軟弱圍巖淺埋洞口段施工關(guān)鍵技術(shù)研究

堯建敏 胡江煥 冉路堯

(中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430000)

軟弱圍巖超淺埋隧道洞口施工工序繁多，由于圍巖多次擾動(dòng)，圍巖應(yīng)力及支護(hù)受力情況復(fù)雜，因此選擇合理的開挖方法是保證隧道洞口穩(wěn)定性的必要前提。對(duì)于當(dāng)今國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)大公路隧道洞口的施工方法，盡管開挖方法多種多樣，但對(duì)于隧道洞口段的軟弱巖土層，均需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)牡貙宇A(yù)加固處理，并采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、CD法或CRD法、臺(tái)階法、弧形導(dǎo)洞超前法或組合方法開挖。其出發(fā)點(diǎn)是盡可能地借助于輔助施工方法改良土體，將大斷面化大為小，并盡快地沿開挖輪廓形成封閉或半封閉的承載結(jié)構(gòu)，再開挖核心部和仰拱。

肖伯強(qiáng)等[1]針對(duì)大跨度隧道施工過(guò)程中，由于跨度較大而引起較多的不利因素導(dǎo)致施工進(jìn)展困難，應(yīng)用有限元法對(duì)長(zhǎng)大隧道的完整開挖過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬研究，模擬開挖采用能保證施工安全的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖的位移、初期支護(hù)的剪力、彎矩及錨桿軸力動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)控，提出長(zhǎng)大隧道施工中容易出現(xiàn)的問(wèn)題及相應(yīng)的解決措施。鐘東雄[2]結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行黃土連拱隧道的關(guān)鍵施工力學(xué)問(wèn)題的研究，正洞上下臺(tái)階法與側(cè)壁導(dǎo)洞法施工方案比較研究；先左洞(靠山一側(cè))施工方案和先右洞施工方案的對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于偏壓黃土連拱隧道應(yīng)采用先開挖靠山一側(cè)的側(cè)壁導(dǎo)洞法進(jìn)行施工。羅洪成等[3]通過(guò)建立大斷面隧道三維施工開挖模型，采用三維有限元模擬隧道開挖施工，分析大斷面隧道開挖過(guò)程中單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各自的施工工況，以及在施工過(guò)程中分別引起的地表沉降。最后發(fā)現(xiàn)2種方法引起的地表沉降數(shù)值相差不大，但考慮到單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序少，施工成本較低，所以優(yōu)先選擇單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

借鑒鄧洪亮等[4]淺埋隧道圍巖位移及應(yīng)力變化規(guī)律研究，段寶福等[5]隧道穿越富水破碎帶施工工藝與數(shù)值分析，任建喜等[6]軟巖隧道圍巖變形規(guī)律及支護(hù)技術(shù)模擬分析，本文依托武深高速嘉通段TJ-5標(biāo)段內(nèi)南山隧道，針對(duì)進(jìn)口段的殘坡積軟弱圍巖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，提出“三臺(tái)階七步開挖法”，增設(shè)雙層鎖腳錨桿及臨時(shí)仰拱保證施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性，為山嶺隧道進(jìn)口段施工提出了一種新的思路。

1 工程概況

南山隧道為一座上、下行分離的四車道高速公路長(zhǎng)隧道。隧道左線起訖樁號(hào)ZK61+205-ZK62+970.732，長(zhǎng)1 765.732 m，縱坡為+2.26%、+1.728%的單向上坡，最大埋深210 m；隧道右線起訖樁號(hào)YK61+210-YK62+975，長(zhǎng)1 765 m，縱坡為+2.25%、+1.77%的單向上坡，最大埋深214 m。隧道左、右線凈距25 m，其中左線進(jìn)口位于直線上，接Rr為4 000 m圓曲線，出口位于Rr為4 000 m圓曲線；右線進(jìn)口位于直線上，接Rr為4 000 m圓曲線，出口位于Rr為4 000 m圓曲線。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、地調(diào)及鉆孔揭示，隧道區(qū)地層由上而下依次為：第四系殘積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土(Qel+dl)；下伏基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)白云巖及五里牌組(∈1w)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)粉砂巖。

隧道右線進(jìn)口段20 m范圍內(nèi)近北向斜坡下部靠近坡腳地帶，地形較緩，自然地面坡度20°～25°，坡體物質(zhì)主要由殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土及強(qiáng)風(fēng)化白云巖構(gòu)造，圍巖破碎，為V級(jí)圍巖，埋深為5～30 m，為超淺埋段。

2 方案比選

隧道進(jìn)口段圍巖主要由殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土及強(qiáng)風(fēng)化白云巖構(gòu)成，圍巖破碎、等級(jí)為V級(jí)。初期支護(hù)的參數(shù)：采用18工字型鋼，縱向間距為0.5 m；采用直徑為42 mm的超前小導(dǎo)管注漿，長(zhǎng)度為3.5 m，環(huán)形間距為0.4 m，縱向間距為0.5 m，梅花型布置；采用雙層直徑8 mm，間距為20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)片，并噴射26 cm厚的C20混凝土，拱架落底處鎖腳錨管采用直徑42 mm鋼管，長(zhǎng)度為3 m。

隧道開挖斷面為12.26 m(寬)×10.4 m(高)。進(jìn)口段開挖工法可以采用CD法或三臺(tái)階七步開挖法，將2種方案進(jìn)行比選，在保證質(zhì)量、安全、進(jìn)度的前提下選擇最優(yōu)的方案。

2.1 施工工藝流程

隧道開挖CD法、三臺(tái)階七步開挖法工藝流程圖見圖1、圖2。

圖1 CD法施工工藝流程圖

圖2 三臺(tái)階七步開挖工藝流程圖

2.2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

采用有限元法對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算區(qū)域的左右邊界應(yīng)在離相鄰側(cè)隧道毛洞壁面的距離達(dá)3～5倍(36.78～61.30 m)以上毛洞跨度的位置設(shè)置，下部邊界距離隧道毛洞底面的距離應(yīng)為隧道毛洞高度的3～5倍以上，上部邊界宜取至地表。

模型采用實(shí)體單元建模，圍巖土體采用摩爾-庫(kù)侖模型；初期支護(hù)采用2D板單元模擬，采用彈性本構(gòu)。模擬使用的模型尺寸為考慮隧道埋深為20 m，模型大小長(zhǎng)為40 m、寬為80 m、高為70 m，超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)的效果采用提高加固圈物理參數(shù)的辦法來(lái)模擬其作用效果，初期支護(hù)采用2D板單元模擬，初期支護(hù)鋼拱架的作用采用等效方法計(jì)算，即將鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土。位移邊界條件為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midas建立三維模型并劃分網(wǎng)格，三維計(jì)算模型圖見圖3。

圖3 三維計(jì)算模型圖

根據(jù)勘察報(bào)告隧道各類圍巖物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 工法比選

CD法開挖施工引起的地層豎向位移及水平位移圖見圖4。

圖4 CD法施工位移云圖(單位：m)

圖4分析結(jié)果顯示，CD法施工隧道拱頂沉降最大值為9.55 mm，小于控制值(10.42 mm)；隧道水平收斂最大值為2.3 mm，小于控制值26.04 mm。CD法開挖施工圍巖應(yīng)力分布圖見圖5。

圖5 CD法施工應(yīng)力云圖(單位：kPa)

從圖5主應(yīng)力云圖可以看出，CD法施工產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為0.09 MPa，最大壓應(yīng)力為2.2 MPa。隧道圍巖應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)，巖體不會(huì)發(fā)生拉壓破壞。

三臺(tái)階七步開挖法施工引起的地層豎向位移及水平位移圖見圖6。

圖6 三臺(tái)階七步開挖法施工位移云圖(單位：m)

根據(jù)圖6三維數(shù)值分析結(jié)果，三臺(tái)階七步開挖法施工隧道拱頂沉降最大值為8.11 mm，小于控制值(10.42 mm)；隧道水平收斂最大值約3.37 mm，小于控制值26.04 mm。

三臺(tái)階七步開挖法施工圍巖主應(yīng)力分布圖見圖7。

圖7 三臺(tái)階七步開挖法施工應(yīng)力云圖(單位：kPa)

從圖7主應(yīng)力云圖可以看出，三臺(tái)階七步開挖法施工產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為0.01 MPa，最大壓應(yīng)力為2.1 MPa。隧道圍巖應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)，巖體不會(huì)產(chǎn)生拉壓破壞。

CD法與三臺(tái)階七步開挖法施工拱頂沉降與凈空收斂計(jì)算值見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果 mm

由表2可見，優(yōu)化后的三臺(tái)階七步開挖法拱頂沉降比CD法大，水平收斂比CD法小，但位移均在規(guī)范限值內(nèi)。綜合CD法與三臺(tái)階七步開挖法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，改用三臺(tái)階七步開挖法施工。

3 工程應(yīng)用效果分析

基于理論分析，針對(duì)進(jìn)口段的殘坡積破碎圍巖提出了“三臺(tái)階七步開挖法”，即將開挖面分成上、中、下3個(gè)臺(tái)階，在每個(gè)臺(tái)階上預(yù)留核心土，核心土長(zhǎng)度為3 m、寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2，各臺(tái)階預(yù)留核心土開挖每循環(huán)進(jìn)尺宜與其他分部循環(huán)進(jìn)尺相一致。中、下臺(tái)階左、右側(cè)開挖應(yīng)錯(cuò)開3～5 m，同一榀鋼架兩側(cè)不得同時(shí)懸空。每個(gè)臺(tái)階開挖之后工字鋼落底處需打設(shè)雙層鎖腳錨管，在上臺(tái)階和中臺(tái)階施做臨時(shí)仰拱，保證隧道在開挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定。

為了驗(yàn)證實(shí)際施工過(guò)程中優(yōu)化的三臺(tái)階七步開挖法施工效果，選取淺埋洞口段區(qū)域YK61+230、YK210+240 2個(gè)斷面的拱頂沉降位移、水平位移收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證，2處斷面的變形數(shù)據(jù)見表3～表6。

表3 YK61+230處隧道拱頂變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表4 YK61+240處隧道拱頂變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表5 YK61+230處隧道水平變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表6 YK61+240處隧道水平變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由表3～6監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，2個(gè)斷面的拱頂沉降最終位移值均未超出本工程設(shè)定圍巖變形的累計(jì)預(yù)警值，水平收斂最終位移通過(guò)后續(xù)施做的臨時(shí)仰拱和雙層鎖腳錨管得到了控制，滿足了掌子面開挖要求。

此外，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算得到的數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致，表明了優(yōu)化的“三臺(tái)階七步開挖法”符合工程應(yīng)用要求，具有較強(qiáng)的可操作性與一定的實(shí)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道進(jìn)口段原設(shè)計(jì)開挖采用CD法，鑒于CD法分部較多，工序繁雜、開挖面小、臨時(shí)支撐耗費(fèi)材料較多且施工進(jìn)度較慢等缺點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了CD法與三臺(tái)階七步開挖法在該工程中的適用性，最終選擇采用三臺(tái)階七步開挖法施工。在實(shí)際施工過(guò)程中，針對(duì)圍巖穩(wěn)定性，優(yōu)化了“三臺(tái)階七步開挖法”，提出施做雙層錨管及臨時(shí)仰拱等輔助工法，保證了隧道進(jìn)洞時(shí)的穩(wěn)定。