隧道洞口施工中穩(wěn)定性分析及預(yù)測研究

侯超

摘要 文章主要圍繞隧道洞口工程的穩(wěn)定性展開研究，先對影響隧道洞口施工穩(wěn)定性的相關(guān)因素進行了詳細分析，隨后基于實際施工案例，對隧道洞口施工穩(wěn)定性結(jié)果提出處理措施，旨在保證隧道洞口工程順利開展。具體措施如下：采用抗滑樁為樁長36 m、截面尺寸為2 m×3 m與單孔預(yù)應(yīng)力錨索長度30 m、傾角為25 °、軸向拉力設(shè)計值800 kN的結(jié)合方式，同時，采用10根25 mm鋼筋進行明洞結(jié)構(gòu)加固，以大幅提高案例工程隧道洞口的施工穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 隧道洞口；施工穩(wěn)定性；處置措施

中圖分類號 U455.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0080-03

0 引言

在大部分鐵路與公路建設(shè)中，隧道工程的施工比例極大，特別是在一些山區(qū)交通工程項目中，隧道工程常常作為整個項目的核心工程，可以說，隧道工程施工質(zhì)量對施工整體進度與質(zhì)量有著直接性影響[1]。然而實際施工中，隧道洞口施工段通常地質(zhì)情況較為復(fù)雜，施工難度比較高，對于整體穩(wěn)定度有著嚴格工藝要求。因此，在實際施工中，要深入研究影響隧道洞口施工穩(wěn)定性的諸多因素，進而采取關(guān)鍵性措施，提高洞口穩(wěn)定性，保障施工安全，對于隧道工程的順利開展具有重要意義。

1 工程概況

該研究以某高速公路工程中隧道項目為例，隧道洞口區(qū)域?qū)俑呱降孛布昂恿鹘g堆積地段，區(qū)內(nèi)山體渾厚，沖溝發(fā)育，自然斜坡坡度陡峭，坡角多變化在15 °～65 °間，局部呈陡坎。隧道進口為斜坡，溝谷深切，呈“V”形，斜坡上部大部分為巨厚層冰磧堆積層，陡崖下緩坡處為崩坡積堆積層，坡腳零星基巖出露，斜坡陡峻。尤其是隧道洞口區(qū)域，邊坡上部為角礫土，具體厚度情況約為16～30 m，下部為變巖。因此，為保障隧道洞口施工質(zhì)量，要根據(jù)隧道洞口穩(wěn)定性預(yù)測結(jié)果，采取相應(yīng)的穩(wěn)定控制技術(shù)措施。

2 隧道洞口施工穩(wěn)定性的影響因素分析

2.1 巖體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響

在隧道洞口施工時，施工區(qū)域自有的天然巖體結(jié)構(gòu)在一定程度上直接決定施工的失穩(wěn)方式。根據(jù)具體的施工情況來看，當(dāng)巖石等級較低時，失穩(wěn)模式一般表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)面的塌方。當(dāng)隧道洞口多由軟弱巖石組成時，其失穩(wěn)模式的表現(xiàn)基本為滑坡，隧道洞口的軟弱巖石情況如表1所示。表1中的軟弱巖石表現(xiàn)為易被腐蝕軟化（腐蝕物基本為水），且?guī)r石強度較低。這類巖石構(gòu)成的隧道洞口在施工時，極易出現(xiàn)不同程度的滑坡問題，進而影響隧道洞口穩(wěn)定性[2]。

與此同時，造成巖體結(jié)構(gòu)變形并出現(xiàn)破壞情況的原因還包括巖體結(jié)構(gòu)的變化，例如巖體結(jié)構(gòu)的變化會直接影響隧道洞口的施工穩(wěn)定性。材料僅次于巖體結(jié)構(gòu)的變化。造成巖體結(jié)構(gòu)變化的因素包括結(jié)構(gòu)面的傾角、連續(xù)性、表面性質(zhì)、組成與數(shù)量等。在進行隧道洞口施工時，如將巖體按照自身結(jié)構(gòu)劃分，可分為五類結(jié)構(gòu)。在實際施工過程中，當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)為整體塊狀結(jié)構(gòu)時，通常極少發(fā)生洞口失穩(wěn)情況。但如果洞口呈斜坡狀，整體構(gòu)成為軟弱層面時，極易出現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)變化，進而引發(fā)隧道洞口失穩(wěn)[3]。

2.2 地應(yīng)力

地應(yīng)力對隧道洞口施工穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在洞口巖體節(jié)理裂隙發(fā)育和變形破壞。在施工環(huán)節(jié)，地應(yīng)力主要是指自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力。巖體的結(jié)構(gòu)面是復(fù)雜、多層次的，這就導(dǎo)致巖層的應(yīng)力場分布變得極為復(fù)雜。應(yīng)力集中與應(yīng)力阻滯的現(xiàn)象基本會集中在結(jié)構(gòu)面的周圍出現(xiàn)。一旦應(yīng)力集中值的增長超過了隧道洞口的巖體強度，那么洞口巖體平衡將會被打破。地應(yīng)力長久的影響著地殼巖體，甚至?xí)霈F(xiàn)巖體變形與破壞的嚴重問題，即使在出現(xiàn)較為活躍的地殼運動后也不會消失。甚至在某些地區(qū)的巖體中，構(gòu)造應(yīng)力會遠高于巖體的自重應(yīng)力，加劇洞口穩(wěn)定性的不良影響，對隧道洞口施工穩(wěn)定性的影響巨大。

2.3 其他影響因素

除上述影響因素之外，在進行隧道洞口施工時，影響其穩(wěn)定性的因素還包括降水、氣候、地下水、天氣變化、植被、地震荷載力以及爆破的影響。具體來說，當(dāng)施工過程中需要進行爆破作業(yè)時，巖體會在爆破動力的沖擊之下，對周圍的巖體產(chǎn)生負面影響，如擠壓作用等。當(dāng)爆破沖擊力逐漸擴散時，隨著力的傳導(dǎo)，剪應(yīng)力逐漸增加，最終導(dǎo)致巖體破裂。地震荷載力的影響取決于地震自身的動態(tài)變化，其影響具有高度的不確定性，嚴重影響著隧道洞口的施工穩(wěn)定性。其他影響因素與作用匯總情況如表2所示。

3 隧道洞口施工穩(wěn)定性預(yù)測分析

3.1 隧道洞口失穩(wěn)機理分析

在隧道洞口施工過程中，由于要面對十分復(fù)雜的施工環(huán)境，因此多方面因素都會導(dǎo)致隧道洞口失穩(wěn)。通常情況下，隧道洞口巖土體的破壞，會產(chǎn)生以下機理：

（1）當(dāng)隧道洞口的巖土體塊、整體結(jié)構(gòu)被破壞時，導(dǎo)致開挖表面不連續(xù)相交，對原有的結(jié)構(gòu)造成破壞。如果隧道洞口施工中沿不利方向進行開挖，則會導(dǎo)致巖土體中的關(guān)鍵塊產(chǎn)生滑動，導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生空白空間，無法對周邊土塊形成相應(yīng)支撐作用，導(dǎo)致土塊整體產(chǎn)生相對移動。

（2）當(dāng)滑動塊滿足滑動條件時，隧道洞口如果對土塊整體進行破壞，也會導(dǎo)致土塊沿某個方向或邊緣地帶進行滑動，也就是在開挖的過程中，塊體具有移動性的特征趨勢。

（3）當(dāng)巖土體的滑動受到抑制或阻礙時，這時土塊還能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)滑動，也就是產(chǎn)生不規(guī)則滑動，當(dāng)滑動體受限制而不能沿洞口開挖面進行滑出時，也會導(dǎo)致塊體跌落，產(chǎn)生傾倒、扭轉(zhuǎn)等破壞現(xiàn)象，對整體穩(wěn)定性構(gòu)成影響。

（4）當(dāng)隧道洞口施工時，如果關(guān)鍵塊被挖出，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性崩壞，會產(chǎn)生新的斷裂帶。由于新斷裂產(chǎn)生孤立巖體，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，如未采取相應(yīng)的措施，會引發(fā)整體滑坡與塌方。

3.2 隧道洞口失穩(wěn)分類研究

當(dāng)隧道洞口整體失穩(wěn)后，不同的破壞方式會引發(fā)隧道失穩(wěn)產(chǎn)生各異特點，例如單一平面破壞、平面和張裂縫并存破壞、兩個滑動面破壞、雛形體破壞、旋轉(zhuǎn)破壞等，這些都會產(chǎn)生相應(yīng)的洞口失穩(wěn)情況，具體如表3所示。

3.3 隧道穩(wěn)定性預(yù)測

在案例工程施工環(huán)節(jié)，要基于隧道洞口穩(wěn)定性主要影響因素，對實際數(shù)值進行預(yù)測計算，從而為施工處置措施提供參考支持。例如對研究案例洞口進行有限元計算，利用建模手段綜合考量洞口的物理學(xué)參數(shù)數(shù)值，具體如表4所示。

結(jié)合相關(guān)數(shù)值進行建模分析，能夠得到有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果，具體如圖1所示。由圖1可知，隨著隧道洞口工程的施工推進，在自重荷載系數(shù)的影響下，洞口邊坡滑體與底部分界區(qū)域的塑性數(shù)值會越來越高，這時如果洞口邊坡與上方塑性區(qū)域連通形成全新貫通面，則說明隧道洞口整體穩(wěn)定性較低，周邊巖土?xí)殡S施工發(fā)生滑移現(xiàn)象。因此，進一步引入極限平衡法，針對每個土質(zhì)分塊區(qū)域的自然狀態(tài)進行計算，以此推導(dǎo)出正常狀態(tài)下的隧道洞口穩(wěn)定性系數(shù)K值為1.04，同時，飽和水狀態(tài)下的隧道穩(wěn)定性系數(shù)K值為0.96，均說明隧道洞口處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)及時采取施工干預(yù)措施。

4 基于隧道穩(wěn)定性預(yù)測的施工措施

4.1 截水和排水

基于隧道洞口穩(wěn)定性數(shù)值結(jié)果，應(yīng)加強截水與排水設(shè)施效率，采用相應(yīng)的支護加固措施，先要對洞口邊坡的下滑力進行計算，具體公式（1）所示：

P=KTi+Pi?1ψ?Ri （1）

式中，P、Pi?1——隧道洞口邊坡的對應(yīng)滑體；K——隧道洞口穩(wěn)定性預(yù)測結(jié)果?？梢愿鶕?jù)實際情況計算出坡體的滑坡推力值P，具體為1 916 kN/m。因此，設(shè)置截水和排水設(shè)施時，還要綜合考慮施工區(qū)域的地下水規(guī)模，當(dāng)施工區(qū)域的地下水規(guī)模較小時，排水工程的施工可以集中在地面排水工程，地下區(qū)域可忽略不計。具體而言，在隧道洞口兩側(cè)建造急流槽，用于排出地表水。截水溝和急流槽的修建可以在一定程度上避免地表水滲透至隧道洞口的巖體之中，形成滑坡。最后，為降低沖刷力，需在截水溝與急流槽的連接處配置消力池。

4.2 錨固支擋

進行隧道洞口施工時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)邊坡的滑坡體的下滑力較大、滑動面位置較深且坡度大等情況，此時可以使用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁進行加固，以提高隧道洞口的穩(wěn)定性。具體來說，可在隧道洞口位置規(guī)劃出抗滑樁位置，保證抗滑樁之間距離為5 m，該次隧道洞口工程共計設(shè)置10根抗滑樁?？够瑯兜脑O(shè)置可以提高洞口穩(wěn)定性，并保證施工安全。在施工過程中，考慮洞口的偏壓狀態(tài)，需要細致規(guī)劃隧道洞口施工和抗滑樁的施工。錨固支護分類主要由抗滑樁與單孔預(yù)應(yīng)力錨索組成，其中錨索施工位置為抗滑樁樁頭，對于支護尺寸，抗滑樁為樁長36 m、截面尺寸為2 m×3 m、深入基巖5 m以下；單孔預(yù)應(yīng)力錨索的長度為30 m、傾角為25 °、軸向拉力設(shè)計值約為800 kN、深入基巖持力層10 m。錨固支護施工方案具體如表5所示。

4.3 明洞結(jié)構(gòu)加固

當(dāng)隧道洞口處于滑坡位置時，極有可能產(chǎn)生較強的下滑力，繼而對洞口結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，降低隧道洞口穩(wěn)定性。因此，需要根據(jù)洞口結(jié)構(gòu)受力情況重新計算其荷載力，可利用荷載結(jié)構(gòu)法計算公式W（重量，kg）＝F（斷面積，mm2）×L（長度，m）×ρ（密度，g/cm3）×1/1 000。根據(jù)工程實際情況，以及施工現(xiàn)場巖層勘探，隧道洞口可選用臺階法開挖。具體結(jié)果：隧道明洞結(jié)構(gòu)拱部厚度為0.8 m，仰拱部分厚度為0.7 m，同樣可以采用10根25 mm的鋼筋進行加固處理，提高隧道洞口穩(wěn)定程度。此外，在隧道進洞開挖環(huán)節(jié)，還可以根據(jù)滑坡體區(qū)域的覆蓋層情況，選擇臺階法開挖方式，同時搭配CRD技術(shù)方式，這樣可以大幅減少隧道洞口開挖對周邊坡體穩(wěn)定度構(gòu)成的擾動影響[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，影響隧道洞口施工穩(wěn)定性的因素眾多，主要因素為巖體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造與地形地貌、地應(yīng)力以及施工擾動因素等。同時，隧道洞口坡體受降水、氣候、天氣變化、植被、地震荷載力等影響，也會影響隧道洞口穩(wěn)定程度。該研究以具體隧道工程為例，基于隧道洞口施工穩(wěn)定性預(yù)測結(jié)果，提出施工處理措施，采用抗滑樁為樁長36 m、截面尺寸為2 m×3 m與單孔預(yù)應(yīng)力錨索長度30 m、傾角為25 °、軸向拉力設(shè)計值800 kN的結(jié)合方式，同時，采用10根25 mm鋼筋進行明洞結(jié)構(gòu)加固，以保障隧道洞口施工穩(wěn)定性。

參考文獻

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