李紹聰， 熊遠(yuǎn)勛， 熊雪輝， 龔加懂， 周小軍， 張成良

(云南交投集團(tuán)公路建設(shè)有限公司， 云南 昆明 650118)

0 引言

我國山地面積約占國土總面積的60%，由于我國地形地勢的特點(diǎn)，在修建山嶺隧道時(shí)，經(jīng)常會穿越不良地質(zhì)體，沖溝的存在致使圍巖破碎、隧道埋深淺、地表有水流通過等，受圍巖差、埋深淺、地表水等不良地質(zhì)體的耦合作用影響，開挖擾動可能會引起坍塌、失穩(wěn)、突水等不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，對施工安全產(chǎn)生較大影響，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、質(zhì)量和安全[1-2]。因此，如何確保隧道安全、快速地穿越不良地質(zhì)體是隧道施工的重點(diǎn)，也是施工的難點(diǎn)。

1 工程概況

本隧道為分離式隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，單幅全寬12m，凈高5.0m，隧道高程介于1184.00～979.00m之間，相對高差205m，處于構(gòu)造侵蝕地貌區(qū)，地形起伏較大，交通較為不便。隧道右幅起止樁號為K35+985～K38+797，長2812m，最大埋深約166m；隧道左幅起止樁號為ZK36+018～ZK38+772，長2754m，最大埋深約為168m。

2 隧道地質(zhì)狀況

隧道右幅YK37+260～YK37+480、左幅ZK37+240～ZK37+460段為沖溝發(fā)育區(qū)域，長度約220m。因沖溝的存在致使圍巖破碎、谷底段隧道埋深淺，埋深最淺位置距離隧道洞頂標(biāo)高不足25m，溝底有水流通過，水流受季節(jié)影響較大，冬春水流小、夏秋水流大。沖溝段現(xiàn)場地形見圖1，結(jié)合沖溝段范圍內(nèi)220m地段圍巖地勘資料，并采用綜合物探的方法確定隧道沖溝段地質(zhì)狀況。

1) 隧道沖溝段圍巖以全 — 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主，裂隙發(fā)育，裂隙多呈張開狀，充填粉質(zhì)粘土和角礫，巖體破碎、松散，粘聚力差，開挖后易產(chǎn)生掉塊和塌方。

圖1 沖溝現(xiàn)場地形圖

2) 該段隧道地表周邊大型沖溝發(fā)育，覆蓋層較薄，地表水和基巖裂隙水易在此區(qū)域產(chǎn)生匯聚，富水性強(qiáng)。開挖擾動后裂隙水會向掌子面運(yùn)移，隧道圍巖破碎松散，泥巖含量高，易軟化和泥化呈軟塑狀 — 流塑狀。

3 處治方案選擇

針對隧道沖溝不良地質(zhì)段的處治措施可采用超前小導(dǎo)管注漿、管棚法、地表注漿3種處理方案，對比不同處治方案下圍巖的應(yīng)力和變形情況及處治效果，確定合理的處治方案。

3.1 超前小導(dǎo)管注漿

超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)是指在隧道施工時(shí)，沿隧道縱向拱部的外輪廓線以一定的仰角向掌子面前方打入帶泄?jié){孔的小導(dǎo)管，通過注漿填充土體孔隙，從而形成一定厚度的結(jié)合體，改善圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[3-5]。它可以有效控制開挖引起的地表沉降、圍巖變形和坍塌等，增強(qiáng)穩(wěn)定性，超前小導(dǎo)管在起拱線以上120°范圍內(nèi)采用φ42 mm的小導(dǎo)管，長4.5m，環(huán)向間距40cm，外插角10°～15°，搭接長度為1m。超前小導(dǎo)管布置如圖2所示。

圖2 超前小導(dǎo)管布置

3.2 管棚法注漿

管棚法具有安全性高、支護(hù)距離長、施工速度快、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，可與錨桿共同作用提高承載力，使拱頂形成傘形保護(hù)圈[6]。管棚施工時(shí)，管棚應(yīng)與鋼拱架配合使用，首先沿隧道開挖工作面的拱部，用φ110 mm水平鉆呈扇形地向地層中鉆一排孔眼。然后將鋼管插入鉆孔內(nèi)形成管棚，環(huán)向間距為50cm，長度為12m，搭接長度為3m，外插角為1°～3°。管棚末端應(yīng)搭設(shè)在鋼拱架上并焊死。相鄰兩榀鋼拱架間，應(yīng)采用直徑為22mm的鋼筋作為受拉鋼筋，拉筋的環(huán)向間距約為1m。沿鋼架外緣環(huán)向每隔2m設(shè)置一道楔子，使其能立即承受圍巖壓力。管棚法布置如圖3所示。

圖3 管棚法布置

3.3 地表注漿

注漿法是通過在建筑物的巖土孔隙或裂隙中鉆孔注漿來改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的一種方法。地表注漿的主要作用是加固不良地質(zhì)圍巖，如圍巖物理力學(xué)性質(zhì)差、偏壓、洞口段及淺埋段砂巖、類土質(zhì)地層等[5]。采用φ110 mm垂直鉆向地層中鉆孔，然后將鋼管插入鉆孔內(nèi)形成管樁，間距為100cm，拱頂外長以50cm為標(biāo)準(zhǔn)。地表注漿鉆孔布置如圖4所示。

a) 平行于隧道的剖面圖

4 處治措施優(yōu)化分析

由于軟弱圍巖沒有明顯的方向性且強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)面的影響相對來說不顯著，一般都可傳遞壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，因此可以作為各向同性的均勻連續(xù)體進(jìn)行分析，彈性理論和彈塑性理論均適用于這類圍巖[6-8]。在模擬分析中，選用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型來模擬圍巖?？紤]超前支護(hù)加固效果時(shí)，采用地層-結(jié)構(gòu)分析法能更好反映圍巖與隧道結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形情況，很好顯示隧道結(jié)構(gòu)和圍巖共同受力與變形。應(yīng)用MIDAS/GTS NX對隧道預(yù)留核心土環(huán)形臺階法進(jìn)行施工過程數(shù)值分析。

為簡化計(jì)算過程，并降低邊界條件對計(jì)算的影響，單幅隧道模型左右邊界自隧道中心線不少于5倍隧道半徑，隧道模型水平方向?qū)挾冗x取100m；模型下部邊界距離隧道仰拱底部不少于3倍隧道高度，模型底部由隧道仰拱下部到模型邊緣取40m，模型高度按照隧道沖溝段實(shí)際埋深取至地表。沖溝尺寸按照實(shí)際取值為30m×40m(高×寬)，軸向長度40m，即最終模型尺寸為100 m×90 m×40 m(長×高×寬)。圍巖及超前支護(hù)的材料參數(shù)見表1。

康復(fù)新液聯(lián)合瘡瘍靈、明膠海綿對2型糖尿病患者阻生牙拔除術(shù)后干槽癥發(fā)生的影響 …………………… 張則明等（4）：516

表1 圍巖及超前支護(hù)的材料參數(shù)材料密度ρ/kg·m-3 彈性模量E/MPa泊松比粘聚力c/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa圍巖1 800500.350.3271.21鋼管7 850200 0000.3025.0——漿液2 4003000.3025.035—

采用超前小導(dǎo)管、管棚法、地表注漿3種注漿加固方案進(jìn)行超前加固處治，其模擬方法如下。

超前小導(dǎo)管：選用直徑為45mm、長度為4m的無縫鋼管作為小導(dǎo)管。注漿孔排列成梅花形，孔徑采用8m、間距120cm及不小于30cm的尾部長度。小導(dǎo)管環(huán)向間距設(shè)定為20～50cm、外插角采用角度為20°，100cm的縱向水平標(biāo)準(zhǔn)搭接長度。

管棚法：采用外徑為150mm、長度為30m的熱軋無縫鋼管作導(dǎo)管，依據(jù)隧道開挖輪廓面的形狀進(jìn)行管棚的形狀選擇及導(dǎo)管的布置。導(dǎo)管環(huán)向間距取為50cm，并以3.0m的水平搭接長度。導(dǎo)管上的注漿孔布置為梅花形，其孔徑選用12mm、間距選為20cm。鉆孔外插角約為3°，孔眼間距約為30cm。

地表注漿： 采用直徑為110 mrn的垂直鉆向地層中鉆孔，然后將鋼管插入鉆孔內(nèi)形成管樁，間距為100cm，拱頂外長以50cm。

不同加固措施網(wǎng)格模型如圖5。

a)未注漿加固模型>

4.1 隧道圍巖變形位移場特征分析

通過數(shù)值分析，對比采用不同處治措施加固前后的拱頂和周邊收斂的位移發(fā)現(xiàn):加固后位移控制明顯得到了改善，地表注漿對于控制巖體的變形最好，超前小導(dǎo)管產(chǎn)生的變形最大，管棚法其次。拱頂最終位移值為：未加固時(shí)155mm、超前小導(dǎo)管115mm、管棚法101mm、地表注漿法10mm；周邊收斂位移為：未加固時(shí)87mm、超前小導(dǎo)管85mm、管棚法84mm、地表注漿法84mm。

4.2 隧道圍巖應(yīng)力場分布特征分析

通過數(shù)值分析，對比不同的處治措施加固前后的最大、最小主應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，加固后圍巖的穩(wěn)定性明顯得到了改善，地表注漿對于控制巖體的變形和保證巖體的穩(wěn)定性最好，超前小導(dǎo)管產(chǎn)生的應(yīng)力最大，管棚法其次。最大主應(yīng)力為: 未加固時(shí)2.39MPa、超前小導(dǎo)管2.31MPa、管棚法2.28MPa、地表注漿法2.25MPa；最小主應(yīng)力為：未加固時(shí)0.93MPa、超前小導(dǎo)管0.89MPa、管棚法0.88MPa、地表注漿法0.86MPa。

4.3 隧道圍巖加固效果分析

超前小導(dǎo)管、管棚法與地表注漿三者的機(jī)理相似，都是通過注漿孔向圍巖的孔隙注入漿液，來改良圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。在現(xiàn)場施工過程中，超前小導(dǎo)管和管棚法是搭配鋼拱架形成骨架的作用；地表注漿通過向地表注漿來改變圍巖的力學(xué)性質(zhì)。三者所采用的加固理論是相同的，區(qū)別在于超前小導(dǎo)管和管棚法是在洞內(nèi)掌子面前方進(jìn)行加固，而地表注漿是在洞外對圍巖加固。超前小導(dǎo)管和管棚法的區(qū)別在于插入的角度不同致使他們的受力方式發(fā)生了很大變化。在3種加固措施中地表注漿對于控制巖體的穩(wěn)定和控制巖體的變形效果最好，相比其他2種方法其加固的范圍大，隧道上覆圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)得到了整體提高。超前小導(dǎo)管受漿液擴(kuò)散范圍的限制其加固范圍有限，但該方法成本低、操作方便，經(jīng)比較采用超前雙層小導(dǎo)管更為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

5 隧道沖溝段現(xiàn)場處治措施及驗(yàn)證

5.1 隧道沖溝段不良地質(zhì)段加固方案

經(jīng)分析比較，隧道超前小導(dǎo)管加固方案操作簡單、成本低，支護(hù)效果可以滿足穩(wěn)定性要求。根據(jù)現(xiàn)場使用情況，采用長度為4.5m的φ 42mm超前小導(dǎo)管，按1.2m循環(huán)實(shí)施，外插角度控制在10°～15°之間，搭接長度不小于2.0m，保證注漿加固質(zhì)量，在沖溝段區(qū)域掌子面上方形成空間交叉的棚架作用，提高圍巖自穩(wěn)能力，防止松動破碎圍巖滑落，避免局部坍塌。實(shí)際處治方案布置如圖6所示。

a)超前小導(dǎo)管交叉棚架示意圖

沖溝段采取超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)后，采用預(yù)留核心土環(huán)形臺階法開挖支護(hù)技術(shù)，按照施工程序進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)在仰拱成環(huán)后應(yīng)逐步拆除，二襯跟進(jìn)施工。要求施工方法落實(shí)到位，嚴(yán)格控制超挖，從拱架制作與安裝、錨桿鎖定、掛網(wǎng)噴射混凝土等工藝細(xì)節(jié)上保證支護(hù)質(zhì)量。要求采取多項(xiàng)措施防止圍巖松弛，如采取預(yù)留變形量、減少短進(jìn)尺擾動、逐榀開挖逐榀支護(hù)、素噴砼先封閉噴射滾凝土表面再立架支護(hù)，盡早成環(huán)仰拱并緊跟二襯等。

5.2 現(xiàn)場實(shí)施效果分析

5.2.1不良地質(zhì)段施工的位移監(jiān)測分析

隧道不良地質(zhì)段處治后的位移觀測：拱頂沉降采用拓普康GTS-102N型全站儀，測量精度為1mm；周邊收斂采用SL-2型機(jī)械式收斂儀，測量精度0.01mm。隧道不良地質(zhì)段監(jiān)測斷面拱頂下沉和周邊收斂最終累計(jì)變形監(jiān)測變形曲線如圖7所示。

圖7 監(jiān)測斷面累計(jì)數(shù)據(jù)曲線

根據(jù)對隧道不良地質(zhì)段典型斷面拱頂下沉及周邊收斂累計(jì)監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以得出：隨著時(shí)間的推移，圍巖的變形大致可分為急劇變形、緩慢變形、穩(wěn)定收斂3個(gè)階段；且隨著開挖掌子面距離增大，圍巖變形速率逐漸趨于零，最終趨于穩(wěn)定。二者所反映的圍巖變形規(guī)律相互驗(yàn)證表明，數(shù)值模擬具有較高的準(zhǔn)確性，并有一定的應(yīng)用與參考價(jià)值。從圖7監(jiān)測斷面位移分析可以看出，當(dāng)沖溝存在時(shí)，隧道埋深由深到淺變化，過沖溝段谷底后，又由淺到深變化，拱頂下沉和周邊收斂也有不同程度的變化，在谷底位置圍巖位移達(dá)到最大值，但均在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。

5.2.2不良地質(zhì)段施工應(yīng)力監(jiān)測分析

通過埋設(shè)壓力盒和應(yīng)力計(jì)對不良地質(zhì)段施工的圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，沖溝段左幅監(jiān)測斷面選測項(xiàng)目應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖8所示，可以得出：隨著隧道開挖，應(yīng)力逐漸增大，開挖完成12d內(nèi)，應(yīng)力均有不同程度大幅增加，襯砌層間壓力、鋼筋軸力及砼應(yīng)變均呈現(xiàn)快速增長趨勢，隨著圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互協(xié)調(diào)，12d后增加幅度緩慢，隧道支護(hù)力逐漸趨于穩(wěn)定。支護(hù)層間最大壓力出現(xiàn)在拱頂和左拱腰部位，最大值為0.10MPa。鋼筋最大軸力出現(xiàn)在拱頂處，最大值為7.6kN；其次是右拱腰位置，為7.5kN?？傮w上隧道支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力均遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)所能承受的力，通過采取一定加固處治措施后，有效地控制了隧道的支護(hù)應(yīng)力，達(dá)到了安全施工目的。

a)襯砌層間壓力

6 結(jié)論

以隧道沖溝不良地質(zhì)段為背景，針對沖溝所致隧道淺埋、圍巖破碎、地表水發(fā)育等特點(diǎn)，使用數(shù)值分析方法對不良地質(zhì)段的加固措施進(jìn)行優(yōu)化分析，并對優(yōu)化后的方案進(jìn)行實(shí)施，埋設(shè)應(yīng)力和位移測點(diǎn)對其穩(wěn)定性和實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1) 針對隧道不良地質(zhì)段地形地質(zhì)條件，提出采用超前小導(dǎo)管、管棚法、地表注漿等3種加固方案進(jìn)行加固，利用數(shù)值分析方法對3種處治措施進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明：隧道通過采取不同的洞內(nèi)外處治方案后，提高了隧道圍巖的力學(xué)性能，進(jìn)而增強(qiáng)了圍巖的自穩(wěn)能力，能有效保證隧道安全施工。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，超前小導(dǎo)管支護(hù)具有簡單、方便、成本低等特點(diǎn)。

2) 結(jié)合隧道不良地質(zhì)段的特殊性，提出了現(xiàn)場實(shí)施方案及相應(yīng)措施，并制定了現(xiàn)場監(jiān)測方案，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出本工程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測值相似，擬合度較高，可為類似工程提供借鑒。