軟弱圍巖淺埋洞口段施工關鍵技術研究

堯建敏 胡江煥 冉路堯

(中交第二航務工程局有限公司 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，圍巖應力及支護受力情況復雜，因此選擇合理的開挖方法是保證隧道洞口穩定性的必要前提。對于當今國內外長大公路隧道洞口的施工方法，盡管開挖方法多種多樣，但對于隧道洞口段的軟弱巖土層，均需經過適當的地層預加固處理，并采用雙側壁導洞法、CD法或CRD法、臺階法、弧形導洞超前法或組合方法開挖。其出發點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構，再開挖核心部和仰拱。

肖伯強等[1]針對大跨度隧道施工過程中，由于跨度較大而引起較多的不利因素導致施工進展困難，應用有限元法對長大隧道的完整開挖過程進行了動態模擬研究，模擬開挖采用能保證施工安全的雙側壁導坑法對圍巖的位移、初期支護的剪力、彎矩及錨桿軸力動態變化進行監控，提出長大隧道施工中容易出現的問題及相應的解決措施。鐘東雄[2]結合工程實際，進行黃土連拱隧道的關鍵施工力學問題的研究，正洞上下臺階法與側壁導洞法施工方案比較研究；先左洞(靠山一側)施工方案和先右洞施工方案的對比。計算結果表明對于偏壓黃土連拱隧道應采用先開挖靠山一側的側壁導洞法進行施工。羅洪成等[3]通過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程中單側壁導坑法和雙側壁導坑法各自的施工工況，以及在施工過程中分別引起的地表沉降。最后發現2種方法引起的地表沉降數值相差不大，但考慮到單側壁導坑法施工工序少，施工成本較低，所以優先選擇單側壁導坑法施工。

借鑒鄧洪亮等[4]淺埋隧道圍巖位移及應力變化規律研究，段寶福等[5]隧道穿越富水破碎帶施工工藝與數值分析，任建喜等[6]軟巖隧道圍巖變形規律及支護技術模擬分析，本文依托武深高速嘉通段TJ-5標段內南山隧道，針對進口段的殘坡積軟弱圍巖，結合現場實際監控量測數據，提出“三臺階七步開挖法”，增設雙層鎖腳錨桿及臨時仰拱保證施工過程中圍巖的穩定性，為山嶺隧道進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隧道。隧道左線起訖樁號ZK61+205-ZK62+970.732，長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YK61+210-YK62+975，長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。

根據區域地質、地調及鉆孔揭示，隧道區地層由上而下依次為：第四系殘積含碎石粉質黏土、碎石土(Qel+dl)；下伏基巖為寒武系下統清虛洞組(∈1q)白云巖及五里牌組(∈1w)粉砂巖、粉砂質頁巖、鈣質頁巖、炭質頁巖、炭質粉砂巖。

隧道右線進口段20 m范圍內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°，坡體物質主要由殘坡積含碎石粉質黏土、碎石土及強風化白云巖構造，圍巖破碎，為V級圍巖，埋深為5～30 m，為超淺埋段。

2 方案比選

隧道進口段圍巖主要由殘坡積含碎石粉質黏土、碎石土及強風化白云巖構成，圍巖破碎、等級為V級。初期支護的參數：采用18工字型鋼，縱向間距為0.5 m；采用直徑為42 mm的超前小導管注漿，長度為3.5 m，環形間距為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，長度為3 m。

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

2.1 施工工藝流程

隧道開挖CD法、三臺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 三臺階七步開挖工藝流程圖

2.2 計算模型及計算參數

采用有限元法對隧道支護結構進行計算時，計算區域的左右邊界應在離相鄰側隧道毛洞壁面的距離達3～5倍(36.78～61.30 m)以上毛洞跨度的位置設置，下部邊界距離隧道毛洞底面的距離應為隧道毛洞高度的3～5倍以上，上部邊界宜取至地表。

模型采用實體單元建模，圍巖土體采用摩爾-庫侖模型；初期支護采用2D板單元模擬，采用彈性本構。模擬使用的模型尺寸為考慮隧道埋深為20 m，模型大小長為40 m、寬為80 m、高為70 m，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，初期支護采用2D板單元模擬，初期支護鋼拱架的作用采用等效方法計算，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格，三維計算模型圖見圖3。

圖3 三維計算模型圖

根據勘察報告隧道各類圍巖物理力學指標見表1。

表1 圍巖物理力學指標

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法開挖施工圍巖應力分布圖見圖5。

圖5 CD法施工應力云圖(單位：kPa)

從圖5主應力云圖可以看出，CD法施工產生的最大拉應力為0.09 MPa，最大壓應力為2.2 MPa。隧道圍巖應力均在安全范圍內，巖體不會發生拉壓破壞。

三臺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 三臺階七步開挖法施工位移云圖(單位：m)

根據圖6三維數值分析結果，三臺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。

三臺階七步開挖法施工圍巖主應力分布圖見圖7。

圖7 三臺階七步開挖法施工應力云圖(單位：kPa)

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

CD法與三臺階七步開挖法施工拱頂沉降與凈空收斂計算值見表2。

表2 計算結果 mm

由表2可見，優化后的三臺階七步開挖法拱頂沉降比CD法大，水平收斂比CD法小，但位移均在規范限值內。綜合CD法與三臺階七步開挖法的優缺點對比，改用三臺階七步開挖法施工。

3 工程應用效果分析

基于理論分析，針對進口段的殘坡積破碎圍巖提出了“三臺階七步開挖法”，即將開挖面分成上、中、下3個臺階，在每個臺階上預留核心土，核心土長度為3 m、寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2，各臺階預留核心土開挖每循環進尺宜與其他分部循環進尺相一致。中、下臺階左、右側開挖應錯開3～5 m，同一榀鋼架兩側不得同時懸空。每個臺階開挖之后工字鋼落底處需打設雙層鎖腳錨管，在上臺階和中臺階施做臨時仰拱，保證隧道在開挖過程中圍巖的穩定。

為了驗證實際施工過程中優化的三臺階七步開挖法施工效果，選取淺埋洞口段區域YK61+230、YK210+240 2個斷面的拱頂沉降位移、水平位移收斂監測數據進一步驗證，2處斷面的變形數據見表3～表6。

表3 YK61+230處隧道拱頂變形監測數據

表4 YK61+240處隧道拱頂變形監測數據

表5 YK61+230處隧道水平變形監測數據

表6 YK61+240處隧道水平變形監測數據

由表3～6監控量測數據可知，2個斷面的拱頂沉降最終位移值均未超出本工程設定圍巖變形的累計預警值，水平收斂最終位移通過后續施做的臨時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，實際監測數據與數值模擬計算得到的數據所表現出的規律基本一致，表明了優化的“三臺階七步開挖法”符合工程應用要求，具有較強的可操作性與一定的實用性。

4 結語

隧道進口段原設計開挖采用CD法，鑒于CD法分部較多，工序繁雜、開挖面小、臨時支撐耗費材料較多且施工進度較慢等缺點，通過數值模擬對比分析了CD法與三臺階七步開挖法在該工程中的適用性，最終選擇采用三臺階七步開挖法施工。在實際施工過程中，針對圍巖穩定性，優化了“三臺階七步開挖法”，提出施做雙層錨管及臨時仰拱等輔助工法，保證了隧道進洞時的穩定。