高原地區(qū)特長隧道洞口凍土凍融力學特性及施工控制技術

白永厚，陳澤盟，王曉川，梁 斌

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471013；2.河南科技大學 土木工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

近幾年，隨著中國“一帶一路”倡議大開發(fā)的實施，在西藏、青海等高海拔寒區(qū)相繼建成數十座超長隧道。高海拔高寒區(qū)隧道圍巖長期處于凍融循環(huán)狀態(tài)，對圍巖穩(wěn)定性極為不利[1]。隧道施工會明顯改變原有地層的溫度場，對原有土層以及施工后的隧道結構產生不利影響[2]。而凍土融化后圍巖的含水量增加，容易出現滲水透水現象，巖體強度會進一步降低，威脅到隧道施工安全并影響后期隧道使用[3]。為了保證高原凍土地區(qū)隧道施工安全，提高后期使用壽命，有必要對隧道結構和圍巖環(huán)境進行研究[4-5]。

目前，國內外學者主要采用理論與數值分析相結合的方法研究此類問題[6-11]。國內圍巖力學特性的數值模擬法主要是莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則，用來描述巖土材料的力學性質。但是文獻[12]提出該準則不適用于低應力狀態(tài)和以拉伸為主要破壞形式的工況，在工程模擬中存在一定的局限性，且該準則在節(jié)理面的張拉和剪切破壞方面的使用效果一般。文獻[13]提出基于莫爾-庫侖屈服準則的赫克-布朗(Hoek-Brown)屈服準則，將圍巖視為連續(xù)介質，破壞模式是線性，同時在低應力狀態(tài)下適應性較好。文獻[14]將理論分析與實測資料相對比，驗證了Hoek-Brown屈服準則在隧道工程應用中的合理性。文獻[15]采用有限元方法分析了昆侖山隧道DK976+410斷面圍巖的凍融狀況，研究結果表明：隧道邊墻圍巖溫度場受到的擾動比拱頂大，且由施工引起的融化夾層回凍較拱頂遲緩。文獻[16]探討了高寒地區(qū)隧道凍脹病害產生的機理及凍脹作用對隧道襯砌結構的影響規(guī)律，從襯砌保溫、圍巖保溫和排水系統(tǒng)保溫3個方面探討了隧道施工凍害防治的技術措施。文獻[17]采用有限元軟件MIDAS-GTS NX分析了軟弱圍巖公路隧道入口段巖石力學和變形特性，研究結果表明：隨著隧道開挖，洞口圍巖豎向和水平應力持續(xù)增大，隧道拱腳和拱腰處有明顯的應力集中，拱腰處產生水平位移，拱頂產生豎向下沉的位移變形。文獻[18]結合沈陽地鐵2號線隧道工程，對施工采用的管幕支護進行地表沉降監(jiān)測，并將Peck模型沉降預測值和實測值進行對比，得出預測值和實測值為同一數量級。目前，大部分研究主要針對圍巖變形對襯砌結構的影響，而鮮有對隧道開挖施工完成后圍巖經歷凍融循環(huán)的力學特性研究。因此，對高原地區(qū)特長隧道洞口凍土凍融力學特性及施工控制技術進行研究，有重要的科研和實用價值。

本文以西藏圭嘎拉隧道K14+402～K27+200標段深埋公路隧道工程為依托，利用MIDAS-GTS NX數值計算軟件建立隧道進洞口力學模型，針對洞口處發(fā)生凍土凍融循環(huán)前后對隧道結構的影響進行模擬；通過對圍巖、洞口結構變形和應力分布變化進行分析，對比分析了隧道施工監(jiān)測數據，進而可以指導工程施工。

1 工程概況

中交二公局第四工程有限公司承擔的中國“一帶一路”重要項目圭嘎拉隧道，起于拉薩市達孜縣林拉高速互通樞紐，止于山南市桑耶鎮(zhèn)貢澤高速互通樞紐，是該公路項目的控制性工程。隧道左洞全長12 790 m，右洞全長12 782 m。隧道為80 km/h一級分離式雙洞四車道公路隧道，隧道路面設計高程為4 248 m(進口)～4 117 m(出口)，隧道最大埋深約1 152 m。

圖1 隧道進洞口

隧道進洞口如圖1所示。隧道進洞口位于兩溝交匯山脊處，左洞位于山脊居中偏西南位置，右洞位于山脊偏西南斜坡。洞口上覆蓋第四系沖積卵石土，厚度為15.50～18.50 m。由于巖土層強度較低，大規(guī)模的開挖容易使土體失穩(wěn)，從而產生崩塌或者滑移而引發(fā)地質災害，建議土層放坡坡率為1∶1.50，并對土質邊坡進行支護。開挖時，由于圍巖體無自穩(wěn)能力，容易坍塌，并且透水性強，雨季施工使隧道洞室內產生滲水現象。開挖后，由于氣候因素，冬季氣溫較低，使圍巖土體內水分凝結成冰，直至第二年春季消融。在此期間，圍巖土體參數發(fā)生改變，水凝結成冰后又融化，土體易發(fā)生滲水現象，這將造成圍巖穩(wěn)定性下降并影響已建隧道洞口結構的穩(wěn)定性，易產生圍巖滑塌和隧道洞口坍塌等施工事故。

2 有限元計算模型

圖2 隧道洞口有限元模型圖

為了分析高原地區(qū)特長隧道洞口凍土凍融力學特性，運用有限元分析軟件MIDAS-GTS NX建立三維力學模型，采用常用的XYZ坐標系。

建模分析時，計算模型邊界建立至對隧道開挖影響最小的地方。根據洞口圍巖特性，建議邊坡開挖坡率采用邊坡坡比1∶1.5。X軸方向取100 m，Z軸隧道洞口向下取30 m，洞頂向上取距地表30 m處，Y軸向開挖縱深方向取50 m。在整體結構中選取力學模型，其上下左右4個面均為非自由面，施加位移約束。根據相關規(guī)范[19]規(guī)定，作用于隧道上表面的荷載統(tǒng)一簡化為均布荷載且取值為15 kN/m。隧道洞口有限元模型如圖2所示。

參考《公路隧道施工技術規(guī)范》[20]，巖土和構件的有限元參數見表1。

表1 巖土和構件的有限元參數

邊坡穩(wěn)定性安全系數為1.20(利用隧道進口路基報告計算結果)，在考慮地下水的作用下，邊坡穩(wěn)定性安全系數為0.956[21]。

針對隧道洞口圍巖狀態(tài)以及經歷凍融循環(huán)后隧道洞口結構應力變化，進洞采用超前大管棚支護，洞內采用超前小導管支護，以降低凍融循環(huán)后圍巖應力變化的影響。

3 凍融循環(huán)前后洞口力學分析

由于隧道處于海拔4 100 m左右的西藏高原地區(qū)，施工所處位置屬于季節(jié)性凍土區(qū)。每年經過凍融循環(huán)后圍巖表層土內水分發(fā)生水相變化，經歷固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)不斷循環(huán)，引起土層力學參數改變，對已經開挖隧道的洞口部位產生力學影響，改變施工后隧道結構的穩(wěn)定性并引起隧道洞口結構變形，易造成隧道塌孔、變形和邊坡土方滑移等工程事故。

在建立隧道洞口施工開挖模型的基礎上，改變相關圍巖溫度場參數等并進行計算，得到凍融循環(huán)前后洞口凍融循環(huán)力學模型。通過對隧道洞口開挖后凍融循環(huán)情況進行模擬，為相關隧道洞口施工力學分析提供指導借鑒。

3.1 洞口處力學分析

3.1.1 洞口塑性區(qū)變化

隧道開挖后洞口附近圍巖出現一定范圍的塑性區(qū)，該區(qū)域圍巖強度較弱，因此應予以一定的重視。通過對凍融循環(huán)前后隧道洞口進行模擬得到洞口塑性區(qū)分布情況，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知：隧道洞口處圍巖塑性變形集中在洞口兩側拱腰、拱腳和拱頂處。由于存在圍巖偏壓和上部圍巖分布不均的情況，右洞拱頂塑性值較左洞偏大，屬于正?，F象。經歷凍融循環(huán)后，洞口圍巖塑性值和面積增大，相比凍融循環(huán)前洞口塑性值增大17.4%，更有可能發(fā)生洞口坍塌、滑移和洞口結構變形等施工事故，需要在洞口施工時進行洞口結構穩(wěn)定性分析并進行模擬，以指導施工開挖并及時采取有效的施工措施。

圖3 凍融循環(huán)前洞口塑性區(qū)分布情況

圖4 凍融循環(huán)后洞口塑性區(qū)分布情況

3.1.2 洞口襯砌應力變化

圖5 隧道施工監(jiān)測點

根據隧道施工監(jiān)測點(見圖5)得到洞口模型4個觀測點襯砌水平應力變化，見表2。

根據表2可得：洞口襯砌水平應力均集中在右側拱腰，凍融循環(huán)后，左洞拱腰襯砌水平應力最大值為2 924.70 kN/m2、右洞拱腰襯砌水平應力最大值為3 290.34 kN/m2，相比凍融循環(huán)前分別增大了46%和28%?？梢娝淼蓝纯诮洑v凍融循環(huán)后，襯砌水平應力分布規(guī)律與凍融循環(huán)前相同，兩洞口襯砌水平應力最大值依舊出現在4號觀測點，但是圍巖相應力學參數改變，會產生更大的內力影響和洞口水平洞徑收斂變化，從而影響隧道結構的穩(wěn)定，拱腰處的內力增大會使襯砌產生位移等結構破壞。

表2 洞口觀測點襯砌水平應力 kN/m2

3.1.3 洞口豎向應力變化

隧道洞口開挖完成后拱頂會發(fā)生豎向沉降，通過隧道洞口有限元模型模擬得到凍融循環(huán)前后洞口拱頂豎向應力變化，如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出：凍融循環(huán)后，左右洞口豎向應力分布均集中在拱頂和拱腳處。兩洞洞口產生的豎向應力均增大，同時右洞因洞口上方圍巖分布不均產生的偏壓影響比左洞大，左洞洞口拱頂豎向應力增大15%，右洞洞口拱頂豎向應力增大21%。拱頂豎向應力的增加在實際觀測中會產生較大的豎向沉降，發(fā)生滑塌或冒頂等危險事故，施工時需要著重注意。

圖6 凍融循環(huán)前洞口豎向應力變化(kN/m2)

圖7 凍融循環(huán)后洞口豎向應力變化(kN/m2)

3.1.4 洞口拱腳內力變化

表3為洞口拱腳內力變化。由表3可知：對比凍融循環(huán)前后兩洞拱腳塑性最大值，左洞右側拱腳增加1.15倍，右洞右側拱腳增加0.76倍。兩洞拱腳應力均增加，經歷凍融循環(huán)后圍巖力學參數的改變造成左洞右側拱腳處應力增加46.0%，右洞右側拱腳處應力增加33.8%。右洞右側拱腳處應力比左洞大，是因為上部圍巖偏壓的影響使拱腳處產生應力集中現象。拱腳最大應力產生在右洞，為2 044.84 kN/m2，施工時應注意這些位置并及時加強防護。

表3 洞口拱腳內力變化

3.1.5 洞口錨桿軸力變化

圖8 左洞洞口錨桿軸力

隧道洞口施工完成并經歷凍融循環(huán)后，圍巖對錨桿的約束力發(fā)生變化，由于兩洞口錨桿軸力變化趨勢相同，以左洞錨桿軸力圖為例進行分析。通過有限元模型模擬得到隧道左洞洞口錨桿軸力，如圖8所示。由圖8可以看出：經歷凍融循環(huán)后，圍巖對錨桿的約束作用減少，同時錨桿材料發(fā)生劣化，彈性階段歷程變短。隨著圍巖約束作用的降低，錨桿進入彈塑性階段，錨桿的錨固性也降低，使得凍融循環(huán)后錨桿軸力比開挖時降低30%左右。這也會影響隧道支護結構的穩(wěn)定性，進而降低隧道洞口結構的穩(wěn)定性，這些需要在隧道施工中重點注意。

經歷凍融循環(huán)后，圍巖力學參數改變，直接影響隧道結構所受內力的改變，在實際工程中產生位移變化和隧道洞身凈空收斂，從而影響隧道整體的安全施工和隧道結構穩(wěn)定性。圍巖力學參數的改變容易發(fā)生剪切破壞和山體滑坡等災害，也會發(fā)生隧道洞口坍塌等工程事故。這需要施工時對隧道洞口及隧道上部圍巖穩(wěn)定性采取相關措施，如采用超前大管棚或超前小導管進行支護，并及時檢測圍巖變形。由于隧道施工開挖已經結束，在經歷凍融循環(huán)后兩洞圍巖內力改變，對左右兩洞結構產生不利影響，施工后初襯和二襯均發(fā)生變形，需要在施工后期對左右兩洞拱腰、拱腳和拱頂處進行檢測，記錄并及時實施相應施工措施，以防止因圍巖應力變化使洞口結構改變而引起施工事故。

3.2 洞口襯砌穩(wěn)定性變化

在凍融循環(huán)后，左右洞口襯砌位移變化趨勢相似，以左洞洞口為例進行分析。根據模擬施工開挖時洞口監(jiān)測點，得到左洞洞口襯砌觀測點經過凍融循環(huán)后凈空收斂變化，如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知：左洞洞口襯砌凈空收斂值逐步增加，比凍融循環(huán)前凈空收斂值增大了18.6%，左洞觀測點凈空收斂值最大，為47.6 mm。洞口上部圍巖由于分布較均勻，雖有偏壓影響，但是沒有右洞影響明顯，整體4個觀測點的凈空收斂值變化均相同，且經歷凍融循環(huán)后凈空收斂值變化趨勢相同，右洞較左洞凈空收斂值增大了11%。

圖9 凍融循環(huán)前左洞洞口襯砌測點凈空收斂變化

圖10 凍融循環(huán)后左洞洞口襯砌測點凈空收斂變化

3.3 圍巖偏壓影響

因為經過凍融循環(huán)使圍巖內部水相發(fā)生凝結、融化循環(huán)后，圍巖力學性質發(fā)生改變，并且由于洞口上部圍巖分布不均勻，存在邊坡偏壓等問題，使得洞口處發(fā)生豎向位移沉降，影響隧道結構的穩(wěn)定。通過有限元模型計算得到凍融循環(huán)前后洞口附近圍巖豎向位移云圖,如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可以看出：左右洞口拱頂結構均為豎向沉降位移，并且在左洞洞口拱頂處豎向位移增加了11.6 mm，右洞洞口拱頂處豎向位移增加了17.1 mm，均比凍融循環(huán)前拱頂豎向位移增加了30%。同時，右洞上方圍巖較左洞更厚，對下部洞口的均布壓力值會偏大，從而引起右洞洞口拱頂豎向位移較左洞洞口增加1.6倍。

圖11 凍融循環(huán)前左右洞口豎向位移云圖(m)

圖12 凍融循環(huán)后左右洞口豎向位移云圖(m)

4 洞口施工措施

針對以上隧道洞口經歷凍融循環(huán)前后應力變化、洞口結構變形等問題，本工程洞口段采用超前大管棚支護進洞以及超前小導管支護等綜合措施，對現場施工方法進行因地制宜的改進，并提出詳細的指導意見。

4.1 超前大管棚支護

進洞口附近存在軟弱土層和不良地質，易發(fā)生坍塌和滑落現象，需進行超前大管棚支護施工，充分發(fā)揮其地層拱的穩(wěn)定促成效應、梁拱效應和拉桿效應等優(yōu)越性能。超前大管棚支護施工現場圖如圖13所示。

圖13 超前大管棚支護施工現場圖

管棚采用長度30 m，Φ108 mm×6 mm的有孔鋼花鋼管。套拱長2 m，厚600 mm；進行鉆機作業(yè)并及時清孔。最后采用C25混凝土，內埋設20#b工字鋼及Φ127 mm孔口管，固定鋼筋與孔口管采用雙面焊接。注漿結束后，管內用M30水泥砂漿填充密實，以增強管棚的剛度和強度。完成長管棚注漿施工后，在管棚支護環(huán)的保護下，按設計的施工步驟進行掘進開挖。當管棚漿液強度達到設計要求后，即可進行暗洞施工。

施工過程須保證套拱基礎穩(wěn)定，地基承載力達到設計要求，混凝土套拱嚴格定位測量，孔口管角度、位置等準確度直接影響管棚的質量，鋼模安裝拼接平順。

4.2 超前小導管支護

圖14 超前小導管施工現場圖

超前小導管是使開挖工作面穩(wěn)定的一種有效輔助施工方法，適用于隧道拱頂部位圍巖穩(wěn)定性較差的土層。通過超前小導管注漿能改變圍巖應力狀況，增強其穩(wěn)定性。漿液注入圍巖裂隙后，能與之緊密接觸并凝固，將原有圍巖內部土顆?；蛄严赌z結成一個強度大、防水性能良好的固結體，使破碎圍巖狀況得到改善。超前小導管施工現場圖如圖14所示。

鎖腳錨管采用Φ22 mm、長3 m、壁厚4 mm的砂漿錨桿，錨管角度斜向下10°～15°，每個節(jié)點均設置2根鎖腳錨管。在鉆孔前先噴混凝土，將開挖面封閉以防止漏漿。鉆孔時使用的孔眼比管徑粗20 mm以上，使用臺車鉆桿鉆孔并按設計控制鉆桿仰角?？足@好后進行吹眼并將鉆桿換成釬尾，將導管貫入孔中，外露20 cm以便連接注漿管，并將小導管周圍空隙封堵嚴實。

施工過程須保證小導管從鋼架腹部穿過，尾端與鋼架焊接，外插角和間距應符合設計。鉆孔安裝后，合理封堵管口使其能承受規(guī)定的最大注漿壓力。注漿前，應對開挖面及5 m范圍內坑道噴射混凝土以防止孔口跑漿現象。注漿壓力應為0.5～1.0 MPa，當注漿壓力達到1.0 MPa，注漿量達到設計量的95%時，可結束注漿。

5 檢測結果對比

根據施工現場測量報告，檢測洞身凈空收斂和拱頂沉降。表4為左洞洞口凈空收斂計算值與實測值數據對比。由表4可知：圍巖豎向沉降累計值逐漸增大，隧道凈空收斂增加。實測值與數據模擬計算值吻合程度良好，規(guī)律相同，證明了有限元模型的有效性。

表4 左洞洞口凈空收斂計算值與實測值數據對比 mm

測點號1234計算值20.155.328.452.3實測值17.649.330.950.1

由于經歷凍融循環(huán)后圍巖性質發(fā)生改變，影響隧道結構的穩(wěn)定性。在凍融循環(huán)之前，隧道開挖時對隧道進行噴射混凝土，張拉鋼筋網，預先設置錨桿及二次襯砌等，都對隧道的結構穩(wěn)定起到很好的支撐作用。根據實測數據可以看出：采用超前大管棚加超前小導管支護，左洞拱頂沉降及圍巖變形均在控制要求范圍內，安全無坍落現象，達到預期效果。

6 結論

(1)經歷凍融循環(huán)后，特長隧道洞口塑性值增大17.4%，左右兩洞口拱頂豎向應力增大15%和21%，拱腳應力增大46.0%和33.8%，錨桿軸力下降約30%，影響已建隧道洞口結構的穩(wěn)定性與施工安全。

(2)根據施工現場監(jiān)測點模擬凍融循環(huán)前后隧道洞口結構位移變化，得到左洞拱腰水平應力增大46%，凈空收斂值增加18.6%。兩洞拱頂豎向位移分別增加11.6 mm和17.1 mm，均比凍融循環(huán)前增加30%左右。

(3)由于偏壓影響，經歷凍融循環(huán)后右洞內力變化均比左洞大，洞身凈空收斂值比左洞增大11%，豎向位移增加1.6倍，施工完成后需要著重注意右洞洞口的結構變化。

(4)通過隧道力學模型分析凍融循環(huán)前后洞口內力變化和結構變形等，對比模型模擬數據與工程實測數據，結果變化趨勢相同，證明超前大管棚與超前小導管支護綜合措施可以降低凍融循環(huán)后特長隧道洞口的結構變形。