黃土隧道洞口穩(wěn)定性及預(yù)加固關(guān)鍵技術(shù)

胡哲釧， 梅志遠(yuǎn)， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

由于甘肅平?jīng)龅貐^(qū)隧道洞口段圍巖物理力學(xué)特性以及地質(zhì)條件較差，開挖邊仰坡將破壞坡體原有平衡，因此采用合理的工法及防護(hù)方式，對(duì)甘肅平?jīng)龅貐^(qū)隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全起著至關(guān)重要的作用，所以加強(qiáng)隧道洞口段的設(shè)計(jì)與施工是目前隧道設(shè)計(jì)與施工中的一個(gè)重要問題[1]。目前對(duì)于黃土隧道洞口處施工采取的預(yù)加固方式主要有管棚法、超前小導(dǎo)管法、地表注漿、超前錨桿等方法，本文主要通過室內(nèi)試驗(yàn)研究管棚法、超前小導(dǎo)管法在黃土隧道洞口段施工時(shí)的加固效果。

1 隧道洞口預(yù)加固方法

1.1 管棚法

管棚法是在隧道開挖前，沿著隧道開挖輪廓面，以一定角度鉆孔插入或直接插入注漿鋼管，通過鋼管向地層注漿來提高周圍的巖石強(qiáng)度，而后清除管內(nèi)的殘余漿液并填充水泥砂漿，形成由管棚和圍巖構(gòu)成的棚架體系[2]。洞室開挖后，及時(shí)在掌子面后方施作鋼拱架，從而使管棚、注漿體與鋼拱架形成強(qiáng)有力的超前支護(hù)體系，以提高圍巖的自穩(wěn)能力，防止圍巖的坍塌、松弛和下沉等。管棚的特點(diǎn)是：支護(hù)能力強(qiáng)，并且多應(yīng)用在不良地層、淺埋隧道或地面有重要建筑物的地段。其缺點(diǎn)是：施工速度緩慢、縱向搭接第2排管棚難度大[3]。管棚支護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 管棚超前支護(hù)示意

1.2 超前小導(dǎo)管

其作用類似于管棚。小導(dǎo)管注漿其支護(hù)效果主要表現(xiàn)為4個(gè)方面[4]：

(1)承載和應(yīng)力傳遞的作用，小導(dǎo)管一端與支護(hù)結(jié)構(gòu)相連，另一端置于掌子面前方的巖體中，起到了梁的效果，其與周邊巖土體形成承載拱，承載上部巖體重量的同時(shí)，還將變形壓力傳遞給支護(hù)結(jié)構(gòu)和掌子面前方的土體。

(2)形成橫向微拱，并與周邊巖體形成拱群，與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同抵抗上部圍巖變形。

(3)促使未支護(hù)段圍巖縱向平衡拱的形成和穩(wěn)定。

(4)通過注漿，加固地層提高參數(shù)。

小導(dǎo)管經(jīng)常被用于洞口有崩塌危險(xiǎn)的地段，以防止拱頂圍巖的松弛與崩落。但是它的施工時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)開挖循環(huán)影響較大。另外鋼管下方的圍巖很容易崩塌，導(dǎo)致超挖過大，但是為了減少隧道施工時(shí)的超挖量，可以減少小導(dǎo)管打入圍巖的角度，使鋼管從支護(hù)構(gòu)建中通過。

2 洞口段預(yù)加固效果室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

2.1 模型試驗(yàn)材料模擬及量測(cè)儀器

2.1.1 噴射混凝土

噴射混凝土的具體參數(shù)按照TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定取值。模擬材料用比例為水∶石膏=1∶1.15的石膏材料進(jìn)行模擬。該試驗(yàn)?zāi)M的不是極限破壞狀態(tài)，而是常規(guī)施工狀態(tài)，所以彈性模量E對(duì)試驗(yàn)結(jié)果起決定性作用，因此在單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量E不能同時(shí)滿足試驗(yàn)要求的條件下，應(yīng)該首先考慮滿足彈性模量的要求(表1)。

表1 噴射混凝土相似材料力學(xué)性質(zhì)

2.1.2 錨桿

該試驗(yàn)中錨桿用直徑為φ2 mm的竹條進(jìn)行模擬，竹條使用環(huán)氧樹脂作為膠結(jié)劑并沿桿長(zhǎng)方向粘貼一層石英砂，直接安裝到設(shè)計(jì)位置，錨桿的橫縱向間距取約10 cm，縱向加固范圍為距洞口70 cm范圍內(nèi)，橫向加固范圍為整個(gè)橫截面，錨桿打設(shè)到隧道拱頂上方位置。竹條的彈性模量取值按試驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，其值取13 GPa，錨桿實(shí)物見圖2。

圖2 錨桿

2.1.3 管棚和超前小導(dǎo)管

管棚采用銅管模擬，其外徑、內(nèi)徑分別為φ6 mm、φ5 mm，長(zhǎng)度為1.5 m。管棚施作在拱頂120°的范圍之內(nèi)，并且在管棚的起始端用石膏模擬套拱，見圖3。小導(dǎo)管采用銅桿模擬，其直徑為3 mm，長(zhǎng)度為30 cm。試驗(yàn)所用銅質(zhì)材料的彈性模量E為120 GPa左右，管棚及小導(dǎo)管實(shí)物見圖3。

圖3 預(yù)加固材料

2.1.4 量測(cè)儀器

采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量應(yīng)變值，然后轉(zhuǎn)換成所需的位移、應(yīng)力及土壓力等數(shù)據(jù)，所采用的儀器如圖4(a)所示。

2.1.5 洞室周邊徑向位移

試驗(yàn)使用高精度YHD型位移傳感器對(duì)位移進(jìn)行量測(cè)。并且在隧道周邊關(guān)鍵位置處布置需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)，如拱頂、拱肩、拱腳、仰拱等。如圖4(b)所示。

2.1.6 圍巖壓力

試驗(yàn)使用BY-3型土壓力盒對(duì)土壓力進(jìn)行量測(cè)。在洞室周邊關(guān)鍵位置處布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如拱頂、拱肩、拱腳、仰拱等位置。如圖4(c)所示。

2.1.7 地中及地表位移

試驗(yàn)使用高精度YHD型位移傳感器對(duì)拱頂上方及地表關(guān)鍵位置的位移進(jìn)行量測(cè)。地中位移計(jì)及其布置如圖4(d)所示。

圖4 量測(cè)儀器

2.1.8 錨桿軸力

在每根錨桿桿體布設(shè)1～3個(gè)電阻應(yīng)變片(規(guī)格1 mm×1 mm)，測(cè)出錨桿的應(yīng)變值，然后通過計(jì)算獲得錨桿各段軸力值。計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中：d、E分別為錨桿的直徑和彈性模量，均按實(shí)際取值。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用甘肅地區(qū)隧道Ⅴ級(jí)圍巖的力學(xué)參數(shù)。采用全斷面開挖，開挖進(jìn)尺為10 cm,試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀蜗啾葹?0。試驗(yàn)工況見表2。

表2 試驗(yàn)工況

2.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

位移、土壓力測(cè)點(diǎn)布置分別如圖5、圖6所示。所有的測(cè)點(diǎn)設(shè)置在隧道上方同一縱斷面上，離模型邊界大致為15 cm。

圖6 壓力測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：kPa)

2.2.3 模型試驗(yàn)步驟

每次試驗(yàn)分為準(zhǔn)備、預(yù)埋、開挖3個(gè)試驗(yàn)階段。

(1)準(zhǔn)備階段包括：錨桿、管棚等支護(hù)構(gòu)件的準(zhǔn)備，然后在錨桿、管棚上設(shè)置應(yīng)變片，并連接導(dǎo)線，然后對(duì)各種試驗(yàn)儀器、儀表等進(jìn)行檢查。

(2)預(yù)埋階段包括：把土壓力盒、管棚、小導(dǎo)管等牢固的安裝到指定的位置，使試驗(yàn)結(jié)果盡可能的準(zhǔn)確。

(3)開挖試驗(yàn)階段：不同工況的開挖步驟大致相同。在模擬開挖過程時(shí)，只有在毛洞情況下，拱頂及掌子面上方土體出現(xiàn)剝落，在施加上初支、管棚+初支、雙排小導(dǎo)管+初支等支護(hù)措施后，掘進(jìn)工作面均沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

2.3 室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 地中位移分析

由圖7可知：因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)6在開挖范圍中間位置，所以首先利用測(cè)點(diǎn)6去分析不同預(yù)加固措施拱頂上方圍巖豎向位移的變化規(guī)律，未加輔助措施、只有初支作用下、管棚+初支作用下、雙排小導(dǎo)管+初支作用下，隧道開挖至17.5 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)6的沉降量分別為42.0 mm、15.8 mm、6.3 mm、7.7 mm，管棚+初支作用下相對(duì)于初支情況減少了60.46%，雙排小導(dǎo)管+初支作用下相對(duì)于初支情況減小51.35%。

圖7 地中測(cè)點(diǎn)位移隨開挖進(jìn)尺的變化

通過對(duì)圖7分析可得，管棚、雙排小導(dǎo)管能夠很好地控制拱頂上方土體的豎向位移。對(duì)縱向測(cè)點(diǎn)6與測(cè)點(diǎn)3的位移進(jìn)行比較可知：因?yàn)榫蜻M(jìn)工作面土體可以被看作支撐，并且約束了隧道上部一定范圍內(nèi)土體的松弛，使其變形量更小，因此測(cè)點(diǎn)離掌子面越近，則其在豎直方向上的位移越小；對(duì)橫向測(cè)點(diǎn)9和測(cè)點(diǎn)3的位移進(jìn)行比較可知：測(cè)點(diǎn)的埋深越小，其豎直方向的位移越大，越是靠近加固土體，其豎向位移越小。由此可見，在加固措施的作用下，因?yàn)殚_挖導(dǎo)致隧道周圍土體的變形可以有效地被控制。

2.3.2 地表豎向位移分析

對(duì)圖8分析可得：在毛洞及不同預(yù)加固措施下，隧道開挖段上方測(cè)點(diǎn)7的豎向位移最大，測(cè)點(diǎn)1的豎向位移次之，未開挖段上方測(cè)點(diǎn)4的豎向位移最小，表明開挖引起了整個(gè)上方土體的松弛，越靠近隧道影響越大。

圖8 地表測(cè)點(diǎn)豎向位移隨開挖進(jìn)尺的變化

現(xiàn)在以隧道拱頂上方測(cè)點(diǎn)7來分析不同的預(yù)加固措施中豎向位移的變化規(guī)律。在毛洞情況下、在只有初支工況下、在初支+雙排小導(dǎo)管工況下、在初支+管棚工況下、在初支+地表錨桿工況下，豎向位移分別為20.3 mm、7.2 mm、3.4 mm、2.7 mm、3.2 mm，在有輔助措施條件下相對(duì)初支減少了44.62%、 62.38%、55.38%。說明管棚及雙排小導(dǎo)管這2種固措施能與圍巖土體形成有效的地層平衡拱，減少了圍巖上部土體的松弛。

2.3.3 圍巖豎向壓力分析

通過對(duì)圖9的分析得：在工作面不斷的開挖過程中，隧道拱頂上方的豎向壓力顯著減小，這是由于開挖能造成隧道上方圍巖土體出現(xiàn)松動(dòng)?，F(xiàn)在以拱頂上方測(cè)點(diǎn)3進(jìn)行分析，結(jié)果表明：隧道開挖穩(wěn)定之后，在毛洞工況下、在初支單獨(dú)作用下、在初支+雙排小導(dǎo)管支護(hù)下、在初支+管棚支護(hù)下，壓力最終變化量分別為-200.06 kPa、-128.06 kPa、54.05 kPa、-44.01 kPa，有預(yù)加固措施的壓力相對(duì)于在只有初支的作用下減小了57.79%、65.63%。

圖9 圍巖豎向壓力隨開挖進(jìn)尺的變化

對(duì)管棚與雙排小導(dǎo)管2種措施進(jìn)行分析。結(jié)果表明：豎直方向上的壓力變化量相對(duì)較大的是縱向上的測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5，結(jié)果說明管棚和雙排小導(dǎo)管起到了很好的梁效應(yīng)作用。管棚作用下的測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的壓力的變化量比雙排小導(dǎo)管更大，由此可知管棚的梁效應(yīng)要比小導(dǎo)管的明顯，這是因?yàn)樾?dǎo)管的長(zhǎng)度更短，搭接相同長(zhǎng)度的次數(shù)更多，并且由于剛度小的原因造成了壓力在傳遞過程中出現(xiàn)一定的損散。在橫向上對(duì)測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)8進(jìn)行分析可知，相較于雙排小導(dǎo)管，管棚支護(hù)控制豎向壓力的松弛要差一些，由此可見管棚在橫向上形成的平衡拱效應(yīng)要稍弱于雙排小導(dǎo)管。

綜上所述,為了有效地控制地層中圍巖壓力的松弛，管棚、雙排小導(dǎo)管都是很好的支護(hù)措施，因?yàn)轭A(yù)加固措施能有效的控制隧道拱頂上方豎向壓力的松弛現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文主要是利用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M的方法，對(duì)隧道洞口段的幾種預(yù)加固措施的支護(hù)效果進(jìn)行了研究。通過對(duì)地表、地中位移與地中土壓力的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析對(duì)各預(yù)加固措施的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。主要結(jié)論有：

(1)對(duì)只有初支作用下、管棚+初支作用下及雙排小導(dǎo)管+初支作用下的各工法的位移進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：管棚+初支作用下的豎向位移相對(duì)于初支情況減少了60.46%，雙排小導(dǎo)管+初支作用下的豎向位移相對(duì)于初支情況減小51.35%。另外，測(cè)點(diǎn)的埋深越小，其豎直方向的位移越大，越是靠近加固土體，其豎向位移越小。由此可見，在加固措施的作用下，因?yàn)殚_挖導(dǎo)致隧道周圍土體的變形可以被有效的被控制。

(2)對(duì)管棚與雙排小導(dǎo)管2種措施進(jìn)行分析。結(jié)果表明：豎直方向上的壓力變化量相對(duì)較大的是縱向上的測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)5，結(jié)果說明管棚和雙排小導(dǎo)管起到了很好的梁效應(yīng)作用。管棚作用下的測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的壓力比雙排小導(dǎo)管變化量更大，由此可以得出管棚的梁效應(yīng)要比小導(dǎo)管的明顯，這是因?yàn)樾?dǎo)管的長(zhǎng)度更短，搭接相同長(zhǎng)度的次數(shù)更多，并且由于剛度小的原因造成了壓力在傳遞過程中出現(xiàn)一定的損散。

(3)為了有效地控制地層中圍巖壓力的松弛，管棚、雙排小導(dǎo)管都是很好的預(yù)加固措施，因?yàn)檫@些預(yù)加固措施能夠有效的控制隧道拱頂上方豎向壓力的松弛。