黃土區(qū)域淺埋隧道施工控制技術(shù)研究

劉 瑞

（中國(guó)鐵建大橋局集團(tuán)第四（南方）有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056）

0 引言

黃土由于其強(qiáng)度較低、遇水具有濕陷性，導(dǎo)致黃土區(qū)域隧道面臨圍巖松弛和塌方等問(wèn)題[1-2]。在黃土隧道施工方面，已有大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。莫江峰等[3]以實(shí)際工程為依托，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和MIDAS/GTS數(shù)值仿真計(jì)算研究了黃土隧道的施工和圍巖變形特征；夏海等[4]提出了一種預(yù)制臨時(shí)仰拱，該結(jié)構(gòu)能重復(fù)使用，解決了黃土隧道的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工難以及拆除后無(wú)法利用等問(wèn)題；尚海松等[5]對(duì)雙線(xiàn)黃土隧道在施工過(guò)程中的拱頂下沉和周邊變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了雙線(xiàn)黃土隧道的施工變形預(yù)留量的建議值；羅龍等[6]對(duì)黃土隧道的施工面臨的沉降速度快和初期支護(hù)拱部裂縫等問(wèn)題進(jìn)行了研究工作，并優(yōu)化了支護(hù)方法；張峰等[7]提出了針對(duì)濕陷性黃土地區(qū)隧道施工問(wèn)題的優(yōu)化方案。此外，從事黃土隧道施工及支護(hù)研究工作的還有袁龍[8]和梁慶國(guó)等[9]。

該文以張家灣黃土隧道的實(shí)際工程為例，從明挖法的施工流程、黃土邊坡的穩(wěn)定性以及明洞結(jié)構(gòu)受力特性的角度，對(duì)黃土區(qū)域淺埋隧道的施工控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

張家灣鐵路線(xiàn)是連接隴海鐵路與蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道的連接線(xiàn)。該線(xiàn)位于河南省三門(mén)峽市陜州區(qū)境內(nèi)，分左、右兩聯(lián)，分別并入隴海鐵路接入張家灣站。最大縱坡為13‰，曲線(xiàn)最小半徑為500m。線(xiàn)路長(zhǎng)度約5.1km。該標(biāo)段主要為黃土、細(xì)砂、砂巖及砂巖夾泥巖。工程位于汾渭斷陷的靈三斷陷盆地，如圖1所示，為新生代斷陷盆地，與兩側(cè)山區(qū)以斷裂帶為分界，基底構(gòu)造復(fù)雜，斷塊活動(dòng)復(fù)雜，地震活動(dòng)頻繁，上部沉積巨厚的第三系、第四系沉積物。

圖1 工程示意圖

2 洞口施工工藝

地勘資料表明，由于隧道洞口位于地質(zhì)條件較差的黃土地層中，導(dǎo)致其圍巖的穩(wěn)定性較低?？紤]到這些情況，明洞段采用明挖法進(jìn)行施工，進(jìn)出口采用大管棚支護(hù)，正洞段采用三臺(tái)階法施工。隧道采用新奧法原理施工，正洞開(kāi)挖采用機(jī)械開(kāi)挖，無(wú)軌運(yùn)輸，壓入式通風(fēng)，初支噴混凝土采用濕噴機(jī)械手施工。當(dāng)施工時(shí)及時(shí)進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換，做到“管超前、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”。

2.1 明洞段施工流程

邊仰坡采取分層開(kāi)挖，按照設(shè)計(jì)坡比分層開(kāi)挖，開(kāi)挖選擇在雨季前完成，采用隨開(kāi)挖隨防護(hù)，施工中盡量減少對(duì)原有植被的破壞和對(duì)洞口的擾動(dòng)。

從上而下分步開(kāi)挖，開(kāi)挖后立即掛網(wǎng)噴錨防護(hù)，封閉開(kāi)挖面。掛網(wǎng)錨噴支護(hù)參數(shù)為 Φ22mm砂漿錨桿長(zhǎng)4m、間距1.5m×1.5m，梅花型布置；采取C25噴射混凝土厚15cm。在噴護(hù)完成后對(duì)洞頂山坡面進(jìn)行浮土清理，清理必須徹底。分層開(kāi)挖出碴采用挖掘機(jī)順層倒土方式來(lái)穩(wěn)定開(kāi)挖邊坡。下邊開(kāi)挖設(shè)置一塊較大場(chǎng)地，具有足夠的裝碴運(yùn)輸空間，在倒至運(yùn)輸裝砟場(chǎng)地上配置一臺(tái)裝碴機(jī)裝碴，運(yùn)輸車(chē)出碴并運(yùn)至臨時(shí)征用場(chǎng)地鋪底，建設(shè)臨時(shí)營(yíng)地和生產(chǎn)場(chǎng)地，多余碴料運(yùn)至棄砟場(chǎng)棄放。

在明洞施工過(guò)程中應(yīng)著重注意排水，雨季不進(jìn)行施工，在施工時(shí)應(yīng)考慮最先制作開(kāi)挖線(xiàn)外側(cè)的截水溝；邊坡表面的一些危巖落石應(yīng)及時(shí)清理，施工過(guò)程中對(duì)坡面以及基坑壁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)；開(kāi)挖拉槽應(yīng)注意分段進(jìn)行，一般取4m～6m為一段；當(dāng)進(jìn)行拉槽和跳槽等施工時(shí)，應(yīng)確保圍巖的穩(wěn)定，注意施工安全。

2.2 明挖法邊坡的穩(wěn)定性研究

在隧道施工過(guò)程中，邊坡的穩(wěn)定性嚴(yán)重影響施工安全。該文基于FLAC3D強(qiáng)度折減法來(lái)分析邊坡穩(wěn)定性。

2.2.1 強(qiáng)度折減法原理

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值分析的應(yīng)用，強(qiáng)度折減法正在被越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于邊坡安全系數(shù)的計(jì)算，其優(yōu)點(diǎn)在于，不需要假定滑移面的位置以及形狀，能夠方便的顯示巖土體的應(yīng)力應(yīng)變信息。

有限差分強(qiáng)度折減法的基本原理是將坡體強(qiáng)度參數(shù)即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時(shí)除以折減系數(shù)Ftrial，由此產(chǎn)生新的ctrial和φtrial，再進(jìn)行計(jì)算直至求解出當(dāng)坡體發(fā)生臨界破壞時(shí)的對(duì)應(yīng)值，這時(shí)對(duì)應(yīng)的Ftrial即為坡體最小穩(wěn)定系數(shù)，這時(shí)邊坡處于極限狀態(tài)。各個(gè)求解參數(shù)計(jì)算如公式（1）和公式（2）所示。

式中：c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；ctrial為試算黏聚力；ctrial為試算內(nèi)摩擦角；Ftrial為安全系數(shù)試算值。

對(duì)于有限差分強(qiáng)度折減法的計(jì)算，其最主要問(wèn)題在于如何通過(guò)最少次數(shù)的折減運(yùn)算，以最快速度求解所需極限狀態(tài)安全系數(shù)的準(zhǔn)確值。該文主要基于有限差分強(qiáng)度折減法，使用FLAC3D軟件，以剪應(yīng)變?cè)隽孔鳛檫吰率Х€(wěn)的判斷依據(jù)，確定邊坡的臨界滑動(dòng)面，并求解其安全系數(shù)Fs。

2.2.2 邊坡的穩(wěn)定性分析

由于不同橫斷面處的隧道頂部上覆土體厚度不同，因此選取兩處典型斷面來(lái)建立數(shù)值模型，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，具體的計(jì)算工況見(jiàn)表1。建立的2個(gè)模型示意圖如圖2所示。工況1的土層主要為細(xì)砂、黃土和砂巖（由上到下）。工況2的土層主要為細(xì)砂、砂巖夾泥巖和砂巖。當(dāng)建模時(shí)，隧道圍巖和二襯采用zone模擬，錨桿采用cable單元進(jìn)行模擬，襯砌結(jié)構(gòu)采用shell單元模擬。材料均使用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，具體材料參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 計(jì)算模型圖

表1 邊坡計(jì)算工況

表2 模型計(jì)算參數(shù)選擇

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得工況1的安全系數(shù)為3.25，工況2的安全系數(shù)為2.0。工況1和工況2的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖3所示。由圖3可知，工況1模型的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D表現(xiàn)為右側(cè)滑移區(qū)域大于左側(cè)，并且在右側(cè)基坑底部區(qū)域剪應(yīng)變?cè)隽孔畲?。由于右?cè)邊坡滑移面距離坡面較近，因此在實(shí)際施工過(guò)程中，需要考慮對(duì)基底的加固問(wèn)題。而工況2模型的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D近似對(duì)稱(chēng)分布，同樣表現(xiàn)為坡腳處的剪應(yīng)變?cè)隽孔畲蟆?/p>

圖3 兩種工況的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范，工點(diǎn)處的邊坡安全系數(shù)滿(mǎn)足要求。當(dāng)邊坡失穩(wěn)破壞時(shí)，錨桿的軸力如圖4所示。由圖4可知，工況1的錨桿都受拉，軸力最大值約為476 kN。工況2的錨桿大部分受拉，局部會(huì)有受壓現(xiàn)象，最大軸力可達(dá)633.7 kN。對(duì)比圖3（a）和（b）可知，錨桿越靠近坡腳，其軸力越大。工況1的邊坡右側(cè)的錨桿軸力大于左側(cè)。而工況2的邊坡右側(cè)上部錨桿處于受壓狀態(tài)，未發(fā)揮作用。在施工過(guò)程中，應(yīng)著重注意對(duì)坡腳部分的支護(hù)。

圖4 錨桿軸力圖

2.3 明洞結(jié)構(gòu)受力分析

不同工況下明洞襯砌結(jié)構(gòu)的軸力云圖如圖5所示。由圖5（a）和（b）可知，工況1和工況2的軸力分布趨勢(shì)大致相同，均處于受壓狀態(tài)。從整體來(lái)看，模型自上至下，軸力逐漸增加，均在襯砌底部達(dá)到最大值。值得注意的是，工況1的最大軸力為550 kN，而工況2的最大軸力為120 kN，表明上覆土體的厚度對(duì)襯砌的軸力有顯著影響。

圖5 不同工況下明洞襯砌軸力云圖

在不同工況下明洞襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩云圖如圖6所示。由圖6（a）和（b）可知，工況1和工況2的最大彎矩位置有所不同，工況1的彎矩最大處位于襯砌的拱腳附近，而工況2的彎矩最大處位于襯砌的底部。此外，工況1中的最大彎矩為239kN·m，工況2中的最大彎矩為48.8kN·m。表明隧道上覆土體厚度越大，襯砌的最大彎矩就越大。

圖6 不同工況下明洞襯砌彎矩云圖

在進(jìn)行明洞的軸力彎矩分析后，還應(yīng)對(duì)襯砌的強(qiáng)度進(jìn)行檢算?；凇惰F路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的方法對(duì)襯砌強(qiáng)度進(jìn)行檢算，結(jié)算結(jié)果顯示鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為2.68≥2.4，最大裂縫寬度為0.19mm，均滿(mǎn)足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 開(kāi)挖掘進(jìn)工藝

考慮實(shí)際地質(zhì)環(huán)境，黃土隧道采用機(jī)械開(kāi)挖。該工程隧道施工采取為臺(tái)階法和三臺(tái)階法。當(dāng)隧道開(kāi)挖時(shí)要預(yù)留一定的開(kāi)挖量，Ⅴ級(jí)圍巖要預(yù)留12cm～15cm的開(kāi)挖量，隧道開(kāi)挖須嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行施工工作。其中，三臺(tái)階開(kāi)挖法步驟具體如下：1）上臺(tái)階開(kāi)挖?；⌒伍_(kāi)挖拱部。下臺(tái)階頂部距拱頂5m，留有3.0m～5.0m長(zhǎng)的平臺(tái)。每一次掘進(jìn)1榀鋼架間距。人工對(duì)拱頂開(kāi)挖弧形槽，機(jī)械開(kāi)挖主體，最后人工修整至設(shè)計(jì)輪廓后立即初噴4cm混凝土，及時(shí)架立鋼拱架、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、縱向連接筋焊接。在拱腳以上50cm處緊貼鋼架兩側(cè)按斜向下傾角45°打設(shè)鎖腳錨管，鎖腳錨管于拱架采用“L”形鋼筋牢固焊接，噴混凝土厚度至25cm；2）下臺(tái)階開(kāi)挖，避免上臺(tái)階的初期支護(hù)在同一位置懸空。每次開(kāi)挖長(zhǎng)度最長(zhǎng)不得大于2榀拱架間距。機(jī)械開(kāi)挖、人工修整至設(shè)計(jì)輪廓后立即初噴4cm混凝土，及時(shí)架設(shè)鋼架、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、縱向連接筋焊接。在鋼架墻腰以上50cm處緊貼拱架兩側(cè)按斜向下傾角45°設(shè)鎖腳錨管，鎖腳錨管與鋼架采用“L”形鋼筋牢固焊接，噴混凝土厚度至25cm；3）仰拱開(kāi)挖。每一次開(kāi)挖進(jìn)尺不得大于3m，機(jī)械開(kāi)挖、人工修邊至設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)，及時(shí)架設(shè)鋼架、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、縱向連接筋焊接。為了保證仰拱施工縫與拱墻襯砌施工縫保持一致，連續(xù)開(kāi)挖3循環(huán)后施作一版仰拱，仰拱填充混凝土。仰拱端頭距上臺(tái)階掌子面不大于35m，施做二次襯砌。

對(duì)于超挖地段，邊墻腳至其上1m范圍內(nèi)和拱部超挖地段用與襯砌同級(jí)砼回填，邊墻腳1m以上至起拱線(xiàn)之間的超挖采用襯砌同級(jí)砼一次灌注。其他部位采用襯砌同級(jí)砼回填。底板超挖部分按設(shè)計(jì)要求并請(qǐng)示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師后處理。對(duì)欠挖地段，較大超欠挖地段可采用挖掘機(jī)再次開(kāi)挖；當(dāng)個(gè)別突出點(diǎn)侵入二襯超限時(shí)，可采用風(fēng)鎬等器具鑿掉處理，使其表面盡量平順。

4 結(jié)論

該文以張家灣鐵路線(xiàn)為背景，針對(duì)當(dāng)?shù)貓?chǎng)地環(huán)境與工程地質(zhì)環(huán)境研究了黃土隧道的施工技術(shù)，主要得到了以下結(jié)論：1）FLAC3D計(jì)算結(jié)果顯示，不同工況下的邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨桿軸力云圖顯示，越靠近坡腳，錨桿的軸力越大，且工況1和工況2的錨桿軸力分布有所區(qū)別。施工中應(yīng)注意對(duì)坡腳的支護(hù)；2）受力分析結(jié)果顯示襯砌最大軸力、彎矩和上覆土層厚度呈正相關(guān)，上覆土體越厚，襯砌的最大彎矩和軸力也越大。明洞結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和最大裂縫寬度均滿(mǎn)足規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；3）鑒于黃土隧道的濕陷性，施工時(shí)應(yīng)避開(kāi)雨季，并做好排水措施；4）考慮黃土隧道的強(qiáng)度與濕陷性，開(kāi)挖掘進(jìn)采取臺(tái)階法和三臺(tái)階法，且注意超挖與欠挖地段的處理措施。