風(fēng)積沙地層明挖隧道支護(hù)優(yōu)化及圍巖壓力研究

楊志君

西藏鐵路建設(shè)有限公司，拉薩 850000

風(fēng)積沙地層黏聚力低甚至無黏聚力，具有自穩(wěn)性差、顆粒小、滲透性強(qiáng)等工程特點(diǎn)［1-2］。穿越風(fēng)積沙地層的隧道進(jìn)出口段埋深淺，圍巖結(jié)構(gòu)松散，施工時(shí)極易出現(xiàn)坍塌、失穩(wěn)破壞等［3］。針對(duì)隧道穿越風(fēng)積沙地層已有一些研究。文獻(xiàn)［4］在風(fēng)積沙隧道明挖段采用坡率法和噴錨支護(hù)聯(lián)合防護(hù)措施，應(yīng)用效果良好。文獻(xiàn)［5］以榆神高速公路神木一號(hào)隧道為工程背景，在隧道出口風(fēng)積沙段采用水平旋噴樁超前支護(hù)方案，發(fā)現(xiàn)水平旋噴樁加固體系能夠較好地控制圍巖的變形。文獻(xiàn)［6］提出采用導(dǎo)向水平旋噴樁結(jié)合先行施工仰拱邊墻結(jié)合部預(yù)留核心土臺(tái)階法的施工方法。文獻(xiàn)［7］通過數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)的方法對(duì)小導(dǎo)管+上下臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、水平旋噴樁+三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和大管棚+上下臺(tái)階臨時(shí)仰拱法3種施工方案進(jìn)行比選，并給出3 種施工方案的適用范圍。文獻(xiàn)［8］對(duì)蒙華鐵路王家灣隧道開展現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)試驗(yàn)，并與數(shù)值模擬對(duì)比得到了到深埋風(fēng)積沙隧道的圍巖壓力計(jì)算模式。文獻(xiàn)［9］采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合的方式，探究了風(fēng)積沙地層隧道在開挖過程中圍巖壓力的變化形態(tài)等。

隧道穿越風(fēng)積沙地層施工難度大，且相關(guān)研究成果較少，支護(hù)手段單一，施工成本較高。因此，本文依托拉林鐵路嘎拉山隧道，對(duì)隧道進(jìn)口段采用明挖方式，通過對(duì)比分析進(jìn)口段基坑不同支護(hù)參數(shù)下的支護(hù)效果，結(jié)合風(fēng)積沙的特性得到較優(yōu)的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，為風(fēng)積沙隧道的設(shè)計(jì)與施工提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

嘎拉山隧道位于拉薩市曲水縣、山南市貢嘎縣境內(nèi)，是拉林鐵路的第一座隧道，全長4 373 m，最大埋深674 m，平均海拔3 600 m。隧道進(jìn)口DK35+205—DK35+472 段位于粉砂段地層中，采用明挖方式施作隧道進(jìn)口段，施作完成后再進(jìn)行回填（圖1）。

圖1 DK35+300—DK35+345基坑支護(hù)設(shè)計(jì)（單位：cm）

其中DK35+300—DK35+345 段基坑最大開挖深度為21.3 m，在邊坡開挖至垂直基坑頂部平臺(tái)時(shí)采用護(hù)樁支擋（鉆孔樁）。鉆孔灌注樁直徑1.25 m，樁長20 m，間距1.4 m，材料采用C30 鋼筋混凝土，樁間采用φ500 旋噴樁進(jìn)行止砂?；炷翙M向支撐截面60 cm（寬）×80 cm（高）。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

通過建立三維仿真模型計(jì)算不同工況下支撐體系的位移及受力情況，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 計(jì)算工況

結(jié)合其他工程施工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，將“鉆孔灌注樁+旋噴樁”簡化成類似地下連續(xù)墻的板面結(jié)構(gòu)，通過等體積強(qiáng)度換算方法得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)和橫向支撐計(jì)算工況見表1。其中，工況6—工況9 是在最優(yōu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下計(jì)算不同橫向支撐間距。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)和橫向支撐計(jì)算工況

2.2 計(jì)算參數(shù)

風(fēng)積沙的物理力學(xué)指標(biāo)參照地勘資料、GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》選取，見表2；支護(hù)材料的重度、彈性模量等參數(shù)按DB J08-61—97《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》、JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》選取，見表3。

表2 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

表3 建筑材料力學(xué)指標(biāo)

2.3 計(jì)算模型

采用FLAC3D有限差分通用程序建立模型。為反映實(shí)際情況，模型沿基坑橫向的寬度取基坑跨度的3.6倍，沿隧道縱向的寬度取隧道跨度的3.5倍?；舆B續(xù)墻采用彈性實(shí)體單元模擬，地層采用彈塑性實(shí)體單元模擬，橫向支撐及圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，見圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算三維模型

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 最優(yōu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度

以工況1 為例進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見圖3。可知：采用0.5 m 厚的圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)后，基坑周邊最大水平位移為15.3 mm，最大豎向位移為3.1 mm；連續(xù)墻作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，與基坑協(xié)同變形，水平、豎向最大位移與基坑相同。另外，基坑橫向支撐軸向最大壓應(yīng)力為3.46 MPa，在材料容許應(yīng)力（14.3 MPa）范圍內(nèi)。

圖3 工況1計(jì)算結(jié)果

提取工況1—工況5的計(jì)算結(jié)果，繪制不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度與其水平位移、橫向支撐最大軸向壓應(yīng)力關(guān)系曲線，見圖4?？芍?，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度逐漸增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及橫向支撐最大軸向壓應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為0.5 m 時(shí)，基坑最大水平位移為15.93 mm，小于GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的深基坑最大水平位移30.0 mm，橫支撐最大軸向壓應(yīng)力為3.46 MPa，遠(yuǎn)小于橫向支撐的極限抗壓強(qiáng)度，滿足變形及安全要求。另外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度越小，橫向支撐的最大軸向壓應(yīng)力越大，表明其支撐作用越明顯。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度與其水平位移、橫向支撐軸向壓應(yīng)力關(guān)系曲線

風(fēng)積沙壓縮模量大，壓實(shí)后具有較好的穩(wěn)定性和較高的強(qiáng)度。在基坑施工過程中，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)為預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠提高基坑開挖過程中風(fēng)積沙的密實(shí)度，因此在圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度較小的情況下就能保證基坑的穩(wěn)定?？紤]風(fēng)積沙的流動(dòng)特性，施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)保證其相互咬合，避免出現(xiàn)漏沙、涌沙，因此厚度不能過小。綜合考慮，本工程風(fēng)積沙地層中最優(yōu)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為1.00～1.25 m。

2.4.2 最優(yōu)橫梁間距

以工況6 為例進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見圖5。可知，采用4 m 橫向支撐間距支護(hù)后，基坑周邊土體最大水平位移為10.46 mm，最大豎向位移為1.72 mm。另外，基坑橫向支撐的最大軸向壓應(yīng)力為3.02 MPa，在材料應(yīng)力容許范圍內(nèi)。

圖5 工況6計(jì)算結(jié)果

提取工況6—工況9的計(jì)算結(jié)果，繪制不同橫向支撐間距與最大軸向壓應(yīng)力、水平位移的關(guān)系曲線，見圖6?？芍S著橫向支撐間距的逐漸增加，其最大軸向壓應(yīng)力和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移均線性增加。說明橫梁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同組成的承載體系中，當(dāng)橫向支撐間距增大時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受了更多的變形壓力。當(dāng)橫向支撐間距為7 m 時(shí)，基坑最大水平位移為13.93 mm，小于GB 50497—2019 中規(guī)定的深基坑最大水平位移30 mm，橫向支撐最大軸向壓應(yīng)力為4.71 MPa，遠(yuǎn)小于橫向支撐的極限抗壓強(qiáng)度，能夠保證基坑施工安全。

圖6 橫向支撐間距與圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、橫支撐最大軸向壓應(yīng)力曲線

合理的橫向支撐間距不僅能夠保證基坑施工安全，還能預(yù)留足夠施工空間保證后續(xù)施工進(jìn)度。綜合考慮，建議最佳橫支撐間距取7 m。

3 風(fēng)積沙明挖回填段圍巖壓力測(cè)試

在傳統(tǒng)的超淺埋隧道中，圍巖壓力可用上覆巖土體重力等效計(jì)算，即Q=γH。其中，Q為圍巖壓力；γ為土體重度；H為覆土高度。在明挖風(fēng)積沙隧道中，該公式的適用性還有待考究。因此，本文采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)圍巖壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)并分析測(cè)試數(shù)據(jù)，以期得到明挖風(fēng)積沙隧道圍巖壓力的計(jì)算公式。

3.1 測(cè)試方案

為了測(cè)量回填過程中明挖斷面襯砌的圍巖壓力，選取4個(gè)斷面測(cè)試拱頂部位所受圍巖壓力?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量儀器布置見圖7。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量儀器布置（單位：m）

3.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)可知，襯砌拱頂所受圍巖壓力隨回填高度的增加而增加，當(dāng)回填高度不再增加時(shí)，圍巖壓力趨于穩(wěn)定?；靥罡叨燃s16 m，回填風(fēng)積沙重度取1.9 g∕cm3，按照Q=γH計(jì)算得到回填壓力為0.304 MPa。圍巖壓力時(shí)程曲線見圖8?？芍?，由于512813 測(cè)點(diǎn)處于仰坡的坡腳，該處出現(xiàn)應(yīng)力集中，測(cè)得最終圍巖壓力為0.420 MPa，大于0.304 MPa。513493、513468、515483測(cè)點(diǎn)最終圍巖壓力分別為0.294、0.196、0.167 MPa。顯然，各測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力均在γH的數(shù)值上下波動(dòng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可采用該公式計(jì)算圍巖壓力。

圖8 圍巖壓力時(shí)程曲線

4 結(jié)論

1）考慮風(fēng)積沙的流動(dòng)特性，以及施工便利性、安全性和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相互咬合效果，本工程中風(fēng)積沙地層中最優(yōu)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為1.00～1.25 m。

2）為保證基坑施工安全并預(yù)留足夠施工空間，最佳橫支撐間距取7 m。

3）在風(fēng)積沙地層，可以用土體重度與覆土高度的乘積計(jì)算明挖隧道圍巖壓力。