淺埋偏壓隧道洞口段施工力學(xué)特性及控制技術(shù)研究

文/山西省公路局太原分局 梁玉榮

隨著國家公路網(wǎng)的不斷完善及“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實施，我國高速公路逐步向山區(qū)邁進。大量的高速公路隧道洞口段面臨軟弱破碎圍巖、淺埋、偏壓、富水、滑坡等不良地質(zhì)條件，因此在隧道洞口段施工過程中，難免會對原有圍巖產(chǎn)生擾動，破壞原有的平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致隧道洞口段施工難度大、施工災(zāi)害多，嚴(yán)重威脅隧道洞口段施工機械及人員的安全。

本文結(jié)合山西某淺埋偏壓隧道洞口段的工程案例，總結(jié)分析其工程地質(zhì)特點，利用數(shù)值模擬手段分析其施工過程中的力學(xué)特性，從而有針對性的提出施工控制措施，其研究成果可為類似工程提供技術(shù)支撐。

工程概況

山西某高速公路隧道為雙洞分離式特產(chǎn)隧道，左線起訖里程為ZK85+805至ZK88+860，全長為3055m；右線起訖里程為K85+757至K88+870，全長為3133m。隧址區(qū)位于山西北部蘆芽山脈中，其地勢險峻，相對高差達1000余米，隧道洞身段地勢起伏較大，屬典型的高山溝壑地區(qū)。

根據(jù)隧道地質(zhì)勘查資料，隧址區(qū)地層主要有第四系上更新統(tǒng)松散堆積層、寒武系上統(tǒng)及寒武系中統(tǒng)。其中，第四系上更新統(tǒng)松散堆積層主要為坡積層（Q3el+dl），主要分布于隧道洞口段及洞身地表處，其巖性為碎石土、雜填土，屬于典型的軟弱破碎圍巖；寒武系上統(tǒng)主要呈層狀構(gòu)造，上層為白云質(zhì)灰?guī)r、頁巖，下層為厚層白云巖，呈細(xì)粒結(jié)構(gòu)；寒武系中統(tǒng)主要巖性為薄層石英砂巖，呈細(xì)粒結(jié)構(gòu)，與下層太古界地層接觸關(guān)系為角度不整合。

在地質(zhì)構(gòu)造方面，隧址區(qū)內(nèi)分布有一斷層帶，屬于逆斷層，其斷層走向為NE35°，傾向為NW320°，傾角為45°，斷層帶在隧道洞口段分布寬度為100m，且受地質(zhì)構(gòu)造的影響，斷層帶圍巖節(jié)理裂隙極為發(fā)育，屬于軟弱破碎圍巖，加之隧道洞口段存在淺埋偏壓情況，其施工風(fēng)險較大。

施工力學(xué)特性分析

數(shù)值模型

由該項目隧道洞口段屬于典型的淺埋偏壓地段，且圍巖屬于強風(fēng)化灰?guī)r，圍巖較為破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖整體穩(wěn)定性極差，為全面掌握施工過程中的力學(xué)特性，選用ANSYS有限元分析軟件建立數(shù)值模型，對其上下臺階法施工過程進行模擬。該模型采用彈塑性本構(gòu)模型，并服從摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。模型邊界范圍為：上邊界采用實際地表情況，下邊界為2.5倍的隧道洞徑，左右兩側(cè)邊界分別為2倍的隧道洞徑。在約束條件方面，模型左右兩側(cè)施加X方向的約束，底部施加Y方向的約束。

在建立模型過程中，隧道軟弱圍巖、初期支護、注漿體均采用平面二維6節(jié)點單元，二襯采用平面Beam（梁）單元進行模擬，其具體物理力學(xué)參數(shù)情況見表1。

表1 模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

上臺階開挖力學(xué)特性

在隧道開挖施工模擬過程中，首先確定荷載分擔(dān)比，結(jié)合該項目的實際情況，取初支施作時荷載釋放80%，二襯施作后荷載釋放20%；其次利用“Kill”命令“殺死”上臺階部位的地層單元；再將相應(yīng)初支部位的Beam單元激活，以模擬該部位的支護結(jié)構(gòu)施作，其所得分析結(jié)果如圖3、4所示。

從圖1、2中可以看出，隧道上臺階開挖后出現(xiàn)了臨空面，圍巖產(chǎn)生卸荷而向內(nèi)收斂，圍巖應(yīng)力在X方向呈現(xiàn)出“V”形，且支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力在隧道臨時仰拱和兩側(cè)拱腳處相對較大，而在Y方向上隧道拱頂和仰拱處相對較大?？梢?，臨空面的產(chǎn)生破壞了原有初始地應(yīng)力的平衡狀態(tài)。

圖1 上臺階開挖后X方向應(yīng)力分布圖

圖2 上臺階開挖后Y方向應(yīng)力分布圖

下臺階開挖力學(xué)特性

從圖3、4中可以看出，隧道下臺階開挖后，仰拱施做完成，整個初期支護封閉成環(huán)，圍巖應(yīng)力在X方向上的分布基本均衡，但在兩側(cè)邊墻處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，且左側(cè)應(yīng)力值明顯大于右側(cè)應(yīng)力值；在Y方向上，拱頂、仰拱部位應(yīng)力值普遍較大，但與上臺階開挖后的應(yīng)力值相比，該部位應(yīng)力值大幅下降?？梢?，初期支護封閉成環(huán)后，在一定程度上抵抗了淺埋偏壓地形造成的不均衡荷載。

圖3 下臺階開挖后X方向應(yīng)力分布圖

圖4 下臺階開挖后Y方向應(yīng)力分布圖

二襯施工力學(xué)特性

從圖5、6中可以看出，二襯施作完成后，隧道拱腳、仰拱、拱頂處的軸力值較大，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大值為2100kN，位于仰拱部位；而彎矩值在兩側(cè)拱腳處、兩側(cè)邊墻處均較大，最大彎矩值為25kN·m，發(fā)生在左側(cè)拱腳處；且左側(cè)邊墻部位彎矩值明顯大于右側(cè)邊墻彎矩值?？梢姕\埋偏壓地形情況下隧道襯砌彎矩值分布不均衡。

圖5 下臺階開挖后Y方向應(yīng)力分布圖

圖6 二襯彎矩圖

控制措施

通過上述力學(xué)特性分析可知，對于淺埋偏壓隧道洞口段，當(dāng)采用上下臺階法施工時，開挖臨空面的產(chǎn)生破壞了原有初始地應(yīng)力的平衡狀態(tài)，隧道襯砌彎矩值分布不均衡，不利于隧道整體穩(wěn)定性，因此需要通過優(yōu)化施工工藝，并采用輔助工法。

管棚注漿

管棚注漿作為隧道洞口段施工的主要輔助措施，其一方面能夠提高破碎圍巖強度，另一方面能夠改善淺埋偏壓地形條件下的隧道力學(xué)特性。該項目中管棚采用鋼花管，管徑為108mm，管壁厚度為4mm。在管棚施工過程中，應(yīng)使得鋼花管與隧道襯砌邊緣保持3°至5°的夾角。注漿孔外徑為5mm，呈梅花形布設(shè)，間距為30cm；其漿液采用水灰比為1∶1的水泥漿，注漿壓力應(yīng)為初壓0.75MPa，終壓2.2MPa。通過隧道洞口掌子面開挖揭露，圍巖內(nèi)分布有清晰的漿脈，圍巖強度得到大幅提升。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是將隧道斷面分塊進行開挖，先挖隧道兩側(cè)導(dǎo)坑，施做初期支護，然后開挖中間部分，從而通過初期支護和臨時支撐形成穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)形式，其對于淺埋偏壓隧道洞口段具有較好的力學(xué)特性。結(jié)合項目的實際情況，采用I18作為臨時鋼架和橫撐，并采用18cm厚的噴射混凝土封閉臨時鋼架。在施工過程中，采用機械開挖和人工配合修整的方法。

結(jié)論

淺埋偏壓隧道洞口段采用上下臺階法施工時，其力學(xué)特性表現(xiàn)為：開挖臨空面的產(chǎn)生破壞了原有初始地應(yīng)力的平衡狀態(tài)，隧道襯砌彎矩值分布不均衡，不利于隧道整體穩(wěn)定性。

管棚注漿可提高破碎圍巖強度，能夠改善淺埋偏壓地形條件下的隧道力學(xué)特性。該項目采用管棚注漿后，其掌子面圍巖內(nèi)分布有清晰的漿脈，圍巖強度得到大幅提升。

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法可將隧道斷面分塊進行開挖，并通過初期支護和臨時支撐形成穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)形式，其對于淺埋偏壓隧道洞口段具有較好的力學(xué)特性。