復雜地質(zhì)條件下淺埋隧道進口段施工工藝

白 寶

(中鐵十五局集團有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

隧道洞口段地層一般較軟弱破碎，多屬坡積、堆積、風化嚴重、節(jié)理裂隙發(fā)育的地層，穩(wěn)定性差，且由于隧道洞口段施工工序繁多，圍巖多次擾動，其應力及支護受力情況復雜，因此，選擇合理的掘進工藝及支護結(jié)構(gòu)形式，充分認識圍巖及支護結(jié)構(gòu)的受力特征對保證隧道洞口段安全施工具有重要意義。

文章以連云港北固山隧道為工程背景，根據(jù)隧址工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，結(jié)合數(shù)值仿真分析及現(xiàn)場監(jiān)控量測，闡述了復雜地質(zhì)條件下淺埋隧道洞口段施工工藝，研究成果將對同類條件下隧道的設計和施工具有指導意義。

1 工程概況

連云港主體港區(qū)北疏港高速公路北固山隧道是連云港疏港道路的重要組成部分，隧道隧址區(qū)表層為第四系坡積物，土性主要為可塑～硬塑狀粉質(zhì)粘土層，含少量礫石，局部夾碎石或滾石，薄層狀分布。隧址區(qū)局部地段見綠片巖，多呈夾層狀產(chǎn)出，巖體裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，綜合評定為Ⅴ級圍巖，施工時易坍塌。

2 施工方案及仿真模型的建立

2.1 隧道洞口段掘進及支護工藝

根據(jù)隧道進口段地質(zhì)特征，結(jié)合現(xiàn)場勘查初步?jīng)Q定采用拱部環(huán)形開挖留核心土法開挖，具體施工工藝為:

1)超前支護;2)上弧導開挖;3)上弧導初期支護;4)核心土開挖;5)下部開挖;6)下部初期支護;7)仰拱開挖;8)施作仰拱;9)施作二襯。

隧道開挖工序示意圖如圖1所示，具體支護結(jié)構(gòu)設計如圖2所示。

圖1 上弧形導坑施工工序示意圖

2.2 施工方案的動態(tài)仿真分析

結(jié)合現(xiàn)場施工情況，截至2012年6月，隧道左線并未掘進，右線先行施工，故此處單洞建模，根據(jù)隧道現(xiàn)場實際施工情況選定進口段里程樁號為YK3+380作為分析斷面。該斷面埋深47.54 m，取模型寬Lx=100 m，高Ly=90 m，如圖3所示。

圖2 Ⅴ級圍巖進口淺埋段支護方案

圖3 仿真模型

采用平面4節(jié)點等參單元模擬圍巖體和二襯，初期支護采用梁單元模擬［1］，其計算方法為:

將超前加固范圍內(nèi)的圍巖級別提高一級來模擬［2］。錨桿的作用通過ANSYS中桿單元模擬。圍巖及支護的力學參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及支護力學參數(shù)

模型建立后，根據(jù)文獻［3］所提到的方法來模擬隧道開挖與支護的時空效應進行動態(tài)施工模擬，模擬采用彈塑性平面模型，根據(jù)DP準則可以得到較為精確的結(jié)果［4，5］。Drucker-Prager屈服準則表達式為:

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 位移分析

圖4給出了隧道洞口段拱頂和拱底的位移隨荷載步的時空曲線。由數(shù)值計算結(jié)果分析可知，采用弧導法掘進時，洞頂、底位移在弧形導坑開挖時已完成總位移的大部分，分別占到57%和53%，總體來說采用弧導法施工拱底下沉在20 mm以內(nèi)，處于安全可控的范圍，這是因為弧形導坑預留核心土的工法則由于上部預留的核心土可以支擋開挖工作面，增加開挖工作面的穩(wěn)定，有利于減少拱頂沉降。

圖4 拱頂、底位移曲線

3.2 圍巖及支護結(jié)構(gòu)受力分析

選取左、右拱腰，拱頂、拱底作為關(guān)鍵點來分析隧道開挖后圍巖受力狀況，選取圍巖擾動區(qū)δe/δy來反映土體破壞的情況，表2為控制點應力大小，圖5反映了圍巖破壞狀況，圖6為錨桿內(nèi)力，圖7為初期支護內(nèi)力。

圖5 δe/δy計算結(jié)果

圖6 錨桿內(nèi)力

圖7 初支內(nèi)力

表2中列出了采用弧導法開挖圍巖代表點的最大拉、壓應力值，拱腰處開挖后處于受壓狀態(tài)，壓應力達到2.801 MPa，從圖5可以看出仰拱與邊墻交接處有應力集中的現(xiàn)象，初步分析與超前注漿有關(guān)。從圖6，圖7可以看出，采用上弧形導坑法，最大初支軸力為782 kN，出現(xiàn)在拱肩腰，錨桿最大拉力出現(xiàn)在左右邊墻，為34 kN，均未超過預警值，說明支護方式是合理的。

表2 圍巖代表點應力計算結(jié)果 MPa

4 施工方案效果評價

從上述分析可知，按設計的掘進及支護方案進行施工，無論從圍巖變形還是支護結(jié)構(gòu)的受力都在合理的范圍內(nèi)。在北固山隧道右洞YK3+380設置了監(jiān)測斷面，進行洞周水平收斂和拱頂下沉監(jiān)測，測點布置如圖8所示，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖8 測點布置圖

圖9 斷面監(jiān)測曲線

圖9是YK3+380斷面的洞周收斂位移和下沉隨時間的變化曲線，從圖9b)中可看出，測點A，B，C位移發(fā)展規(guī)律基本一致，在隧道掘進后20 d內(nèi)基本完成沉降，最大位移測點A＞B＞C，測點A約為3 mm，測點B，C約為2.5 mm。分析表明，結(jié)合Ⅴ級圍巖進口淺埋段支護設計方案，采用上弧形導坑施工，圍巖位移較小，趨于穩(wěn)定快，說明所選用的施工方案及支護方式是合理的。

5 結(jié)語

根據(jù)仿真分析結(jié)果及現(xiàn)場施工效果的檢驗，連云港北固山隧道復雜地質(zhì)條件下淺埋隧道進口段施工工藝采用上弧形導坑開挖配合超前注漿支護的施工方案是可行的，采取超前注漿加固能良好的使圍巖最大限度發(fā)揮自承能力，洞周位移趨于合理，支護結(jié)構(gòu)發(fā)揮到良好的作用，對類似山嶺隧道工程的建設具有良好的借鑒意義。

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