粵東山區(qū)淺埋偏壓隧道進(jìn)洞施工優(yōu)化研究

官治立

(廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司，廣州 510623)

0 概述

洞口段淺埋偏壓是山嶺隧道施工中經(jīng)常遇到的問題。由于洞口段巖層一般較破碎、風(fēng)化程度較高，外加埋深較淺，開挖過程中難以形成拱效應(yīng)。在偏壓作用下，使得隧道兩側(cè)受力不均，施工過程中易出現(xiàn)大變形、塌方、地表沉陷、滑坡等現(xiàn)象[1]。關(guān)于淺埋偏壓隧道的進(jìn)洞施工研究方面，黃成林[2]采用數(shù)值模擬研究了洞口破碎巖體在不同施工工法下的圍巖變形和支護(hù)受力，并對不同工法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析。祁宏柱以龔家灣隧道為研究背景，采用數(shù)值模擬的方法研究偏壓隧道各個開挖階段、開挖順序時的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，得到了最優(yōu)工法。張向東[3]研究了淺埋破碎圍巖隧道的超前加固措施，發(fā)現(xiàn)管棚的效果較好，能很大程度上降低塌方的概率，但鑒于該措施的成本和施工復(fù)雜程度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)進(jìn)行選用。趙永國[4]等對秦嶺某淺埋偏壓隧道開展仿真研究，給出了符合隧道設(shè)計(jì)規(guī)范和圍巖穩(wěn)定性要求的施工方案。

隧道洞口段施工目前山嶺隧道常采用新奧法開挖。對淺埋偏壓隧道而言，為確保施工安全，常將開挖斷面分割成若干個小部分單獨(dú)開挖、快速封閉成環(huán)，以此為理念的CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等工法根據(jù)開挖斷面和圍巖條件靈活選用，并且使用效果較好，但這類工法最大的問題在于施工速度慢、成本高、工法轉(zhuǎn)換復(fù)雜[5]。此外，鑒于洞口段的不良條件，一般需配合采用各種工程措施來提前加固巖體。這些措施主要包括兩類：一類是掌子面預(yù)加固，包括管棚、水平旋噴法、超前小導(dǎo)管、超前錨桿等；另一類是地表預(yù)加固措施，包括地表錨桿、地面注漿、填土反壓、擋墻等[6-9]。監(jiān)控量測也是隧道進(jìn)洞施工中必不可少的工程措施，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)反映圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，以便及時指導(dǎo)施工[10]。

從現(xiàn)階段淺埋偏壓隧道進(jìn)洞施工可知，為確保安全，一般進(jìn)洞方案都較保守，在圍巖超前加固措施方面，從控制成本的角度一般都是適時選用。但針對某些工期較緊的特殊情況，現(xiàn)有的方案和理念不能滿足實(shí)際需求，需進(jìn)行進(jìn)洞施工的優(yōu)化。本文以粵東山區(qū)大潮高速公路某偏壓隧道為背景，研究洞口段的偏壓處治及進(jìn)洞方案優(yōu)化調(diào)整，并結(jié)合實(shí)際施工效果對優(yōu)化后的方案進(jìn)行評價。

1 工程概況

粵東山區(qū)的大潮高速公路雙向四車道梅嶺隧道，建筑限界11.0m，開挖跨度13.0m。隧道穿過丘陵地貌區(qū)，降水較多，地形起伏大，地面標(biāo)高43～204m。隧道最大埋深約110m，隧道右線進(jìn)口K13+843～870段洞身存在地形偏壓，最小覆蓋層約1.5m(圖1)。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，洞口邊仰坡主要由坡殘積粉質(zhì)粘土及全～強(qiáng)風(fēng)化巖組成，自然坡度約38°～52°，局部有微型崩塌或水土流失形成的陡坎或沖溝。鉆探資料揭示，地層主要為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層，分布厚度大，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎。從上至下依次為：

圖1 洞口段右線地形偏壓

(1)粉質(zhì)粘土(Qdl)，稍濕，可塑，土質(zhì)不均，粘性一般，夾少量碎石，厚度1.0～3.1m。

(2)碎石土(Qdl)，稍濕，稍密，顆粒級配不均，呈棱角狀，粒徑3～7cm，最大約10cm,含量約為70%，由粉質(zhì)粘土充填，零星分布，厚度為1.2m。

(3)強(qiáng)風(fēng)化夾中風(fēng)化變質(zhì)砂巖(J3dl)，巖石風(fēng)化不均，巖芯多呈碎塊狀，部分呈短柱狀，裂隙極發(fā)育，隙面普遍銹染，軟硬不均，零星分布，厚度3.4～40.3m。

(4)強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖(J3dl)，變余結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯破碎多呈碎塊狀、短柱狀，塊徑2～5cm 不等，節(jié)理裂隙極發(fā)育，裂隙面銹染，巖石風(fēng)化不均，局部偏中風(fēng)化，全場地分布，厚度2.0～58.5m。

為控制圍巖變形，確保施工安全，原設(shè)計(jì)隧道偏壓段進(jìn)洞方案為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，進(jìn)洞40m后轉(zhuǎn)為臺階法施工。

2 洞口段偏壓處治及進(jìn)洞方案優(yōu)化

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制圍巖變形方面有較大優(yōu)勢，該工法將開挖斷面分成多塊，每個分塊可在開挖后迅速各自封閉成環(huán)，施工過程中圍巖變形幾乎不發(fā)展。相關(guān)文獻(xiàn)表明，該工法所引起的地表沉陷約為臺階法的一半，施工安全度高，但雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大的缺陷在于施工流程復(fù)雜、速度慢、成本高。此外，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)洞，在后續(xù)掘進(jìn)中的工法轉(zhuǎn)換也將耗費(fèi)較多時間，于工期不利[5]。

依托項(xiàng)目工期較緊，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法不能滿足通車條件，考慮到與后續(xù)工法的連續(xù)性，擬調(diào)整為短臺階預(yù)留核心土法進(jìn)洞施工。粵東山區(qū)降水較多，為避免洞口段破碎巖體在雨水滲透劣化和淺埋偏壓雙重不利條件下的影響，進(jìn)洞前在保留原40m長管棚的基礎(chǔ)上，對偏壓側(cè)圍巖采用“地表小導(dǎo)管注漿+混凝土反壓護(hù)拱”的方案進(jìn)行加固，見表1和圖2所示。

表1 偏壓處治措施

圖2 洞口偏壓段處治加固

3 優(yōu)化效果分析

洞口偏壓段圍巖按上節(jié)中的方案加固后，采用短臺階預(yù)留核心土開挖法進(jìn)洞施工，單次進(jìn)尺控制在0.5～1.0m。結(jié)合監(jiān)控量測及二次襯砌結(jié)構(gòu)安全評價，進(jìn)行偏壓處治效果分析。

3.1 監(jiān)控量測結(jié)果

圖3～圖5為進(jìn)洞施工后的地表沉降、拱頂沉降及洞內(nèi)周邊收斂觀測情況。由圖3～圖5可知，偏壓段圍巖地表注漿加固及護(hù)拱反壓后，配合短臺階預(yù)留核心土法開挖，圍巖變形情況總體較好，地表最大沉降約45mm，沉降速率趨緩后維持在0.8mm/d。因埋深較小，拱頂沉降與地表沉降值較接近，最大值約為45mm。周邊收斂情況峰值約為16mm，穩(wěn)定后變形速率為0.3mm/d。

圖3 地表沉降觀測曲線

圖4 拱頂沉降觀測曲線

圖5 周邊收斂觀測曲線

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)在進(jìn)洞施工一周左右出現(xiàn)增加的趨勢，主要是由于下臺階開挖所導(dǎo)致，仰拱閉合成環(huán)后，變形值基本趨于穩(wěn)定。監(jiān)控數(shù)據(jù)反映的圍巖變形趨勢表明，處治措施有效地確保了淺埋偏壓隧道快速進(jìn)洞施工的安全。

3.2 裂縫出現(xiàn)及發(fā)展情況

洞口偏壓段采用優(yōu)化后的方案進(jìn)洞，施工情況總體較好，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)也較為平穩(wěn)。但進(jìn)洞30m后，在初期支護(hù)及管棚導(dǎo)向墻位置出現(xiàn)輕微裂縫，裂縫寬度約0.1mm，深度2cm。洞內(nèi)裂縫出現(xiàn)后，立即組織工程技術(shù)人員在隧道地表位置進(jìn)行巡查，未發(fā)現(xiàn)地表裂縫，表明地表注漿起到了較好的加固效果，裂縫并未貫通至地表。同時，在洞內(nèi)加強(qiáng)裂縫發(fā)展情況的監(jiān)測，半個月時間內(nèi)裂縫寬度、深度基本穩(wěn)定，也無新的裂縫增加，初步推測非貫穿的結(jié)構(gòu)性裂縫，總體不影響隧道安全，但從設(shè)計(jì)規(guī)范的角度，仍需進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

3.3 結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算

按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1-2018)規(guī)定，采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行二襯結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算，通過規(guī)范給出的方法確定淺埋偏壓圍巖荷載，并結(jié)合有限元軟件Midas進(jìn)行計(jì)算。

圖6為規(guī)范[11]給出的淺埋偏壓隧道圍巖壓力計(jì)算示意圖。根據(jù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，依托工程中深淺埋分界高度為33m，洞口偏壓段K13+843～870范圍內(nèi)，埋深19.4m的K13+870斷面為最不利條件，襯砌類型按淺埋驗(yàn)算，并按照式(1)至式(8)計(jì)算圍巖壓力。

圖6 淺埋偏壓隧道圍巖壓力計(jì)算

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ei=γhiλ

(7)

(8)

式中：h、h′分別為內(nèi)外側(cè)拱頂水平面至地面的高度，γ為隧道上覆圍巖重度，B為開挖跨度，λ和λ′分別為內(nèi)外側(cè)的壓力系數(shù)，β和β′分別為內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生最大推力時的破裂角，φc為計(jì)算摩擦角，α為地面坡角，θ為頂板巖土柱兩側(cè)的摩擦角。

根據(jù)上述計(jì)算的圍巖荷載分布，本文假定50%的荷載由二次襯砌承擔(dān)，并采用Midas進(jìn)行建模，由平面梁單元模擬二次襯砌結(jié)構(gòu)，由地基彈簧模擬地基土及側(cè)墻漿砌片石等抗力作用，襯砌厚度為50cm。本文依托項(xiàng)目隧道洞口段圍巖主要以粉砂巖及其風(fēng)化層組成，由于在通用計(jì)算的過程中均將圍巖考慮為均質(zhì)同性巖體，通過對比實(shí)際工點(diǎn)的圍巖情況和規(guī)范提供的有關(guān)參數(shù)，本次計(jì)算的各級圍巖物理力學(xué)指標(biāo)及鋼筋、混凝土參數(shù)情況見表2～表4。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 混凝土物理力學(xué)參數(shù)

表4 鋼筋物理力學(xué)參數(shù)

圖7至圖10為依托工程洞口淺埋偏壓段最不利開挖斷面K13+870處二襯結(jié)構(gòu)的計(jì)算截面編號、位移變形、剪力、軸力及彎矩分布情況。表5為根據(jù)Midas計(jì)算結(jié)果確定的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場觀測，裂縫位置為拱頂右側(cè)，截面編號為42、43、44，裂縫寬度約0.1mm。規(guī)范[11]要求，在“永久荷載”或“永久荷載+基本可變荷載”條件下，鋼筋混凝土襯砌按“鋼筋達(dá)極限強(qiáng)度或砼達(dá)抗壓、抗剪極限輕度”或“砼達(dá)抗拉極限”時的最低安全系數(shù)要求分別為2.0和2.4。由表5可知，裂縫位置在施工二次襯砌后可滿足結(jié)構(gòu)安全。除了該位置外，拱頂、拱腰、兩側(cè)拱腳的最小安全系數(shù)均大于4，滿足結(jié)構(gòu)安全的要求。

表5 洞口偏壓段二次襯砌裂縫位置安全系數(shù)

圖7 洞口偏壓段二次襯砌各截面編號

圖8 洞口偏壓段二次襯砌剪力分布

圖9 洞口偏壓段二次襯砌軸力分布

圖10 洞口偏壓段二次襯砌彎矩分布

因此，依托工程進(jìn)行偏壓處治并優(yōu)化進(jìn)洞方案后，雖初支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生輕微裂縫，但施工二襯后可確保結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

本文以粵東山區(qū)大潮高速公路淺埋偏壓隧道梅嶺隧道為背景開展相關(guān)研究，為確保工期，對原雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)洞進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)論如下：

(1)針對粵東山區(qū)等降水較多的地區(qū)，采用“管棚+地表小導(dǎo)管注漿+混凝土反壓護(hù)拱”的措施能較好地起到圍巖超前加固作用。該加固條件配合“短臺階預(yù)留核心土法”進(jìn)洞開挖，施工安全和圍巖變形可控，同時能較大縮短施工時間。

(2)進(jìn)洞施工中應(yīng)加強(qiáng)圍巖和結(jié)構(gòu)變形觀測，配合結(jié)構(gòu)驗(yàn)算情況嚴(yán)格處治結(jié)構(gòu)裂縫。本依托工程經(jīng)驗(yàn)算表明，二襯施工后可確保結(jié)構(gòu)安全。

(3)依托工程的方案優(yōu)化是基于工期緊的特殊條件，其他工程采用本優(yōu)化方案應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

工程實(shí)踐表明，采用“管棚+地表小導(dǎo)管注漿+混凝土反壓護(hù)拱”的施工方案能較好地起到圍巖超前加固的作用，該加固條件配合“短臺階預(yù)留核心土法”進(jìn)洞開挖，施工安全和圍巖變形可控，同時能較大縮短施工時間。