隧道穿越軟弱煤系地層施工關(guān)鍵技術(shù)與數(shù)值模擬

何勁松 徐庭 張貴恩

摘 要：本文以官莊隧道為研究對象，該隧道穿越煤系地層，圍巖軟弱破碎，為V級圍巖。針對該隧道的工程地質(zhì)條件提出了交叉中隔墻法（CRD）的施工方法，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，運(yùn)用FLAC3D軟件對隧道開挖施工進(jìn)行模擬，并將模擬值和實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果表明：隧道開挖后，拱頂和拱底均發(fā)生豎向位移，且拱頂位移大于拱底位移，左右邊墻主要發(fā)生水平位移，豎向位移的影響范圍相對大于水平位移，且上半部分開挖是隧道開挖過程中的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)予以重視。并進(jìn)一步驗(yàn)證：官莊隧道采用交叉中隔墻法（CRD）工法開挖施工是合理正確的，該工法可有效地控制隧道開挖變形，保證隧道施工穩(wěn)定和安全。

關(guān)鍵詞：煤系地層;CRD施工方法;數(shù)值模擬;變形監(jiān)測

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）08-0105-03

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，鐵路、公路隧道建設(shè)已然成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。我國是一個礦產(chǎn)資源十分豐富的國家，在修建公路隧道的時(shí)候勢必要穿越煤系地層，這增加了隧道施工技術(shù)的難度，而且可能引發(fā)安全事故。

在煤系地層段修建隧道存在兩個難點(diǎn)：一是煤系地層中含有有毒和易燃的瓦斯氣體，瓦斯壓力過大的地層有瓦斯爆炸的危險(xiǎn);二是煤系地層一般都是軟弱圍巖，對隧道施工中的支護(hù)要求較高，因此必須要有可靠的施工工藝保證施工安全[1]。

本文根據(jù)官莊隧道的具體工程地質(zhì)概況，將數(shù)值模擬等分析手段與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測信息反饋手段相結(jié)合，系統(tǒng)地研究了穿越煤系地層段隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)，確保施工過程的安全，保證工程質(zhì)量，為將來的穿越煤系地層隧道提供示范意義和積累施工經(jīng)驗(yàn)。

1工程概況

官莊隧道位于石阡縣甘溪鄉(xiāng)， 起訖樁號ZK65+205～ZK65+790，長585m，屬中隧道，最大埋深約220m。擬建隧道呈曲線形展布，隧道總體軸線方向約250°，隧道平面線形為R-∞，R=3700，隧道縱坡均為0.7%，單向坡。隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

2工程地質(zhì)條件

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及鉆探、物探成果，隧道區(qū)上覆第四系更新統(tǒng)坡積成因粉質(zhì)黏土、塊石，隧址區(qū)下伏基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組灰?guī)r及牛蹄塘組、下統(tǒng)明心寺組、下統(tǒng)金頂山組組合灰質(zhì)頁巖、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M等。其從上到下可分為第四系覆蓋層，下伏基巖和風(fēng)化層。

2.1第四系覆蓋層

粉質(zhì)黏土（含砂巖）：褐黃色，可塑，含約5%碎石，表層0.3含植物根系。塊石：灰色，密實(shí)，粒徑大于200mm的顆粒含量約80%，粒徑一般200mm～1500m，多層棱角狀，母巖成分主要為灰?guī)r，泥質(zhì)充填，顆粒級配一般。

2.2下伏基巖和風(fēng)化層

強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r：淺灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙方解石脈充填，巖芯多呈塊狀，巖體破碎。

強(qiáng)～中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖：褐灰黑色，原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀，巖質(zhì)軟，巖體破碎，瓦斯賦存在炭質(zhì)巖中。

煤系瓦斯地層段為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P31）：粉質(zhì)粘土含砂巖、炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r，分布于隧道洞身段。隧道洞身ZK65+225～ZK65+305段，地表發(fā)現(xiàn)采煤探坑。

3隧道穿越煤系地層施工工藝

3.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采取地質(zhì)法為基礎(chǔ)、以物探為主要手段，結(jié)合超前鉆探，采用地質(zhì)雷達(dá)對掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行勘察[2]。

本文選取典型區(qū)段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（即ZK65+275～K65+295區(qū)段），雷達(dá)波反射均較強(qiáng)烈，圍巖穩(wěn)定性差，瓦斯等有害氣體可通過裂隙向掌子面溢出，開挖后拱頂無支護(hù)時(shí)容易發(fā)生掉塊或者坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

3.2煤系地層施工關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1超前支護(hù)

（1）在軟弱圍巖煤系地層段，采取R51自進(jìn)式錨桿，使用SP50型錨固工程鉆機(jī)安裝，鉆桿的錨桿體具有無需拔除的特點(diǎn)。錨桿減小了施工過程中對圍巖擾動的影響，而且錨桿空孔可以成為注漿通道，讓其具有雙重功能，既節(jié)約了成本，又增加了圍巖開挖后的穩(wěn)定性。

（2）隧道側(cè)導(dǎo)洞支護(hù)采用Ф50小導(dǎo)管，L=5m，環(huán)向間距40cm，外插角10°，Ф8鋼筋網(wǎng)，15×15cm，臨時(shí)支撐采用I18鋼拱架，縱向間距100cm，噴射C20混凝土20cm。Ф50鎖腳注漿小導(dǎo)管隧道拱腳每處兩根，長5m。

支護(hù)參數(shù)：Ф50熱軋無縫鋼管沿拱部120°范圍內(nèi)布設(shè)，每環(huán)長4.7m，每環(huán)35根，環(huán)向間距40cm，外插角10°，搭接長度1m，壓注水泥漿液。

3.2.2交叉中隔墻法（CRD）施工工藝

穿越煤系地層官莊隧道圍巖為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)破碎，整體性較差。隧道所穿圍巖級別分別為Ⅳ級、Ⅴ級。結(jié)合實(shí)際情況，采用一種適用于較軟弱地層的隧道施工方法-交叉中隔墻法（CRD）開挖方法（見圖1）。

圖1? 分布開挖示意圖

3.2.3初期支護(hù)

初期支護(hù)施工程序：測量定位→鉆孔→支護(hù)錨桿→噴射混凝土→安設(shè)拱架→掛設(shè)鋼筋網(wǎng)→噴射混凝土。

隧道施工時(shí)，噴射標(biāo)號為C25的混凝土，噴射厚度達(dá)到30cm。水灰比準(zhǔn)確控制、充分拌合及水化作用以及按比例計(jì)量添加速凝劑等方面充分保證了采用濕噴工藝噴射混凝土的強(qiáng)度。在鋼拱架安裝加固完畢后，在拱架背后和巖面空隙之間打進(jìn)木楔，環(huán)向每米1個，使圍巖應(yīng)力及時(shí)傳到支護(hù)上，可有效控制早期圍巖收斂變形。

4 數(shù)值模擬分析

4.1計(jì)算模型

本文選取典型剖面ZK65+285，采用FLAC3D有限差分軟件對隧道建立模型，對隧道開挖圍巖變形進(jìn)行分析。該段為 V 級圍巖，采用復(fù)合式襯砌的支護(hù)形式。因?yàn)槎我r砌通常起著隧道的安全儲備和美觀的作用，因此本文不考慮二次襯砌的作用[3]。模型采用實(shí)體單元建模，圍巖土體采用摩爾庫倫模型，初期支護(hù)采用襯砌單元模擬。模擬使用的模型尺寸為隧道設(shè)計(jì)路面的高度到拱頂距離8.15m，模型大小長為100m，寬為60m，系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)的效果采用提高加固圈物理參數(shù)的辦法來模擬其作用效果[4]，初期支護(hù)采用襯砌單元模擬。位移邊界條件：上表面即地表為自由邊界，其余各外表均約束法線方向的位移。

采用CRD法對煤系段地層段進(jìn)行開挖支護(hù)，表1是模擬CRD開挖法的具體參數(shù)。

4.2模擬值與實(shí)測值對比分析

限于篇幅，只列出CRD法施工方法各開挖及初期支護(hù)關(guān)鍵步驟施工完成后的位移云圖。本文選取典型斷面ZK65+285處的模擬值和實(shí)測值進(jìn)行對比分析。

第一次開挖支護(hù)后，拱頂部位產(chǎn)生的最大位移3mm左右。隨著開挖繼續(xù)，拱頂位移不斷增大，到第三次開挖支護(hù)完成后達(dá)17mm之多。這是因?yàn)?，由于隧道開挖致使圍巖豎向應(yīng)力主要集中分布在隧道拱頂范圍內(nèi)造成的?？芍淼篱_挖采用CRD施工工藝，前三次施工拱頂沉降速率較大，對隧道穩(wěn)定的穩(wěn)定性存在一定程度的影響，因此施工時(shí)有必要采取一定的支護(hù)措施，防止隧道位移沉降過大。第四次開挖支護(hù)完成后，拱頂?shù)淖畲筘Q向位移達(dá)20mm左右，沉降速率減緩，位移可控。且拱底有起鼓現(xiàn)象，位移為2mm左右，說明CRD施工工藝能有效抑制拱底上移。由圖可知，隧道開挖豎向位移影響范圍內(nèi)大約為3倍洞室高度，這與文獻(xiàn)[5]結(jié)論有所差別，原因是地層巖性、施工工藝等有所不同。

斷面ZK65+285最大沉降值為22.3mm，最大下沉速度2.4mm/d，可以看出斷面ZK65+285拱頂下沉共有三個階段：①前四天沉降速率最快，此時(shí)圍巖剛得到支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖還沒有形成共同作用的整體;②5～20天沉降量跟時(shí)間近似成直線狀，說明圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用形成受力整體，沉降速度穩(wěn)定;③22天以后沉降量趨于穩(wěn)定，此時(shí)拱頂沉降速率為0.2mm/d，滿足規(guī)范中的規(guī)定，拱頂趨于穩(wěn)定。

對比分析模擬值和實(shí)測值，可知拱頂?shù)某两祵?shí)測值大于模擬值，相差2mm，這是由于數(shù)值模擬不能完全反映實(shí)際施工的滯后效應(yīng)和施工質(zhì)量情況，導(dǎo)致實(shí)測值較大。但兩者反映圍巖的變化趨勢一致，量值接近。另一方面，數(shù)值模擬結(jié)果也說明，在圍巖破碎嚴(yán)重的地段，采用交叉中隔墻法（CRD）施工工藝，能有效抑制圍巖變形，保證隧道施工穩(wěn)定和安全。

隧道開挖之后，應(yīng)力釋放，圍巖逐漸向隧道內(nèi)部偏移，左右邊墻水平隨隧道開挖不斷增大，開挖完成之后最大值為6mm。

左右邊墻最大收斂值是14.3mm，最大收斂速率是2.6mm/d，其收斂最終值在相關(guān)規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。在斷面ZK65+285處左右邊墻收斂值在趨于穩(wěn)定前其值幾乎跟時(shí)間成直線關(guān)系，說明其收斂速率穩(wěn)定地維持在1.54mm/d左右，待到量測第25天的時(shí)候收斂速率0.1mm/d，左右邊墻趨于穩(wěn)定，變化幅度非常小。

左右邊墻實(shí)測最大位移值14.3mm大于模擬值6mm。由位移云圖可知，水平位移影響范圍為1倍的洞室高度。這是因?yàn)榇四Ｐ椭心J(rèn)最大天然應(yīng)力為豎向應(yīng)力，隧道模型近似于橢圓形，短軸方向與最大天然應(yīng)力的作用方向垂直，一定程度上抑制了左右邊墻向隧道內(nèi)側(cè)發(fā)展，致使模擬值偏小于實(shí)際值，也一定程度減小了水平位移的影響范圍，致使水平收斂位移值大于模擬值，但此變化值在合理范圍內(nèi)理操作。

5結(jié)論

（1）采用地質(zhì)雷達(dá)可對掌子面前方20m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況做出較好的判斷，對隧道施工方案提供指導(dǎo)性建議。

（2）詳細(xì)介紹隧道穿越煤系地層的施工工藝，將FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，兩者變化趨勢一致，數(shù)值相接近，表明模擬具有可靠性，可以反映出CRD開挖方式圍巖變形情況，在煤系地層破碎帶采用CRD施工方法和超前小導(dǎo)管注漿是可行的，CRD工法能夠保證在不良地質(zhì)條件下施工的安全性，有效控制圍巖位移，對相似地質(zhì)條件下隧道施工具有一定的指導(dǎo)意義。

（3）利用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，采用加固圈物理參數(shù)的辦法來模擬系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)的效果可以較真實(shí)地反映實(shí)際情況，從而為支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供可靠的參考數(shù)據(jù)，

（4）由數(shù)值模擬結(jié)果可知，隧道開挖后，由于應(yīng)力釋放，圍巖收斂變形，豎向位移主要集中在拱頂和拱底處，且拱頂位移大于頂?shù)孜灰疲捎谏习氩块_挖引起拱頂沉降所占比例較大，因此在開挖之后要及時(shí)施加初期支護(hù)。水平位移主要集中在左右邊墻處，位移相對較小，且影響范圍較豎向位移小。

（5）由現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可知，隧道開挖初期拱頂下降速度較大，位移-時(shí)間曲線斜率教大，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時(shí)間速率減小，逐漸穩(wěn)定。而左右邊墻收斂值在趨于穩(wěn)定前其值幾乎跟時(shí)間成直線關(guān)系，但兩者最終趨于穩(wěn)定，說明支護(hù)參數(shù)合理。

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