不良地質條件下高壓旋噴樁加固隧道洞口段變形分析

中圖分類號：U456. 3⁺ 1文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.027

文章編號：1673-4874（2025）04-0095-04

0 引言

隧道洞口段是隧道的關鍵部位，洞口段的穩定與安全直接關系到整個隧道的施工和運營安全。在不良地質條件下，如軟土層、含水量高的地層以及非均質地質情況，隧道洞口段的穩定性和安全性常常受到嚴重威脅。為了增強隧道洞口段的穩定性，防止變形和坍塌，工程界廣泛采用高壓旋噴樁加固技術，以有效提高地基的承載力和抗變形能力，從而確保隧道的施工安全及長期運營的穩定性[1-3]。邵麗霞[4]通過試驗和理論分析，利用旋噴樁對隧道地基進行治理加固，實踐表明旋噴樁處治效果良好，地基、支護和襯砌結構穩定。范小龍等5采用地面旋噴樁法對隧洞出口處淺埋地段進行了加固處理，并與有限元仿真結果進行了比較，證實了在隧洞進口段采用旋噴法加固隧洞進口段的效果。丁廣煒等6以實際工程為背景，利用水平旋噴樁對隧道洞口段進行加固設計，驗證了加固方案的有效性。崔建文研究采用高壓旋噴樁加固隧道洞口，并進行現場試驗，驗證了高壓旋噴樁對黃土地基水毀處治的有效性。劉罡等8利用一次鉆孔、分段噴漿的旋噴樁對隧道洞口段進行加固處理，并進行離散元數值模擬，結果表明垂直旋噴樁可以提高不良地質條件下隧道洞口段的穩定性及地基承載力。

本文結合某工程實際，利用數值模擬對加固前后的隧道洞口段變形情況進行分析，探討不良地質條件下，高壓旋噴樁加固技術在隧道洞口段變形控制中的應用及其效果，驗證高壓旋噴樁加固技術的有效性和可靠性，以期為隧道工程的設計和施工提供科學依據，為類似工程提供有益的參考和借鑒。

1工程概況及現場監測方案

1. 1 工程概況

本文針對西南地區一處淺埋偏壓、圍巖松軟的隧洞進行研究。隧址區巖性主要為第四紀全新世坡積黏土，以紅黏土為主，多為棕黃、質地堅硬，局部夾有白云石碎塊，土質不均，部分呈膨脹狀態。隧道進、出口段的不良地質區覆蓋層厚度為 2～13m 。該隧道橫斷面凈寬為18. 64m 凈高為14.90m，采用預留核心土臺階法開挖，隧道洞口段擬采用直徑為600mm的高壓旋噴樁預加固，以達到加固地基和改善地質條件的作用。高壓旋噴樁采用梅花形布置，間距為1m，隧道左右兩側加固深度超過隧道底板 1m ，加固寬度為隧道中線左右側各 18m ，隧道開挖部分加固深度超過隧道底板 5m 。待高壓旋噴樁達到設計強度并驗收合格后，再進行隧道洞口開挖，掘進過程中設置監測點，觀測地面和洞頂沉降，獲取現場監測數據。

隧道洞口段橫斷面加固施工示意圖如圖1所示。

圖1 隧道洞口段橫斷面加固施工示意圖

1.2現場監測方案

地表預加固高壓旋噴樁施工完成后，立即在地表布置沉降觀測點。隧道洞口上方地表共設置A、B、C三條測線，分別對應隧道不同斷面。每條測線布置3個監測點，持續觀測28 A測線的監測點為DB-A1、DB-A2、DB-A3;B測線的監測點為DB-B1、DB-B2、DB-B3；C測線的監測點為DB-C1、DB-C2、DB-C3。地表沉降監測點布置如圖2所示。

2 監測結果分析

2.1地表監測結果

通過現場實際監測，對三條測線共計9個監測點的地表沉降觀測數據進行整理，分析其沉降規律。

地表A測線3個監測點的累計沉降量與沉降速率隨時間的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，A測線3個監測點的地表沉降最大值分別為：A1點 39.14mm ，A2點46.09mm，A3點39.48 mm A1監測點的地表沉降速率在第6d達到最大，為7. 10mm/d;A2 監測點的地表沉降速率在第5d達到最大，為11. 74mm/d;A3 監測點的地表沉降速率在第7d達到最大，為6. 10mm/d

隧道正上方地表累計沉降最大，隧道左右兩邊地表累計沉降逐漸減小。以DB-A2點為例，地表累計沉降大致分為三個階段：初始沉降階段、迅速沉降階段及沉降穩定階段。初始沉降階段主要為隧道剛開始開挖的3d內，這一階段地表累計沉降逐漸增大，沉降速率也隨之逐漸增大；迅速沉降階段主要集中在隧道開挖后的 4～8 d內，這一階段地表累計沉降量急劇增大，在 6～7 d時沉降速率也達到最大；穩定沉降階段主要是隧道開挖的9d后，此后地表累計沉降緩慢增加，趨于穩定。

地表B測線3個監測點的累計沉降量與沉降速率隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖2地表沉降監測點布置示意圖

圖4B測線各監測點的累計沉降量與沉降速率曲線圖

圖3A測線各監測點的累計沉降量與沉降速率曲線圖

圖5C測線各監測點的累計沉降量與沉降速率曲線圖

由圖4可知，B測線3個監測點的地表沉降最大值分別為：B1點 34.32mm ，B2點38.13mm，B3點34. 69mm 。B1監測點的地表沉降速率在第6d達到最大，為6.18 mm/d;B2 監測點的地表沉降速率在第6d達到最大，為8. 48mm/d ；B3監測點的地表沉降速率在第7d達到最大，為5.89mm/d。

地表B測線各點的沉降規律總體與A測線一致，僅有微小的數據波動，可能是實際測量過程中儀器測量和讀數造成的。此外，地表B測線B1至B3各點的累計沉降值均小于A測線各點，這主要是隧道洞口上覆土層的厚度相對較小，土體的自身承載能力較弱，在開挖過程中，洞口部分的土體更容易受到擾動，導致較大的沉降。隨著隧道向內部挖掘，上覆土層的厚度逐漸增加，土體的自承載能力也相應增強，因此沉降量逐漸減小。同時，隨著隧道向內部挖掘，支護體系更加完整，支護強度逐漸增大，因此測線B各點的地表沉降量更小。

地表C測線3個監測點的累計沉降量與沉降速率隨時間的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，C測線3個監測點的地表沉降最大值分別為：C1點33.15mm，C2點 35.86mm ，C3點33. 81mm 。C1監測點的地表沉降速率在第6d達到最大，為6. 29mm/d;C2 監測點的地表沉降速率在第6d達到最大，為8.3 38mm/d;C3 監測點的地表沉降速率在第7d達到最大，為5. 43mm/d.

地表C測線各點的沉降規律總體與A、B測線一致，但累計沉降量小于A、B測線。這是由于隨著開挖進行，上覆土層越來越穩定，地層應力釋放更加均勻，故而開挖越深入，地表沉降值越小。根據實際測量，地表累計沉降量滿足施工方案要求，隧道洞口高壓旋噴樁預加固對不良地質改良作用明顯，隧道洞口段圍巖強度及地基承載力顯著增強。

2.2洞頂監測結果

通過現場實際監測，對洞頂的沉降值和沉降速率進行整理，并繪制圖表分析洞頂沉降規律。洞頂的累計沉降量與沉降速率隨時間的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知。隧道洞口段經過高壓旋噴樁加固后，洞頂累計沉降最大值為50. 23mm ；洞頂沉降速率在第5d達到峰值，為 12.56mm 。總體來看，洞頂沉降規律與地表沉降規律一致，累計沉降隨著隧道的開挖，也可分為初始沉降階段、迅速沉降階段及穩定沉降階段三個階段，第7d后沉降速率趨于穩定。與地表沉降不同的是，洞頂測點與DB-A2測點相比，累計沉降量更大，且沉降發生時間更加超前。這是由于隧道洞口段埋深較淺，且地質條件較差，雖有高壓旋噴樁加固，但在隧道自重作用下，地基土所承受附加應力仍超過了初始應力，故而地基土固結后下降，進一步導致隧道整體發生沉降。

3模型建立及加固效果分析

3.1模型的建立

為驗證高壓旋噴樁對隧道洞口的加固效果，采用有限元軟件建立數值模型，針對隧道洞口淺埋段是否采用地表高壓旋噴樁加固措施分別模擬隧道的開挖過程，以分析旋噴樁加固對隧道開挖的影響。考慮隧道開挖尺寸和邊界效應，擾動范圍需大于開挖范圍的3倍，因此模型尺寸取 170m×170m×50m ，數值模型及其網格劃分如圖7所示。

圖7數值模型及網格劃分示意圖

隧道開挖土體及圍巖通過3D實體單元模擬；隧道襯砌通過析取的2D板單元模擬；高壓旋噴樁通過析取的1D梁單元模擬。通過激活和鈍化每一開挖階段的網格組，模擬實際施工工況。

3.2 計算結果分析

選取數值模擬計算結果中與現場實際監測點相同位置處與實測數據作對比，分析不良地質條件下高壓旋噴樁對隧道洞口的影響規律。

3.2.1未進行高壓旋噴樁加固

通過在數值模擬中計算未進行高壓旋噴樁加固工況下的地表和洞頂沉降，分析洞頂及洞頂上方地表測點數據后，得到未進行高壓旋噴樁加固時的地表及洞頂沉降如圖8所示。

圖6洞頂的累計沉降量與沉降速率曲線圖

圖8未進行高壓旋噴樁加固時的地表及洞頂沉降曲線圖

由圖8可知，未進行高壓旋噴樁加固時地表累計沉降最大值分別為：DB-A2點54.43mm，DB-B2點50.89mm，DB-C2 點46.93mm；洞頂累計沉降最大值為57.89mm 。從圖8可以看出，數值模擬結果與實測結果規律一致，但最終沉降量均大于實測值，具體為DB-A2點偏大18. 10% ，DB-B2點偏大33. 46% ，DB-C2點偏大 30.87% ，洞頂測點偏大15. 25% 。這主要是由于未進行高壓旋噴樁加固，洞口段上覆土層土質松散、隧道地基不穩定性高；同時由于數值模擬采用的本構關系進行了一定的簡化和假設，這些簡化和假設可能與實際工程情況不完全一致，導致模擬結果偏大。

3.2.2高壓旋噴樁加固

通過在數值模擬中計算高壓旋噴樁加固工況下的地表和洞頂沉降，分析洞頂及洞頂上方地表測點數據，得到進行高壓旋噴樁加固時的地表及洞頂沉降圖，如圖9所示。

圖9高壓旋噴樁加固后的地表及洞頂沉降曲線圖

由圖9可知，進行高壓旋噴樁加固后，地表累計沉降最大值分別為：DB－A2點41.48mm，DB-B2點38.58mm， DB-C2 點35. 76mm ；洞頂累計沉降最大值為46.07mm 。高壓旋噴樁加固隧道洞口后，與其他工況相似，靠近隧道軸線或開挖面的監測點沉降量較大，而遠離軸線或開挖面的監測點沉降量較小。將加固前后的數值模擬結果作比較可知，加固后累計沉降值均有減小，DB-A2點減小23. 75% ，DB-B2點減小24. 19% ，DB-C2 點減小23. 80% ，洞頂測點減小20. 42% ，平均減小23. 04% 。由此，采用高壓旋噴樁加固，有效提升了土體的整體強度和穩定性。

3.2.3數值模擬與實測結果對比

由圖4至圖6以及圖9可知，高壓旋噴樁加固后的地表及洞頂沉降的模擬值與實測值相比，總體規律一致，洞頂沉降大于地表沉降，同時沿隧道軸線看，越靠近洞口沉降越大。數值模擬結果符合實測規律及空間分布特征。

從數值上看，DB-A2點偏小11. 11% ;DB-B2點偏大1. 18% ；DB-C2點偏大 0.28% ；洞頂測點偏小8.28% 。總體上，數值模擬結果與實測值相差不大，平均約為 5.21% ，數值模擬結果具有有效性。

4結語

（1）淺埋隧道洞口段開挖，地表及洞口累計沉降大致分為三個階段：初始沉降階段、迅速沉降階段及穩定沉降階段。初始沉降階段為隧道開挖后的 1～3d. 迅速沉降階段主要集中在隧道開挖后的 4～8d ，穩定沉降階段為隧道開挖后的9d及以后。

（2）根據實際監測結果，地表三條測線的累計最大沉降分別為：DB-A2點46.09mm、DB-B2點38.13以及DB-C2點35.86mm，洞頂最大沉降為50. 23mm 。隧道中軸線上方沉降大，隧道兩邊沉降小。

（3）通過高壓旋噴樁加固后的數值模擬結果與實測結果作對比，二者相差不大，平均誤差為 5.21% ，數值模擬結果具有有效性。

（4）通過將未進行高壓旋噴樁加固與加固后的地表及洞頂沉降作比較，可知加固后累計沉降值均有減小，各監測點平均減小23. 04% ，采用高壓旋噴樁加固效果顯著，能夠有效提升土體的整體強度和穩定性，減小隧道洞口段變形。

參考文獻

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收稿日期：2024－11-10