置，最大位移矢量達30.2mm。此外，襯砌結構內力在堆載前后變化也很大，隧道初襯和二襯結構的內力均增大較多，而初襯和二襯內力增幅差異較大。對于襯砌結構，堆載后的內力約為堆載前的2倍，而對于二襯結構，堆載后的內力達到堆載前的3.5倍。由此可見棄渣堆載對隧道二襯結構安全影響較大，現對其安全性進行驗算。

3.3 結構安全系數的校核

根據現行標準《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018），公路隧道襯砌數值計算驗算構件截面強度時，根據不同荷載組合時，采用不同的安全系數。

混凝土襯砌結構內力檢算是按破損階段法進行的，具體作如下分析：

當e0≤0.2h時（e0為截面軸向力偏心距，e0=M/N，其中M、N為作用于檢算截面的彎矩和軸向力，kN），對于隧道鋼筋混凝土襯砌，其承載能力是受抗壓強度所控制，應由抗壓強度進行檢算，計算公式如下式（1）所示：

式（1）中，K—混凝土和石砌結構安全系數；φ—構件的縱向彎曲系數（拱圈及墻背回填密實可靠的邊墻，φ=1）；α—軸向力偏心影響系數；Ra—混凝土或砌體的抗壓極限強度，MPa；b、h—截面的寬度和厚度，m。

當e0＞0.2h時，從抗裂要求出發，由截面抗拉強度控制承載能力，其計算公式見式（2）：

式（2）中，Rl—混凝土的抗拉極限強度，MPa。

結合現場施工設計相關圖紙資料，對于C25混凝土而言，取抗壓極限強度Ra=19MPa，抗拉極限強度Rl=2.0MPa，厚度h=0.45m，由公式（1）、（2）可以計算出二襯各截面位置的安全系數。棄渣堆載前二襯各截面安全系數平均值大于10，規范規定安全系數最小值為3.6，能夠滿足規范要求。

棄渣堆載后，二襯安全系數普遍減小，安全系數平均值約為4，且邊墻和仰拱部位的安全系數普遍小于3.6。

上述安全系數的計算并未考慮配筋，結合襯砌受力狀態分析，受力不利的位置均位于邊墻和仰拱交接的范圍，受力特點是襯砌偏向圍巖一側的受拉。考慮到受拉側在內部，受到圍巖的抗力約束作用，因此對結構的影響相對較小。因此實際上二襯的結構安全性能得到保證。

初期支護的受力情況與二襯類似，其受力薄弱位置也處于邊墻和仰拱交接范圍。如前所述，考慮到仰拱回填、初支與圍巖接觸良好等因素，邊墻和仰拱交接范圍初支安全性可得到保證。

3.4 工程現場處理效果

針對隧道穿越棄渣場溝底后，初期支護發生鋼支撐壓彎及下沉量侵入建筑限界的實際情況。提出了控制涌水、反壓回填及加固圍巖與優化施工工法的措施。根據現場觀察及對量測數據的分析，左、右洞施工正常，左、右洞掌子面按上下兩臺階法開挖，由監測數據可以得到，靠近近掌子面的監測點，由于受工程開挖擾動等影響，導致沉降和收斂值稍大，但各項監測數據均正常，正常施工日均拱頂沉降和水平收斂變形都已在0.20mm/d以下，符合監控量測規范變形穩定要求。由于隧道淺埋并有棄渣覆蓋，施工期間對多個斷面進行了長期變形現場監測，監測結果表明工后處理效果非常好。

4.結束語

本文結合隧道工程的建設，考慮施工堆載影響的結構設計方法，主要結論如下：

（1）隧道下穿棄渣場段在棄渣堆載前后變形和受力變化較大，棄渣堆載使圍巖豎向位移大幅增大，初支和二襯結構的受力大幅增加，對隧道結構有明顯的影響。

（2）除邊墻和仰拱交接范圍外，棄渣堆載前和堆載后隧道的二襯結構安全系數均能滿足規范要求。盡管堆載后二襯受力增加導致安全系數降低，特別邊墻和仰拱部位安全系數較小，但考慮到仰拱回填、支護結構和圍巖接觸良好等因素，在襯砌結構變形過程中可提供抗力約束，實際上邊墻和仰拱交接范圍結構安全性可得到保證。