軟弱圍巖淺埋大斷面隧道施工工法與變形控制技術(shù)分析

摘 要：【目的】軟弱圍巖淺埋大斷面隧道施工會增大周圍環(huán)境的變形風(fēng)險，尋求有效的軟弱圍巖大斷面隧道施工開挖技術(shù)具有重要的工程實(shí)踐意義。【方法】采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的手段，分析軟弱圍巖淺埋大斷面隧道施工工法與變形控制技術(shù)。【結(jié)果】結(jié)果表明，三臺臨時仰拱法能較好地控制軟弱圍巖淺埋大斷面隧道的變形，采用該工法時隧道中心處的地表沉降值、拱頂沉降及開挖底部最大隆起值均能滿足施工規(guī)范要求，且相應(yīng)的數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測具有相似的變化規(guī)律。【結(jié)論】研究成果可為今后類似隧道工程設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；淺埋大斷面隧道；三臺階臨時仰拱法；變形控制技術(shù)；數(shù)值模擬

中圖分類號：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0048-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.010

Analysis on Construction Method and Deformation Control Technology of Shallow Buried Large Section Tunnel with Weak Surrounding Rock

LIU Jiacheng

（School of Civil Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， China）

Abstract： [Purposes] It is of great practical significance to find effective construction and excavation technology of large section tunnel with weak surrounding rock due to the increasing of the deformation risk of the surrounding environment caused by the construction of that. [Methods] The construction method and deformation control technology of shallow buried large section tunnel with weak surrounding rock are analyzed by means of numerical simulation and field monitoring. [Findings] The results show that the three-step temporary invert methobe3c0c24e2b87c4f47bd2d874728da60d14d0c76604f8e0ddf693d6a6e4dedabd can control the deformation of shallow buried large section tunnel in weak surrounding rock. The surface settlement value， vault settlement and maximum uplift value of excavation bottom at the center of tunnel can meet the requirements of construction specifications when using this method， and the corresponding numerical simulation and field detection have similar variation rules.[Conclusions] The research results can provide technical support for design and construction of similar tunnel engineering in the future.

Keywords： weak surrounding rock; shallow buried large section tunnel; three-step temporary invert method; deformation control technology; numerical simulation

0 引言

大斷面隧道作為現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其建設(shè)規(guī)模和數(shù)量都在不斷增加［1］。至今，已形成了“復(fù)雜地質(zhì)、大直徑、高水壓、長距離”的隧道建設(shè)理念，但在處理巖層漏水、破碎等問題時，仍會遇到不少難點(diǎn)，尤其是軟弱圍巖大斷面隧道［2-3］。因此，尋求合理有效的軟弱圍巖大斷面隧道施工開挖技術(shù)是目前隧道工程亟須解決的問題。

大斷面隧道施工方法和小斷面隧道有所區(qū)別，特別是在復(fù)雜條件下的施工方法，不僅影響隧道安全施工，還涉及如何保證施工速度的問題［4］。當(dāng)前大斷面隧道的施工方法，主要有全斷面法、臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法和CRD法等［5］，而針對軟弱破碎圍巖（Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ級）地段的超大斷面隧道施工設(shè)計(jì)，常采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑、CRD、CD法及三臺階法作為初期和臨時支護(hù)的施工方法［6］。例如，崔小鵬等［7］綜合分析了CRD法和三臺階七步法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對相應(yīng)的施工工法進(jìn)行優(yōu)化改造，提出了核心土加臨時仰拱臺階法；李波等［8］以拱北隧道為例，制定了適合超大斷面的五臺階15分部、五臺階14分部和四臺階8分部等3種開挖工序，提出了與之相匹配的設(shè)計(jì)參數(shù)，并最終確定了五臺階14分部的開挖方案為最佳方案。此外，不少學(xué)者借助數(shù)值分析手段評估了隧道施工過程中的力學(xué)行為、穩(wěn)定性及施工風(fēng)險。例如，石熊等［9］模擬了CRD法的施工順序，將數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)行了對比分析，提出了“優(yōu)先施工山體外側(cè)，后施工山體內(nèi)側(cè)”的方案，確保了隧道施工過程的安全穩(wěn)定性；蔣坤等［10］利用離散元數(shù)值軟件分析了CRD法、CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)CRD法可以縮短工期，降低成本，增強(qiáng)隧道安全穩(wěn)定性。盡管對大斷面隧道施工過程方面的研究取得了豐富的成果，但對于軟弱破碎圍巖超大斷面隧道施工的研究仍不充分，考慮地質(zhì)條件的不確定性以及有效預(yù)測和防控隧道施工過程中的變形仍是隧道工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

基于此，本研究通過數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場工程驗(yàn)證相結(jié)合的手段，探討復(fù)雜環(huán)境大斷面隧道三臺階臨時仰拱法與變形控制技術(shù)，研究成果可為地質(zhì)條件復(fù)雜、施工技術(shù)難度大、環(huán)境保護(hù)要求高及安全管理風(fēng)險大的大斷面隧道工程施工提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

武廣高速金沙洲隧道進(jìn)口至斜井段，地形地貌主要是剝蝕殘丘、沖積平原地貌單元及剝蝕殘丘陵地貌單元。山頂最大標(biāo)高67.626 m，相對高程67.626～1.303 m。場區(qū)處于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)。武廣高速金沙洲隧道DK2193+340～DK2193+510段共穿越兩個水塘，平面位置如圖1所示，其中DK2193+337～DK2193+398段魚塘將水排盡， DK2193+400～DK2193+448魚塘基本未排水，其中DK2193+440附近埋深僅為3.56 m，淤泥層厚度為1 m，隧道在此處屬于淺埋段。隨后，經(jīng)歷豬圈位置，基礎(chǔ)為回填土，此處拱頂埋深為10 m。DK2193+500以后，隧道穿越一座小山。

金沙洲隧道DK2194+560～DK2194+835區(qū)段地質(zhì)條件處在古生界及新生界巖性地層的區(qū)域內(nèi)，場區(qū)的巖土層按其成因主要有第四系人工填土層（Q4ml）、全新統(tǒng)沖積相沉積層（Q4al ）、殘積層（Q4el）、石炭系下統(tǒng)（C1）及泥盆系上統(tǒng)（D3）。隧道穿越巖層主要為灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖及強(qiáng)風(fēng)化巖層，巖體破碎程度高，遇水會軟化崩解，屬于V級圍巖，其斷面形式如圖2所示，隧道寬度超過10 m，初期支護(hù)28 cm，邊墻和仰拱二次襯砌分別為50 cm和60 cm，以0.8 m×1.0 m（環(huán)×縱）形式布置長度4.0 m的錨桿，全環(huán)架設(shè)Ⅰ20型鋼臨時仰拱鋼架。由于隧道在此處穿越水塘，屬于富水軟弱圍巖地層，隧道開挖過程中圍巖極易坍塌，施工風(fēng)險較大。

2 施工方案及工法

2.1 施工方案

2.1.1 圍堰抽水。DK2193+340～DK2193+510經(jīng)過兩個魚塘，經(jīng)過排水后回填土平整，以避免隧道頂?shù)孛娲嬖谶^多積水。原計(jì)劃在隧道掘進(jìn)魚塘范圍前，修筑土壩，抽干堰內(nèi)塘水，局部回填黏土，再在地表施工加固措施，但考慮現(xiàn)場工程條件復(fù)雜，僅進(jìn)行了部分圍堰抽水。

2.1.2 地面加固。地面采用袖閥管進(jìn)行注漿加固，注漿孔呈梅花形布置，排距1.5 m，注漿平面和立面位置如圖3和圖4所示。注漿底部進(jìn)入風(fēng)化巖（D3）或隔離層，采用純水泥漿液。含水量較大的地層采用水泥+水玻璃漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。注漿完成后，鉆孔取樣檢測，發(fā)現(xiàn)其滲透系數(shù)和土的力學(xué)指標(biāo)有所改善。

2.2 施工工法

2.2.1 超前預(yù)報。施工采取掌子面地質(zhì)素描法、物探法（TSP、地質(zhì)雷達(dá)）及鉆探法（超前深孔鉆探、炮眼孔加深鉆探）等綜合方法，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報。通過地質(zhì)描述法分析前方地質(zhì)構(gòu)造的變化，并通過物探法預(yù)報前方不良地質(zhì)，以不斷提高預(yù)測預(yù)報的水平。

2.2.2 開挖工法。隧道開挖掘進(jìn)采用三臺階法臨時仰拱封閉法施工，其橫斷面如圖5所示。通過土層軟弱地段時，上臺開挖預(yù)留核心土，上臺開挖支護(hù)加密超前小導(dǎo)管間距及搭接。小導(dǎo)管間距為35 cm，每進(jìn)尺1.5 m（即兩榀格柵鋼架距離）施工3.5 m小導(dǎo)管，搭接2 m。小導(dǎo)管注漿壓力為0.8～1.0 MPa。

2.2.3 監(jiān)控量測。隨時關(guān)注隧道穿越魚塘施工的監(jiān)測數(shù)據(jù)，加強(qiáng)洞內(nèi)外觀察，并進(jìn)行掌子面地質(zhì)描述，對圍巖變形及支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，及時反饋檢測信息，確保工程安全。

3 有限元驗(yàn)證分析

3.1 數(shù)值模型

選用Midas GTS/NX軟件，基于巖土材料中的摩爾-庫倫本構(gòu)模型建立軟弱圍巖淺埋大斷面隧道開挖下穿魚塘的數(shù)值計(jì)算模型。以DK2193+440斷面作為穿越水庫的數(shù)值分析斷面，以消除邊界效應(yīng)為原則，上表面取至地表面，下邊界及左右邊界均取5倍以上洞徑。地質(zhì)條件方面僅考慮粉質(zhì)黏土和粉砂巖兩種地層分布，粉質(zhì)黏土覆蓋層5.0 m左右，向下全部為粉砂巖，二維有限元模型如圖6所示。

數(shù)值分析計(jì)算的邊界條件按如下考慮：①應(yīng)力邊界，模型兩側(cè)和底部為法向約束，頂部為自由邊界，初始應(yīng)力場取自重應(yīng)力場；②由于采用注漿加固方案，該模型不考慮滲流。

本研究計(jì)算時針對粉質(zhì)黏土和粉砂巖采用摩爾-庫倫模型進(jìn)行模擬，臨時仰拱、初期支護(hù)噴射混凝土和二襯模注混凝土按彈性計(jì)算，圍巖和結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

三臺階臨時仰拱封閉法施工工序?yàn)槌跏紙龅貞?yīng)力分析（工況1）—地表注漿（工況2）—上臺階開挖（工況3）—上臺階初期支護(hù)（工況4）—中臺階開挖（工況5）—中臺階初期支護(hù)（工況6）—下臺階開挖（工況7）—下臺階支護(hù)（清底、施做仰拱和回填）（工況8）—澆筑二襯（工況9）。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 地層豎向位移。經(jīng)過計(jì)算，獲得施工各階段地層豎向位移值，如圖7所示，各施工階段下隧道中心地表沉降變化曲線如圖8所示。由圖可知，地層豎向位移變化趨勢如下。

①雖然DK2193+440斷面緊鄰魚塘，但在開挖各階段，開挖斷面附近圍巖地層豎向位移基本呈對稱分布。由于拱頂覆土層較淺，從上臺階開挖至下臺階過程中，隧道頂部位移下沉，底部位移隆起，地表沉降最大值發(fā)生在隧道拱頂偏右位置，這是因?yàn)樗淼理敳坑覀?cè)地形偏高，土體自重較大。地表隆起最大值發(fā)生在隧道仰拱中心位置，當(dāng)施工完二襯后，地表隆起最大值逐步向仰拱右側(cè)發(fā)展，這是因?yàn)槎r施工后，隧道中間仰拱回填導(dǎo)致隧道中心位置發(fā)生下沉位移，引起最大隆起位移右移。

②上臺階開挖后，隧道中心處地表沉降值為6.029 mm，拱頂沉降值為8.622 mm，開挖底部最大隆起值為5.046 mm；中臺階開挖后，隧道中心處地表沉降值為7.957 mm，拱頂沉降值為11.364 mm，開挖底部最大隆起值為12.698 mm；下臺階開挖后，隧道中心處地表沉降值為10.185 mm，拱頂沉降值為14.278 mm，開挖底部最大隆起值為23.546 mm；最終（二襯施工完畢后），隧道中心處地表沉降值為12.659 mm，拱頂沉降值為16.846 mm，開挖底部最大隆起值為19.292 mm。由此可見，隨著掌子面的掘進(jìn)，地層不斷持續(xù)變形， 豎向位移值也逐漸變大，但隨著仰拱施工、回填及二襯澆筑完畢，開挖邊界附近的圍巖變形基本穩(wěn)定。

3.2.2 隧道豎向位移。經(jīng)過計(jì)算，提取隧道拱頂位置和仰拱中心位置豎向變形曲線，如圖9所示。

從圖中可以看出：①由于拱頂覆土層較淺，從上臺階開挖至下臺階過程中，隧道頂部位移下沉，底部位移隆起，隧道頂部沉降最大值發(fā)生在隧道拱頂偏右位置，這是因?yàn)樗淼理敳坑覀?cè)地勢偏高，土體自重較大。在仰拱施工前，隧道底部隆起最大值發(fā)生在隧道底部中心位置，當(dāng)仰拱施工、回填和二襯后，隧道底部隆起最大值逐步向仰拱右側(cè)發(fā)展，這是因?yàn)槎r施工時，隧道中間仰拱回填荷載增大，導(dǎo)致隧道中心位置發(fā)生下沉位移，引起最大隆起位移右移。②上臺階開挖完成初期支護(hù)后，隧道拱頂最大沉降值為9.305 mm，開挖底部最大隆起值為10.988 mm；中臺階開挖完成初期支護(hù)后，隧道拱頂最大沉降值為11.597 mm，開挖底部最大隆起值為17.875 mm；下臺階開挖完成仰拱及回填后，隧道拱頂最大沉降值為16.917 mm，開挖底部最大隆起值為20.108 mm；最終（二襯施工完畢后），隧道拱頂最大沉降值為16.855 mm，開挖底部最大隆起值為19.360 mm。由此可見，隨著掌子面的掘進(jìn)，隧道拱頂和底部地層不斷持續(xù)變形， 豎向位移值也逐漸變大。其中，拱頂?shù)貙幼畲蟪两底冃螢?4.299 mm，發(fā)生于下臺階支護(hù)階段（工況8），此時開始施工隧道結(jié)構(gòu)，土體開挖變形穩(wěn)定，仰拱中心土體最大隆起值為23.546 mm，發(fā)生于下臺階開挖（工況7），此時土體開挖卸荷最嚴(yán)重，但是在仰拱施工與回填完畢后，開挖邊界附近的圍巖變形基本穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測結(jié)果

在實(shí)際施工各階段中，對DK2193+440緊鄰魚塘斷面的拱頂沉降與隧道中心地表環(huán)境收斂進(jìn)行監(jiān)控量測，其現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。由圖10可知，①在各開挖施工工序階段，斷面附近拱頂沉降和圍巖的收斂情況變化均較正常，該斷面測點(diǎn)的布置是在上臺階開挖初期支護(hù)施工以后，此時拱頂沉降和地表周邊收斂值變化速率較小，開挖中臺階時，拱頂沉降速率及收斂速率變化顯著。結(jié)構(gòu)初期支護(hù)完成以后，圍巖與初期支護(hù)共同變形完成并逐漸趨于平穩(wěn)，下臺階的開挖對拱頂沉降和周邊收斂的影響不大，仰拱施作以后圍巖基本穩(wěn)定。②該斷面的拱頂沉降和地表周邊收斂最大值分別為10.895 mm與9.658 mm，小于安全限定值，意味著采用三臺階臨時仰拱封閉法淺埋穿越軟弱圍巖地層時，隧道及周圍環(huán)境較穩(wěn)定。

4.2 對比分析

將實(shí)際施工各階段中DK2193+440緊鄰魚塘斷面的拱頂沉降與洞內(nèi)收斂的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖11所示。由圖11可知，①對比結(jié)果反映的現(xiàn)場監(jiān)測變形規(guī)律與數(shù)值計(jì)算的變化趨勢基本相同，實(shí)際施工過程中，圍巖在開挖以后一天左右時間內(nèi)出現(xiàn)較大變形，初期支護(hù)完成以后，圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形完成并逐漸趨于平穩(wěn)，這與數(shù)dfa9bfd137ecd0d0ea701fc7ab376028cafc10e790017a38feb8884f8fe8ab1a值計(jì)算結(jié)果一致，意味著數(shù)值計(jì)算結(jié)果合理可靠。②對于拱頂沉降，最大計(jì)算值為14.299 mm，最大監(jiān)測值為10.626 mm，誤差為3.673 mm；對于地表沉降，最大計(jì)算值為13.056 mm，最大監(jiān)測值為9.260 mm，誤差為3.769 mm。這說明拱頂沉降和地表沉降均呈現(xiàn)計(jì)算值大于監(jiān)測值的趨勢，這是因?yàn)橛?jì)算模型較理想化，且在模擬開挖與初期支護(hù)的過程中，未對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，導(dǎo)致隧道開挖面處于無約束狀態(tài)，而實(shí)際現(xiàn)場隧道開挖后會及時封閉。

5 結(jié)論

本研究分析了下穿魚塘軟弱圍巖大斷面隧道的施工技術(shù)，詳細(xì)闡述了施工技術(shù)方案可行性，采用數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了該施工技術(shù)的合理性，主要結(jié)論如下。

①隧道DK2193+350～DK2193500段為淺埋段，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，拱頂易坍頂，施工時采用三臺階法與地表加固結(jié)合措施，以保障施工過程安全穩(wěn)定。

②隨著掌子面的掘進(jìn)，地層不斷持續(xù)變形， 豎向位移值也逐漸變大，但在仰拱施工、回填及二襯澆筑完成后，開挖邊界附近的圍巖變形基本穩(wěn)定。最終，隧道中心處地表沉降為12.659 mm，拱頂沉降為16.846 mm，開挖底部最大隆起值為19.292 mm，滿足安全施工規(guī)范要求。

③隧道變形與地表沉降的數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場監(jiān)測的變化趨勢基本相同，拱頂沉降和地表周邊收斂最大監(jiān)測值分別為10.895 mm與9.658 mm，略小于數(shù)值計(jì)算值，這是由于實(shí)際施工會及時封閉隧道開挖面，而數(shù)值計(jì)算則是偏理想化模型，但研究成果表明三臺階法臨時仰拱封閉法可用于軟弱圍巖大斷面隧道的開挖。

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