黃土隧道洞口穩定性及預加固關鍵技術

胡哲釧， 梅志遠， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

由于甘肅平涼地區隧道洞口段圍巖物理力學特性以及地質條件較差，開挖邊仰坡將破壞坡體原有平衡，因此采用合理的工法及防護方式，對甘肅平涼地區隧道施工和運營安全起著至關重要的作用，所以加強隧道洞口段的設計與施工是目前隧道設計與施工中的一個重要問題[1]。目前對于黃土隧道洞口處施工采取的預加固方式主要有管棚法、超前小導管法、地表注漿、超前錨桿等方法，本文主要通過室內試驗研究管棚法、超前小導管法在黃土隧道洞口段施工時的加固效果。

1 隧道洞口預加固方法

1.1 管棚法

管棚法是在隧道開挖前，沿著隧道開挖輪廓面，以一定角度鉆孔插入或直接插入注漿鋼管，通過鋼管向地層注漿來提高周圍的巖石強度，而后清除管內的殘余漿液并填充水泥砂漿，形成由管棚和圍巖構成的棚架體系[2]。洞室開挖后，及時在掌子面后方施作鋼拱架，從而使管棚、注漿體與鋼拱架形成強有力的超前支護體系，以提高圍巖的自穩能力，防止圍巖的坍塌、松弛和下沉等。管棚的特點是：支護能力強，并且多應用在不良地層、淺埋隧道或地面有重要建筑物的地段。其缺點是：施工速度緩慢、縱向搭接第2排管棚難度大[3]。管棚支護示意圖如圖1所示。

圖1 管棚超前支護示意

1.2 超前小導管

其作用類似于管棚。小導管注漿其支護效果主要表現為4個方面[4]：

(1)承載和應力傳遞的作用，小導管一端與支護結構相連，另一端置于掌子面前方的巖體中，起到了梁的效果，其與周邊巖土體形成承載拱，承載上部巖體重量的同時，還將變形壓力傳遞給支護結構和掌子面前方的土體。

(2)形成橫向微拱，并與周邊巖體形成拱群，與支護結構共同抵抗上部圍巖變形。

(3)促使未支護段圍巖縱向平衡拱的形成和穩定。

(4)通過注漿，加固地層提高參數。

小導管經常被用于洞口有崩塌危險的地段，以防止拱頂圍巖的松弛與崩落。但是它的施工時間長，對開挖循環影響較大。另外鋼管下方的圍巖很容易崩塌，導致超挖過大，但是為了減少隧道施工時的超挖量，可以減少小導管打入圍巖的角度，使鋼管從支護構建中通過。

2 洞口段預加固效果室內模型試驗研究

2.1 模型試驗材料模擬及量測儀器

2.1.1 噴射混凝土

噴射混凝土的具體參數按照TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》的規定取值。模擬材料用比例為水∶石膏=1∶1.15的石膏材料進行模擬。該試驗模擬的不是極限破壞狀態，而是常規施工狀態，所以彈性模量E對試驗結果起決定性作用，因此在單軸抗壓強度與彈性模量E不能同時滿足試驗要求的條件下，應該首先考慮滿足彈性模量的要求(表1)。

表1 噴射混凝土相似材料力學性質

2.1.2 錨桿

該試驗中錨桿用直徑為φ2 mm的竹條進行模擬，竹條使用環氧樹脂作為膠結劑并沿桿長方向粘貼一層石英砂，直接安裝到設計位置，錨桿的橫縱向間距取約10 cm，縱向加固范圍為距洞口70 cm范圍內，橫向加固范圍為整個橫截面，錨桿打設到隧道拱頂上方位置。竹條的彈性模量取值按試驗數據為準，其值取13 GPa，錨桿實物見圖2。

圖2 錨桿

2.1.3 管棚和超前小導管

管棚采用銅管模擬，其外徑、內徑分別為φ6 mm、φ5 mm，長度為1.5 m。管棚施作在拱頂120°的范圍之內，并且在管棚的起始端用石膏模擬套拱，見圖3。小導管采用銅桿模擬，其直徑為3 mm，長度為30 cm。試驗所用銅質材料的彈性模量E為120 GPa左右，管棚及小導管實物見圖3。

圖3 預加固材料

2.1.4 量測儀器

采用靜態電阻應變儀測量應變值，然后轉換成所需的位移、應力及土壓力等數據，所采用的儀器如圖4(a)所示。

2.1.5 洞室周邊徑向位移

試驗使用高精度YHD型位移傳感器對位移進行量測。并且在隧道周邊關鍵位置處布置需要監測的點，如拱頂、拱肩、拱腳、仰拱等。如圖4(b)所示。

2.1.6 圍巖壓力

試驗使用BY-3型土壓力盒對土壓力進行量測。在洞室周邊關鍵位置處布設監測點，如拱頂、拱肩、拱腳、仰拱等位置。如圖4(c)所示。

2.1.7 地中及地表位移

試驗使用高精度YHD型位移傳感器對拱頂上方及地表關鍵位置的位移進行量測。地中位移計及其布置如圖4(d)所示。

圖4 量測儀器

2.1.8 錨桿軸力

在每根錨桿桿體布設1～3個電阻應變片(規格1 mm×1 mm)，測出錨桿的應變值，然后通過計算獲得錨桿各段軸力值。計算公式見式(1)：

(1)

式中：d、E分別為錨桿的直徑和彈性模量，均按實際取值。

2.2 試驗設計

2.2.1 試驗工況

試驗采用甘肅地區隧道Ⅴ級圍巖的力學參數。采用全斷面開挖，開挖進尺為10 cm,試驗模型的幾何相比為10。試驗工況見表2。

表2 試驗工況

2.2.2 測點布置

位移、土壓力測點布置分別如圖5、圖6所示。所有的測點設置在隧道上方同一縱斷面上，離模型邊界大致為15 cm。

圖6 壓力測點布置圖(單位：kPa)

2.2.3 模型試驗步驟

每次試驗分為準備、預埋、開挖3個試驗階段。

(1)準備階段包括：錨桿、管棚等支護構件的準備，然后在錨桿、管棚上設置應變片，并連接導線，然后對各種試驗儀器、儀表等進行檢查。

(2)預埋階段包括：把土壓力盒、管棚、小導管等牢固的安裝到指定的位置，使試驗結果盡可能的準確。

(3)開挖試驗階段：不同工況的開挖步驟大致相同。在模擬開挖過程時，只有在毛洞情況下，拱頂及掌子面上方土體出現剝落，在施加上初支、管棚+初支、雙排小導管+初支等支護措施后，掘進工作面均沒有出現破壞現象。

2.3 室內模型試驗結果及分析

2.3.1 地中位移分析

由圖7可知：因為測點6在開挖范圍中間位置，所以首先利用測點6去分析不同預加固措施拱頂上方圍巖豎向位移的變化規律，未加輔助措施、只有初支作用下、管棚+初支作用下、雙排小導管+初支作用下，隧道開挖至17.5 m時，測點6的沉降量分別為42.0 mm、15.8 mm、6.3 mm、7.7 mm，管棚+初支作用下相對于初支情況減少了60.46%，雙排小導管+初支作用下相對于初支情況減小51.35%。

圖7 地中測點位移隨開挖進尺的變化

通過對圖7分析可得，管棚、雙排小導管能夠很好地控制拱頂上方土體的豎向位移。對縱向測點6與測點3的位移進行比較可知：因為掘進工作面土體可以被看作支撐，并且約束了隧道上部一定范圍內土體的松弛，使其變形量更小，因此測點離掌子面越近，則其在豎直方向上的位移越小；對橫向測點9和測點3的位移進行比較可知：測點的埋深越小，其豎直方向的位移越大，越是靠近加固土體，其豎向位移越小。由此可見，在加固措施的作用下，因為開挖導致隧道周圍土體的變形可以有效地被控制。

2.3.2 地表豎向位移分析

對圖8分析可得：在毛洞及不同預加固措施下，隧道開挖段上方測點7的豎向位移最大，測點1的豎向位移次之，未開挖段上方測點4的豎向位移最小，表明開挖引起了整個上方土體的松弛，越靠近隧道影響越大。

圖8 地表測點豎向位移隨開挖進尺的變化

現在以隧道拱頂上方測點7來分析不同的預加固措施中豎向位移的變化規律。在毛洞情況下、在只有初支工況下、在初支+雙排小導管工況下、在初支+管棚工況下、在初支+地表錨桿工況下，豎向位移分別為20.3 mm、7.2 mm、3.4 mm、2.7 mm、3.2 mm，在有輔助措施條件下相對初支減少了44.62%、 62.38%、55.38%。說明管棚及雙排小導管這2種固措施能與圍巖土體形成有效的地層平衡拱，減少了圍巖上部土體的松弛。

2.3.3 圍巖豎向壓力分析

通過對圖9的分析得：在工作面不斷的開挖過程中，隧道拱頂上方的豎向壓力顯著減小，這是由于開挖能造成隧道上方圍巖土體出現松動。現在以拱頂上方測點3進行分析，結果表明：隧道開挖穩定之后，在毛洞工況下、在初支單獨作用下、在初支+雙排小導管支護下、在初支+管棚支護下，壓力最終變化量分別為-200.06 kPa、-128.06 kPa、54.05 kPa、-44.01 kPa，有預加固措施的壓力相對于在只有初支的作用下減小了57.79%、65.63%。

圖9 圍巖豎向壓力隨開挖進尺的變化

對管棚與雙排小導管2種措施進行分析。結果表明：豎直方向上的壓力變化量相對較大的是縱向上的測點4與測點5，結果說明管棚和雙排小導管起到了很好的梁效應作用。管棚作用下的測點4和測點5的壓力的變化量比雙排小導管更大，由此可知管棚的梁效應要比小導管的明顯，這是因為小導管的長度更短，搭接相同長度的次數更多，并且由于剛度小的原因造成了壓力在傳遞過程中出現一定的損散。在橫向上對測點3與測點8進行分析可知，相較于雙排小導管，管棚支護控制豎向壓力的松弛要差一些，由此可見管棚在橫向上形成的平衡拱效應要稍弱于雙排小導管。

綜上所述,為了有效地控制地層中圍巖壓力的松弛，管棚、雙排小導管都是很好的支護措施，因為預加固措施能有效的控制隧道拱頂上方豎向壓力的松弛現象。

3 結論

本文主要是利用室內試驗模擬的方法，對隧道洞口段的幾種預加固措施的支護效果進行了研究。通過對地表、地中位移與地中土壓力的監控數據的分析對各預加固措施的效果進行評價。主要結論有：

(1)對只有初支作用下、管棚+初支作用下及雙排小導管+初支作用下的各工法的位移進行了分析。結果表明：管棚+初支作用下的豎向位移相對于初支情況減少了60.46%，雙排小導管+初支作用下的豎向位移相對于初支情況減小51.35%。另外，測點的埋深越小，其豎直方向的位移越大，越是靠近加固土體，其豎向位移越小。由此可見，在加固措施的作用下，因為開挖導致隧道周圍土體的變形可以被有效的被控制。

(2)對管棚與雙排小導管2種措施進行分析。結果表明：豎直方向上的壓力變化量相對較大的是縱向上的測點4與測點5，結果說明管棚和雙排小導管起到了很好的梁效應作用。管棚作用下的測點4和測點5的壓力比雙排小導管變化量更大，由此可以得出管棚的梁效應要比小導管的明顯，這是因為小導管的長度更短，搭接相同長度的次數更多，并且由于剛度小的原因造成了壓力在傳遞過程中出現一定的損散。

(3)為了有效地控制地層中圍巖壓力的松弛，管棚、雙排小導管都是很好的預加固措施，因為這些預加固措施能夠有效的控制隧道拱頂上方豎向壓力的松弛。