淺埋偏壓型隧道洞口進洞技術與應用

陳平奧 李樹林

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隧道洞口地段的施工是隧道施工的一個難點，尤其是當洞口地段存在偏壓現(xiàn)象時[1-4]。產(chǎn)生偏壓的主要原因有地形原因和地質原因。地形原因是指洞頂覆蓋較薄，地面橫坡顯傾斜，多見于洞口淺埋地段及傍山淺埋地段。地質上，若圍巖為傾斜層狀結構，層間黏結力差、伴隨有害節(jié)理裂隙切割時，或洞身有傾角較陡的軟弱結構面，圍巖一部分較軟、一部分較硬時，或存在軟弱夾層裂帶時易發(fā)生偏壓。另外，施工期間因各種原因造成的一側塌方，也易形成顯著偏壓。因此，對偏壓隧道進洞施工技術開展研究，具有重要的現(xiàn)實意義[5]。

目前在洞口偏壓地段，一般采用較長明洞，以大刷方、大開挖方式進洞，即大范圍挖除偏壓地段的巖土體，直至地形最低處高出隧道拱頂一定距離，即人為地盡量避免或減短偏壓地段長度。最后再在洞門、明洞洞頂回填土石以穩(wěn)定邊仰坡。在這種施工過程中，大開挖方式進洞顯然與環(huán)保理念相違背，且邊仰坡刷坡過高會帶來山體穩(wěn)定性問題，實際施工中，這種施工方法導致不少隧道洞口施工現(xiàn)場出現(xiàn)了洞口山體垮塌等失穩(wěn)現(xiàn)象[6]。

因此，實際施工中提倡零開挖進洞方法，即在覆蓋層較薄(即為0～50 cm)的條件下，采用蓋挖法，明洞暗做，提前進洞，最大限度縮小隧道洞口施工的破壞范圍，達到保護隧道口森林植被的目的。

本文以貴州省盤興高速公路大山隧道為工程背景，對具有淺埋破碎偏壓特征的隧道進洞技術展開分析研究。

1 工程概況

大山隧道從斜坡下部穿越山體，進口位于大山鎮(zhèn)司家寨村龍蟒灘坡下部，出口位于忠義鄉(xiāng)毛草坪村田家沖左岸斜坡中下部，隧道穿越山體地屬高原中山區(qū)。隧址區(qū)為構造剝蝕單面山地貌，北部為單面山呈東西走向，與地層走向基本一致；南部地形相對陡峻。設計樁號為左線起點Z5K35+970，左線終點樁號Z4K37+179，全長1 209 m；右線起點K35+967，右線終點樁號K37+170，全長1 203 m。隧道進口軸線方向182°，出口軸線方向184°。其洞口全貌圖見圖1。

圖1 大山隧道出洞洞口全貌圖

大山隧道為雙線隧道，其右線出口段淺埋偏壓情況較為突出。隧道出口位于斜坡中下部緩坡處，坡度在25°～35°之間，斜坡表層巖性主要為第四系殘坡積堆積層，其厚度一般，厚度一般在1～4 m，巖性含角礫粉質黏土，棕黃、灰色，稍濕、可塑，含5%～15%的角礫，成分主要為砂巖，粒徑一般在0.5～5 cm之間，呈棱角狀。下伏基巖為二疊系下統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)，地層巖性為砂質泥巖、泥質砂巖，細粒結構、中-厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育。其右線出洞口縱斷面見圖2。

圖2 大山隧道右線出洞口縱斷面圖

2 隧道進洞開挖及加固措施

大山隧道右線出口段邊坡不僅具有淺埋破碎的工程地質特點，而且具有顯著的偏壓特征，這意味著具有偏壓特征的淺埋破碎洞口段邊坡更易產(chǎn)生地質病害，因此，在隧道進洞前應根據(jù)具體的隧道洞口段坡體的結構特點及巖體物理力學特性，選取適宜的進洞輔助工法和合理的開挖方法。

根據(jù)“零開挖”進洞技術原理，為確保隧道洞口段邊坡的穩(wěn)定和隧洞施工的安全，在前期勘察資料及地質調查分析的基礎上，多次進行現(xiàn)場查勘，依據(jù)隧道洞口段坡體結構及輔助工法、開挖方法的特點，經(jīng)多次優(yōu)化后提出采用超前管棚注漿配合不等長套拱法支護進洞的輔助工法和三臺階預留核心土開挖方法，即先施打3 m長鋼筋混凝土不對稱套拱，施作C108 mm、長20 m的注漿管棚的預加固地層，然后采用預留核心土三臺階法進洞開挖。不等長套拱及管棚支護現(xiàn)場效果圖見圖3。

圖3 現(xiàn)場不等長套拱+管棚支護效果圖

3 施工監(jiān)測與計算分析

3.1 拱頂沉降、周邊收斂變化分析

分別對Z5K37+140斷面、Z5K37+150斷面、Z5K37+160斷面及Z5K37+170斷面拱頂下沉和周邊收斂量監(jiān)測結果進行分析，可以看出：

1) 出口段量測斷面Z5K37+170在上臺階開挖后，拱頂沉降速率很大，拱頂沉降量達到20 mm，隨著上臺階的開挖，沉降趨于收斂，占總沉降量的83%；隨著下臺階開挖到量測斷面，沉降量有小范圍的增加，最后趨于收斂，總沉降量約24 mm。

2) 出口段量測斷面Z5K37+140、Z5K37+150、Z5K37+160沉降變化趨勢與量測斷面Z5K37+170一致，3個斷面最終沉降量分別為13，16，20 mm，這說明越靠近洞口，沉降量越大，洞口段應及時支護，加強監(jiān)控量測。

3) 出口段量測斷面Z5K37+140、Z5K37+150、Z5K37+160、Z5K37+170最終周邊收斂值為16，16，13，16 mm。水平收斂基本上經(jīng)歷了“急劇變化→波動→基本穩(wěn)定”的過程。水平收斂變形主要來自山體兩側，表明偏壓隧道圍巖水平擠壓變形在開挖初期變化明顯。分析收斂值跳動的原因可能是由于開挖后圍巖內(nèi)力重分布，洞口段巖體產(chǎn)狀與隧道軸線存在一定的夾角及有裂隙存在，且在洞口受地形偏壓作用，在圍巖內(nèi)力釋放時各種原因相互作用導致。

3.2 模型建立

以大山隧道右洞出口為例，通過FLAC3D建立三維仿真地質模型，利用數(shù)值計算對其洞口段的失穩(wěn)機制進行分析和研究，并依據(jù)研究結論提出了相應的處置技術。

根據(jù)大山隧道實際的地質條件和施工條件建立數(shù)值模型，現(xiàn)場為雙洞開挖，但據(jù)實測資料，雙洞之間施工相互影響較小，為簡化計算，只計算右洞出口段單洞施工。為消除邊界效應的影響，模型的橫向寬度取為90 m(約8D)；沿線路縱向模擬的里程樁號為K37+163-K37+103，長度為60 m，；距隧底仰拱往下取40 m，，隧道向上取至地表。計算坐標系X為橫向，Y為縱向，Z為豎向， 模型單元總數(shù)130 806，節(jié)點89 829。對隧道附近進行網(wǎng)格加密處理。建立三維計算模型，見圖4、圖5。

圖4 模型網(wǎng)格圖

3.3 計算參數(shù)選取

采用FLAC3D進行計算，圍巖采用三維實體單元，初支采用殼單元模擬，套拱采用實體單元模擬。通過提高錨桿加固范圍的圍巖相關力學參數(shù)來更好地反映現(xiàn)場情況。管棚的作用可采用等效方法予以考慮，即將管棚的彈性模量折算給地層，隧道圍巖材料特性按均質彈塑性考慮，選用摩爾-庫侖彈塑性材料模型。

鋼拱架的模擬按抗彎剛度等價原則，將其彈性模量折算到噴射混凝土中，作為一個等效初支共同體考慮，縱向長度取1 m進行計算，鋼拱架的彈性模量按下式折算到噴射混凝土中。

式中：E為折算后的混凝土彈性模量；E0為原混凝土彈性模量，C25噴射混凝土彈性模量為23 GPa；Eg為鋼拱架彈性模量，120a工字鋼彈性模量為210 GPa；Sg為鋼拱架截面面積，48.28 cm2；Sc為噴射混凝土截面積，3 000 cm2。

其他參數(shù)根據(jù)地勘資料及JTG 3370.1-2018 《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》確定。最終參數(shù)選取結果見表1。

表1 計算參數(shù)

3.4 計算工況

隧道按照預留核心土三臺階法開挖，上、中、下三臺階簡化進尺均為1 m，核心土長度維持在3 m，中臺滯后掌子面6 m，下臺階滯后中臺階9 m，仰拱滯后掌子面12 m。每步開挖后計算平衡，開挖下一步前施做支護。每步開挖面積及順序按照實際施工模擬。

3.5 計算結果與分析

取滑坡體最大位移和洞口斷面拱頂下沉值分別作為滑坡治理和淺埋治理指標進行分析。

3.5.1洞口段坡體應力分布特征

通過每隔2 m取垂直隧道軸線方向的橫斷面分析發(fā)現(xiàn)，在施工步驟相同的條件下，各橫斷面的應力集中區(qū)的分布位置基本一致，只是形狀、大小略有差異，因此，由進洞口20 m處的代表性斷面能推得應力集中區(qū)立體的基本分布輪廓，能基本反映施工過程中應力集中區(qū)和塑性區(qū)變化和遷移情況的部分施工步驟云圖見圖6、圖7。

圖6 開挖并支護后剪應力集中云圖(進洞20 m)(單位：Pa)

圖7 開挖并支護后主應力集中云圖(進洞20 m)(單位：Pa)

1) 剪應力。由圖6可見，整個施工過程中，最大剪應力在上臺階和中臺階開挖過程中增長較快，由0.45 MPa增長到0.79 MPa；下臺階和仰拱開挖時，最大剪應力增長較慢，最大值為0.81 MPa。

最大剪應力位置主要集中在隧道左側拱肩和右側拱腳處；顯然，失穩(wěn)并不是從邊坡而是從洞周開始。因此，采取合理的控制措施，保證施工期隧道洞周的穩(wěn)定，是保證進洞安全的根本措施。

2) 主應力。由圖7可見，典型斷面最大主應力呈現(xiàn)一定的偏壓性，且最大值在右拱腰位置。

3.5.2洞口仰坡位移分析

隧道洞口仰坡位移圖見圖8～10。仰坡主軸向均平行于隧道軸線方向，水平坐標0處為坡體前緣。豎向位移朝上為正，朝下為負；水平位移朝向山脊側為正，朝向山谷側為負。

圖8 隧道山谷側(距隧道軸線18 m)仰坡坡面軸向位移圖

圖9 隧道軸線正上方仰坡坡面軸向位移圖

圖10 隧道山脊側(距軸線18 m)仰坡坡面軸向位移圖

由圖8～10可見，山谷側仰坡坡面的垂直位移在洞口坡腳段表現(xiàn)為向上隆起，最大隆起位移為4.5 mm，而隨著軸向距離增加由向上隆起逐漸轉變?yōu)樨Q向下沉，在距洞口45 m處，豎向下沉值為2 mm；而最大水平位移為5.6 mm，方向指向山谷側，發(fā)生在距洞口5～15 m處，而隨著軸向距離的增加，水平位移減少。

3個仰坡軸向的豎直位移和水平位移均表現(xiàn)為在坡體前緣大、后緣小，即距洞口5～15 m處豎向位移和水平位移最大。在隧道山脊側仰坡位移明顯大于隧道軸線處和山谷側，最大豎向位移為16.4 mm，方向向下，最大水平位移為6.8 mm，方向向山谷側。

3.5.3圍巖位移分布特征

隧道上臺階進洞開挖45 m后，距洞口10，20，30 m處剖面的豎直位移和水平位移分布特征見圖11。

圖11 典型剖面位移分布特征圖(單位：m)

由圖11可見，由于大山隧道圍巖軟弱松散，隧道靠近山體內(nèi)側的拱頂豎直位移較大，隨著埋深增加，豎向位移也增加，最大值為30.6 mm；在靠近山體外側邊墻水平位移較大，隨著埋深的增加，隧道上部偏壓程度降低，水平位移逐漸減小至穩(wěn)定。

上臺階開挖40 m后不對稱套拱豎直位移和水平位移分布特征見圖12。

圖12 套拱豎直位移云圖和水平位移云圖(單位：m)

由圖12可見 ，套拱的豎直位移主要集中在隧道右拱肩處(深埋側)，最大豎直位移為17.1 mm，方向豎直向下；最大水平位移主要集中在隧道左拱肩處(淺埋側)，最大水平位移為16.2 mm，方向向左。

4 結論

1) 仰坡豎直位移和水平位移均表現(xiàn)為在坡體前緣大、后緣小，即距洞口5～15 m處豎向位移和水平位移最大。在隧道山脊側仰坡位移明顯大于隧道軸線處和山谷側，最大豎向位移為16.4 mm、方向向下、最大水平位移為-6.8 mm、方向向山谷側。

2) 對于偏壓型隧道，同一個斷面上拱頂豎直位移較大處集中靠近山體內(nèi)側，邊墻水平位移較大主要在靠近山體外側；隨著洞身開挖，豎向位移隨著埋深的增加而增加，隧道上部偏壓程度降低，水平位移逐漸減小至穩(wěn)定。

3) 采用承載能力高、穩(wěn)定性和整體性好于圍巖體的不等長套拱，提前進洞，最大程度地縮小隧道洞口縱向施工的破壞范圍。且在超前管棚作用配合下，能夠最大程度地保證隧道在暗挖過程中不出現(xiàn)拱頂塌方。

4) 大山隧道出口不對稱套拱形式的施工技術方案，減少了因開挖大量邊仰坡石方的工程量及施工時間，節(jié)約了工程造價，縮短了工期。通過監(jiān)控量測表明，套拱發(fā)揮作用，確保了施工安全，通道外觀亦達到了和諧統(tǒng)一。