淺埋偏壓隧道洞口聯(lián)合支護變形監(jiān)測及模擬

姜冰，常樹芳，王方立，樊毅華，趙超

（中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528403）

中國地域廣闊，中西部地區(qū)山脈縱橫、溝壑交錯，地形陡峻險要，地質(zhì)條件復雜，許多隧道建設(shè)在地質(zhì)條件復雜的山區(qū)。建設(shè)山嶺隧道中，洞口段的開挖是重要環(huán)節(jié)，特別是淺埋偏壓隧道。洞口圍巖通常存在富水、滑坡等不良地質(zhì)條件，尤其是洞口開挖后非對稱荷載會導致支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的彎矩和應(yīng)力集中。如：施工工藝與圍巖力學環(huán)境不符合，會導致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，延誤工期，增加不必要的施工成本。

目前，很多學者從不同角度對淺埋偏壓隧道進行了研究。劉小軍等人[1]采用FLAC3D 計算了某隧道洞口段圍巖及支護的受力特征，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果，證明環(huán)形導坑預留核心土法的隧道掘進過程應(yīng)先開挖淺埋側(cè)較為合理，該結(jié)論與周玉宏等人[2-5]的研究結(jié)果一致。雷明鋒等人[6]依托工程襯砌斷面及相似性原理，采用偏壓角模型對淺埋偏壓隧道圍巖壓力的分布規(guī)律進行了研究，表明：淺埋偏壓隧道開挖過程中，淺埋側(cè)圍巖壓力逐步減小，而深埋側(cè)圍巖壓力逐漸增大。來弘鵬等人[7-8]針對偏壓隧道的漸進破壞機理及圍巖應(yīng)力分布進行了試驗?zāi)M和分析，揭示了淺埋偏壓隧道塌方破壞的形成和發(fā)展過程。王祥秋等人[9]通過對比龍井隧道進口段施工過程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果，得出了偏壓淺埋隧道在不同開挖階段中圍巖位移的變化規(guī)律。王明年等人[10-11]通過物理模型試驗，對軟弱圍巖下的小凈距淺埋暗挖隧道的不同圍巖預加固強度和施工進尺進行了研究。林希鶴等人[12-14]結(jié)合寧杭高速公路宜興段梯子山隧道工程實例，論證了超前管棚支護結(jié)合注漿技術(shù)改善松軟破碎巖層的物理力學性質(zhì)。張紅衛(wèi)等人[15]通過對超前管棚注漿支護的加固機理及應(yīng)用進行了分析，證明采用管棚注漿法能在不良地層地質(zhì)條件下大跨度隧道施工過程中增強隧道自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。苑俊廷等人[16]研究了超前大管棚支護技術(shù)在某淺埋偏壓黃土隧道的實際應(yīng)用，并通過對工程量測的數(shù)據(jù)分析，證實了超前管棚支護控制隧道洞口段的地表下沉和圍巖變形效果較好。戴俊[17]通過對隧道施工所處的工程地質(zhì)條件與超前管棚預支護在隧道開挖若干階段的受力特點進行了分析，提出了超前管棚預支護的主要參數(shù)計算原則與方法。但對破碎、風化圍巖條件下的管棚支護參數(shù)的確定及數(shù)值模擬研究少見。淺埋偏壓隧道洞口段施工中，管棚參數(shù)的選取一般依靠工程經(jīng)驗選取，難以保證參數(shù)的準確性。因此，本研究擬采用數(shù)值模擬來研究淺埋偏壓隧道施工中超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護參數(shù)的選取，并以工程現(xiàn)場檢測值進行對比，以期為類似隧道工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 隧道聯(lián)合支護施工

1.1 工程背景

貴州玉石高速白巖灣隧道進口位于直線型斜坡坡腳，自然坡度約29°，隧道起訖樁號ZK16+765～ZK16+955，長190 m，隧道最大埋深53 m，隧道凈高、凈寬都為5 m?；鶐r出露為奧陶系中下統(tǒng)湄潭組（1～2 m）泥質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀205°∠32°，進洞口仰坡開挖坡向為291°，坡向與巖層傾向近似垂直，傾角略大于坡角，為切向坡，邊坡整體較穩(wěn)定。仰坡開挖坡面主要位于強風化泥質(zhì)砂巖，風化強烈，穩(wěn)定性較差，邊坡開挖后強風化巖層易沿節(jié)理裂隙面滑塌。進口仰坡整體較穩(wěn)定，但仰坡開挖強風化巖層面易沿節(jié)理裂隙面滑塌。圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育密集，裂隙水不發(fā)育，圍巖極其破碎，巖體完整性較差，拱部易掉。

1.2 長管棚設(shè)計參數(shù)

鋼管規(guī)格：φ108 mm×6 m 熱軋無縫鋼管，節(jié)長為3、6 m，鋼管環(huán)向間距為40 cm，仰角為1°～3°（不包含路線縱坡），管棚支護長度為30 m。管棚注漿采用水泥漿液（添加水泥漿液體積5%的水玻璃），通過現(xiàn)場試驗確定合理的注漿參數(shù)，初步擬定注漿參數(shù)如下：①水泥漿水灰比取1:1；②水玻璃濃度取35 波美度；③水玻璃模數(shù)取2.4；④注漿壓力初壓為1.2 MPa，終壓為2.2 MPa。

1.3 工藝流程

先施作偏壓擋墻，澆筑C20混凝土，養(yǎng)護15 d后拆模。再施作套拱，內(nèi)模安裝，預埋長管棚，定位定向鋼管，安裝外模，澆筑C25混凝土包裹鋼支撐和導向管，養(yǎng)護15 d 后才可拆模。然后進行長管棚施工。鉆孔過程中，保證鉆機不移位。每鉆進5 m，用儀器檢查角度是否偏離，確保鉆孔方向的準確性。安裝完畢后，封閉工作面，向棚管內(nèi)注漿，如圖1所示。

圖1 偏壓擋墻、超前長管棚聯(lián)合支護施工Fig.1 Combined support construction of biased retaining wall and advanced long pipe shed

2 隧道監(jiān)控量測

隧道監(jiān)測量控水平凈空收斂、拱頂下沉和地表沉降（洞口）。隧道地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂測點根據(jù)施工方法布置[18]，如圖2～3所示。

圖2 地表沉降測點布置Fig.2 Layout of surface settlement measuring points

圖3 拱頂位移及周邊收斂測點布置Fig.3 Layout of measuring points for displacement of vault and wall of the tunnel

對各測點進行連續(xù)監(jiān)測，15 d 后變形趨于收斂。由于監(jiān)控量測數(shù)據(jù)過多，以K16+775 斷面為例，拱頂變形時程曲線如圖4～6所示。

圖4 K16+775拱頂累積沉降-時間曲線Fig.4 Cumulative settlement-time curve of vault at the K16+775

圖5 K16+775周邊累積收斂-時間曲線Fig.5 Cumulative convergence-time curve of wall at the K16+775

圖6 K16+775地表累積下沉-時間曲線Fig.6 Cumulative subsidence-time curve of surface at the K16+775

從圖4～6 中可以看出，隧道拱頂?shù)某两盗吭?4～18 mm 之間，周邊收斂在11～18 mm 之間，洞口地表累計下沉在7～12 mm 之間，各值均在工程規(guī)范允許范圍內(nèi)，與聯(lián)合支護條件下的隧道開挖模擬結(jié)果接近。

3 隧道施工數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型

本研究采用巖土工程數(shù)值分析軟件MⅠDAS GTX NX進行分析，計算考慮自重，邊界條件采用位移邊界條件。模型的上邊界為自由邊界，在下邊界施加水平和豎向約束，兩側(cè)分別施加水平方向的約束。根據(jù)現(xiàn)場實際工況，計算中的覆土、圍巖材料選擇莫爾-庫倫準則，噴混、偏壓擋墻、管棚材料選擇彈性準則。隧道的施工進尺取4 m，共計5 個開挖步，管棚支護長度為30 m，鋼管取φ108 mm×6 m 熱軋無縫鋼管，鋼管環(huán)向間距取40 cm，漿液擴散半徑取30 cm。覆土、圍巖、管棚、偏壓擋墻和噴射混凝土的力學參數(shù)見表1。

表1 計算模型材料力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of calculation model

聯(lián)合支護、無支護條件下的隧道計算模型網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing diagram of the model

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 無支護情況下位移場分析

計算可得到不同施工階段隧道周邊位移，取有代表性的第1 步開挖和第5 開挖結(jié)束后的隧道周邊位移計算結(jié)果進行展示，如圖8～9所示。

圖8 無支護時第1開挖步后隧道周邊位移計算結(jié)果Fig.8 Calculation results of displacement after the first excavation step without support

圖9 無支護時第5開挖步后隧道周邊位移計算結(jié)果Fig.9 Calculation results of displacement after the fifth excavation step without support

從圖8 中可以看出，第1 步開挖后，X方向位移最大處在隧道的左側(cè)和右側(cè)，隧道左側(cè)向內(nèi)偏移量高達11.2 cm，右側(cè)向內(nèi)偏移量達24.3 cm。而在Z方向，位移最大處為隧道拱頂和底板，向內(nèi)側(cè)位移量分別是17.8、14.5 cm。第5 步開挖結(jié)束后，隧道周邊位移更為明顯。從圖9中可以看出，隧道在X、Z方向均變形嚴重，X方向隧道左側(cè)向內(nèi)偏移量達59.3 cm，右側(cè)向內(nèi)偏移量高達158.2 cm，Z方向隧道拱頂向下偏移117.7 cm，底板向上偏移99.6 cm。在這種情況下，隧道會處于危險狀態(tài)，無法繼續(xù)施工。

3.2.2 聯(lián)合支護條件下位移場分析

計算可得到聯(lián)合支護下不同施工階段的隧道周邊位移，同樣取有代表性的第1步開挖和第5開挖結(jié)束后的隧道周邊位移進行分析，如圖10～11所示。

圖10 聯(lián)合支護時第1開挖步后隧道周邊位移計算結(jié)果Fig.10 Calculation results of displacement after the first excavation step with combined support

圖11 聯(lián)合支護時第5開挖步后隧道周邊位移計算結(jié)果Fig.11 Calculation results of displacement after the fifth excavation step with combined support

從圖10 中可以看出，相比沒有支護條件的情況，使用超前管棚支護和偏壓擋墻措施后，隧道周邊位移得到了很好控制。第1步開挖后，隧道周邊在X方向最大位移值僅為0.28 mm，在Z方向最大位移量是0.98 mm。從圖11 中可以看出，第5 步開挖結(jié)束后，X方向隧道周邊最大偏移量達0.35 mm，Z方向隧道周邊最大偏移量1.58 mm。位移值均符合實際工程標準。因此，使用超前管棚支護和偏壓擋墻技術(shù)進行施工，可有效保證掘進施工和初期支護的安全。

從無支護條件下的隧道施工模擬結(jié)果可知，無論是隧道的拱頂下沉、周邊收斂，還是隧道上方的地表沉降，均遠遠超過設(shè)計要求，隧道拱頂?shù)南鲁?，腰部的擠壓扭曲，甚至達到了米級，在實際工程背景下，這意味著隧道已經(jīng)處于垮塌狀態(tài)。因此，超前管棚支護、偏壓擋墻聯(lián)合支護技術(shù)應(yīng)用于淺埋偏壓隧道洞口段的施工中，可發(fā)揮良好的支護效果。

4 結(jié)論

有限單元法是研究淺埋偏壓隧道洞口段施工中超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護技術(shù)的有效方法。利用有限元法，可以定量地分析隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力及變位情況。本研究對比在有無聯(lián)合支護2 種工況下隧道開挖穩(wěn)定性的差異。通過MⅠDAS GTX NX 計算模擬，研究了2 種工況下圍巖的應(yīng)力和變形的分布規(guī)律，以及在不同開挖階段過程中位移和應(yīng)力的變化情況。由此判斷出隧道在開挖后的穩(wěn)定性，這對類似工程背景下的隧道工程管棚支護的施工和設(shè)計，具有一定參考意義。

在淺埋偏壓隧道洞口段的施工中，未采用超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護技術(shù)方案時，隧道開挖后隧道邊墻、拱頂和地表覆土均出現(xiàn)了米級大幅度位移。實際施工中，這種量級形變，意味著隧道已經(jīng)發(fā)生垮塌，完全不具備安全施工條件。而采用超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護技術(shù)方案后，管棚注漿改善了軟弱破碎圍巖的物理力學性質(zhì)，在隧道開挖輪廓周圍形成剛度較大、完整性好的混凝土注漿加固帶，隧道圍巖位移、地表下沉得到了很好地控制。偏壓擋墻則很好地抵消了管棚結(jié)構(gòu)在高海拔方向一側(cè)受到的擠壓應(yīng)力，阻止了管棚結(jié)構(gòu)在水平方向上發(fā)生明顯偏移。

可見超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護技術(shù)是確保淺埋偏壓隧道洞口段順利完成施工及地面建筑物安全穩(wěn)固的有效方法。