山區(qū)隧道洞口淺埋段軟弱圍巖開挖工法探討

唐雨春，馮 宇

(婁衡高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 衡陽 421000)

0 前言

在山區(qū)高速公路隧道中，洞口段往往都是淺埋，且圍巖的水文地質(zhì)條件較差，具體表現(xiàn)為:軟弱、破碎、自穩(wěn)時間極短［1］，甚至，有的圍巖水系較為發(fā)達(dá)，這對隧道開挖過程當(dāng)中的安全性和穩(wěn)定性造成很大的影響，所以開挖支護(hù)方案的選擇在此顯得尤為重要。本文以婁衡高速公路筍安山隧道婁底洞口淺埋段軟弱圍巖50 m 工程為例，進(jìn)行了此方面的研究。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件及支護(hù)參數(shù)

婁衡高速公路筍安山隧道采用雙向四車道，其婁底段位于湖南省婁底市雙峰縣花門鎮(zhèn)內(nèi)。勘察場地地貌類型為低山丘陵地貌，地表剝蝕較強(qiáng)烈，婁底端所在山坡自然坡度為15°～18°，設(shè)計洞頂覆蓋層厚度為3.8～27 m 不等，圍巖主要以硬塑狀土、碎石和強(qiáng)風(fēng)化巖，強(qiáng)風(fēng)化巖巖質(zhì)軟弱～較軟弱，呈碎石狀松散結(jié)構(gòu)，其中最為明顯的就是碳質(zhì)泥巖，而且，隧道開挖過程中常常產(chǎn)生小股狀涌水，圍巖遇水隨即變成泥，所以穩(wěn)定性極差，級別定為Ⅴ級偏差。

1.2 圍巖試驗參數(shù)

圍巖試驗參數(shù)見表1。

1.3 支護(hù)參數(shù)

圍巖支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 圍巖支護(hù)參數(shù)表

2 FLAC3D數(shù)值模擬和監(jiān)控量測

2.1 兩種工法工序流程比較

在雙向四車道的山區(qū)高速公路隧道洞口段、圍巖較差段的掘進(jìn)開挖過程中，比較常用的工法有短臺階開挖法，環(huán)型開挖預(yù)留核心土法，中隔壁法(CD法)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法，交叉中隔壁法(CRD法)［2］。本文中，分別采用比較符合實際的三臺階環(huán)型開挖預(yù)留核心土法、中隔壁法(CD 法)進(jìn)行FLAC3D 數(shù)值模擬開挖，而且，兩種開挖工法在同圍巖參數(shù)、同支護(hù)參數(shù)的情況下。

如圖1，此工法過程為:①開挖環(huán)型土→②施作環(huán)型周邊初支→③開挖上一循環(huán)的核心土→④開挖中臺階→⑤施作中臺階初支→⑥開挖下臺階→⑦施作下臺階初支→⑧開挖仰拱部分→⑨施作仰拱初支→⑩施作仰拱及仰拱回填→?施作二襯。

如圖2，此工法過程為:①開挖外側(cè)上臺階→②施作永久初支2 －1 和臨時初支2 －2(必要時增設(shè)橫撐)→③開挖外側(cè)下臺階→④施作永久初支4 －1和臨時初支4 －2→⑤開挖外側(cè)仰拱部分→⑥施作內(nèi)側(cè)仰拱永久初支6 －1 和臨時初支6 －2→⑦開挖內(nèi)側(cè)上臺階(必要時增設(shè)橫撐)→⑧施作內(nèi)側(cè)上臺階初支→⑨開挖內(nèi)側(cè)上臺階→⑩施作內(nèi)側(cè)下臺階初支→?開挖內(nèi)側(cè)仰拱部分→?施作內(nèi)側(cè)仰拱初支→?拆除臨時初支 2－2 和 4－2→?施作仰拱及仰拱回填→?施作二襯。

圖1 三臺階環(huán)型開挖預(yù)留核心工法示意圖［3］

2.2 采用兩種工法時的圍巖變形數(shù)據(jù)及應(yīng)力分布、大小比較

兩種工法采用FLAC3D 模擬的位移數(shù)值比較見表3。

表3 兩種工法采用FLAC3D 模擬的位移數(shù)值比較 mm

兩種工法采用FLAC3D 模擬的應(yīng)力分布圖如圖3～圖6。

圖3 三臺階環(huán)型開挖預(yù)留核心土開挖法最大主應(yīng)力圖(單位:Pa)

圖4 中隔壁法開挖最大主應(yīng)力圖(單位:Pa)

兩種工法對應(yīng)的拱頂下沉位移、周邊收斂位移、最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力比較如表4。

圖5 三臺階環(huán)型開挖預(yù)留核心土開挖法剪應(yīng)力圖(單位:Pa)

圖6 中隔壁法開挖剪應(yīng)力圖(單位:Pa)

表4 拱頂下沉位移、周邊收斂位移、最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力比較表

綜合上表所述，從各方面(拱頂下沉位移、周邊收斂位移、最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力)進(jìn)行比較分析，在此類型的圍巖掘進(jìn)中，采用三臺階環(huán)型開挖預(yù)留核心土開挖法較中隔壁開挖法(CD 法)更有利于隧道穩(wěn)定。

2.3 數(shù)值模擬的開挖方法與實際施工方法一樣時圍巖變形數(shù)據(jù)比較

本隧道婁底端實際施工時采用三臺階環(huán)型預(yù)留核心土開挖法，以下是將FLAC3D 數(shù)值模擬得到的變形值與實際監(jiān)控量測數(shù)值進(jìn)行比較，如表5。

表5 數(shù)值模擬變形值與實際監(jiān)控量測數(shù)值 mm

通過以上數(shù)據(jù)比較可得:FLAC3D 模擬得到的數(shù)值(周邊收斂、拱頂下沉)和實際監(jiān)控量測的數(shù)值比較接近。但在實際施工中，由于初期支護(hù)的不及時性、施工的不規(guī)范性、圍巖地質(zhì)情況的突變性等因素的影響，實際監(jiān)控量測的數(shù)值都比FLAC3D 模擬得到的數(shù)值都要大，但是比較接近。

3 結(jié)論

在山區(qū)隧道洞口段開挖掘進(jìn)時，遇到淺埋段軟弱圍巖，特別是在與此類巖性相似的圍巖中開挖隧道時，可以通過取土試驗取得圍巖參數(shù)與本文進(jìn)行對比，如相似，采用三臺階環(huán)型開挖預(yù)留核心土開挖法是有利于隧道穩(wěn)定的。同時，在采用三臺階環(huán)型開挖預(yù)留核心土開挖法掘進(jìn)時還應(yīng)注意以下幾點:

1)控制開挖步距，一般控制在50～100 cm，同時必須將初期支護(hù)緊貼掌子面。

2)嚴(yán)格控制上、中、下臺階掌子面之間的間距，及時施作仰拱，使成洞段形成受力閉合圈。

3)嚴(yán)格執(zhí)行新奧法中監(jiān)控量測，并將監(jiān)控數(shù)據(jù)及時反饋。

4)當(dāng)監(jiān)控量測反映的數(shù)據(jù)較大時，甚至出現(xiàn)危險信號，在中臺階底增加臨時仰拱，這樣既可以控制成洞段的整體下沉，又能抑制周邊收斂的再次擴(kuò)大，必要時暫停掌子面施工。

5)在軟弱圍巖支護(hù)當(dāng)中，嚴(yán)禁拱架拱腳懸空，當(dāng)上、中臺階拱腳很難落到堅實基礎(chǔ)上，增設(shè)上、中臺階拱腳處的鎖腳錨管或錨桿的方法也能很好地控制圍巖變形。

6)通過監(jiān)控量測反饋的數(shù)據(jù)，及時施作二次襯砌，因為對于極軟破碎圍巖或不密實的土層圍巖，或特淺埋隧道(埋深小于隧道跨度)，二次襯砌必須盡快施作，不必強(qiáng)調(diào)周邊位移速率小于0.2 mm/d，拱項下沉速率小于0.07～0.15 mm/d，讓二次襯砌分擔(dān)部分荷載并無害處，反而有利于隧道穩(wěn)定［5］。

［1］關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集(第2 版)［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］JTG/T F60 －2009，公路隧道施工技術(shù)細(xì)則［S］.

［3］唐朝松.大管棚超前支護(hù)環(huán)形開挖預(yù)留核心土三臺階隧道施工方法［J］.鐵道建筑，2009(9):46 －49.

［4］劉海文.中隔壁法在高速公路隧道中的應(yīng)用［J］.廣東科技，2013，22(12):131 －132.

［5］程 尚，李 凡，陳建平，等.新奧法二次襯砌施工中幾個問題的探討［J］.安全與環(huán)境工程，2002，9(1):9 －11.