張傳平 傅鶴林 洪志偉 侯偉治

摘要：文章針對偏壓隧道進洞確定的開挖方法，結合數值分析中的圍巖受力特性，提出了改善隧道所受偏壓效應的控制技術：錨索框格梁加固邊坡控制技術、外側地表注漿增強外側抗力控制技術、不對稱錨桿支護隧道控制技術。

關鍵詞：偏壓隧道;進洞;施工;控制技術

文獻標識碼：U455.4-A-37-124-6

0 引言

隧道進口段圍巖常具有淺埋、偏壓、風化嚴重等特點，若施工處理不當，極易造成洞口邊、仰坡滑動和洞內塌方等事故，從而影響隧道正常施工和人員安全[1-2]。

文獻[3]和文獻[4]采用數值模擬和現(xiàn)場實測等手段對偏壓隧道的施工力學特性進行了探討，發(fā)現(xiàn)偏壓常引起局部應力集中從而導致結構的非對稱變形;文獻[5]和文獻[8]利用數值模擬手段，分析了開挖順序對圍巖及結構變形的影響，為偏壓段隧道的設計及施工提供了指導;楊超等[9]利用FLAC3D程序對平寨隧道施工過程進行了三維仿真分析，比較了中橫洞內出和正面開挖兩種進洞方式下左洞洞口圍巖變形和應力變化情況;蘇興矩[10]基于廈蓉高速公路擴建工程龍門隧道洞口嚴重偏壓、斜交超過30°等不利地形情況，提出了半明拱進洞施工方案，并建立三維有限元模型，分析了半明拱結構的施工力學響應。

從隧道的結構受力分析可知，隧道在施工過程中仍受到內外側荷載不均勻的偏壓影響，受力主要集中在深埋側的墻角處，這對隧道結構的安全是很不利的。對于偏壓隧道的施工，要采取一定的控制措施來減小隧道結構所受的偏壓荷載，更好地改善其所受偏壓的不利作用。國內外對偏壓進洞采取的控制措施主要有擋土墻技術、抗滑樁技術、掌子面封閉技術、地表注漿技術、防護網技術等，本文主要從邊坡、淺埋側抵抗力、隧洞支護三方面對隧道的偏壓進洞控制措施進行研究，提出了錨索框格梁對邊坡土體的控制、外側地表注漿增強外側抗力的控制、不對稱錨桿對隧道支護的控制三項控制措施，并通過數值模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測值的對比分析，驗證其合理性。

1 錨索框格梁對邊坡土體的下滑控制

錨索框格梁是一種復合型的支擋結構，主要由現(xiàn)澆的鋼筋混凝土梁和梁交叉點處的錨索兩部分組成，能夠綜合利用錨索的抗拉性能和混凝土的抗壓性能。錨索框格梁的構造如圖1所示。

錨索對邊（滑）坡土體進行深層加固，而錨索所受到的拉力由交叉點處的框格梁分擔，使坡體受壓，主動穩(wěn)定邊坡。與獨立的錨索加固相比，現(xiàn)澆的鋼筋混凝土框格梁與預應力錨索組成的復合支擋結構的整體性和協(xié)調性更好，改善了坡體的受力，減小了邊坡土體的下滑力，從而能改善地形偏壓對隧道結構的影響。

1.1 錨索框格梁的加固機理

錨索框格梁加固技術是預應力錨索和框格梁兩種加固方法的組合使用，綜合利用了深層加固和淺層護坡兩種加固方法的優(yōu)點，充分發(fā)揮了錨索和框格梁這兩種材料的性能，其加固示意圖如圖2所示，錨索的細部構造如圖3所示。

1.1.1 錨索框格梁中預應力錨索與土體的相互作用機理

錨索施加預應力之后，錨索與周圍穩(wěn)定巖土體之間會產生剪切應力即抗拔力，抗拔力主要由灌漿材料與周圍巖土體間的粘結作用所承受。隨著灌漿材料的滲透，使周圍巖土體固結成一個整體，進而可以改善錨固區(qū)域內軟弱巖體的力學性質，而且孔壁周圍巖體的臨空面粗糙，使得環(huán)繞于錨索周圍的砂漿體可以與周圍的巖體很好地粘結在一起，形成一個共同受力的整體。在預應力錨索的軸向拉力作用下，巖層抗力就通過這種牢固的粘結力被調動起來，發(fā)揮抵抗邊坡巖土體下滑的作用。當錨索與孔壁周圍的巖土體之間有相對滑動的趨勢時，兩者相互接觸的部分將會產生與滑動趨勢相反的摩擦力，這種力的作用主要以徑向應力和剪應力的方式在巖土體中相互傳遞，最終傳遞至穩(wěn)定巖層中。

單純的預應力錨索結構中，在錨頭周圍部分的巖土體常處于高應力狀態(tài)，使得其周圍的土體承受較大的擠壓力，產生較大的壓縮變形，增大了預應力的損失，達不到對周圍巖土體加固的預期效果。錨索框格梁中預應力錨索將錨頭作用于混凝土框格梁上，將集中應力分別傳遞給橫梁和縱梁共同承擔，分散了錨頭附近巖土體的集中應力，減小了錨頭附近的擠壓變形，控制了預應力錨索結構的預應力損失。

1.1.2 錨索框格梁中框格梁與土體的相互作用機理

在滑坡加固中，單純的框格梁不能用于邊坡的支擋加固中，它需要與錨索或錨桿共同使用，組成復合的支擋結構體系后才能發(fā)揮作用。在這種復合支擋結構體系中，框格梁同其周圍巖層之間會產生相互作用，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）框格梁在傳遞受力方面，通過混凝土梁將預應力錨索所施加的力均勻地傳遞給坡面，同時框格梁增大了力與坡面相接觸的面積，改善了錨索在錨頭處的應力集中效應，更大程度地增加了破碎巖土體的穩(wěn)定性。

（2）框格梁是一種復合支擋結構，通過混凝土梁與預應力錨索的共同作用，可以組成一個由表至里的支擋加固體系，將邊坡土體上的預應力錨索連接成為一個網狀的預應力組合結構進行受力，提高了預應力錨索在改善邊坡穩(wěn)定性中的均勻受力。

（3）框格梁沿邊坡進行布置且緊貼于坡體，在預應力錨索作用下，大范圍地控制了坡體的整體變形，在框格梁之間可設置植被、砌體防護等，形成一個整體的支擋圍護結構，防止了巖土體的風化，從更長遠的角度控制了邊坡巖土體的穩(wěn)定性。

從邊坡的受力層面進行分析，由于錨索承受了拉力，限制了土體的變形，增大了滑坡體的摩擦角，既提高了邊坡的滑動阻力，也對邊坡進行了主動加固，減小了其下滑力，達到了加固的效果。從邊坡的變形角度進行分析，錨索框格梁結構可以很好地改善邊坡土體的穩(wěn)定性能，增強了邊坡土體的整體剛度，能夠很好地利用深層巖體的自穩(wěn)能力對邊坡起到加固的作用。

1.2 錨索框格梁的優(yōu)點及適用條件

錨索框格梁是一種結構輕盈、支護效果明顯的新型復合支擋結構，這種新型復合支擋結構主要有以下幾個優(yōu)點：

（1）主體結構輕盈，對坡腳處的面積占用較少。錨索框格梁的主體沿邊坡進行布設且緊貼坡體，減小了在施工過程中所需的施工場地。針對在高速公路修建過程中人工開挖的路塹邊坡，可以很大程度地減少工程量，節(jié)約工程造價。

（2）能夠形成整體的受力體系，受力合理，可以充分利用錨索和鋼筋混凝土梁這兩種結構的優(yōu)點。復合錨索框格梁在工作階段的受力特征為錨索受拉力，框格梁受壓力。施加在錨索上的力通過錨索傳遞給邊坡的深層穩(wěn)固巖體，同時在錨索的作用下，框格梁各連接處的節(jié)點將產生正的壓應力，這種壓應力通過鋼筋混凝土梁分散遞給整個坡體，避免了節(jié)點處的應力集中。錨索、框格梁和邊坡土體三者形成了一個緊緊聯(lián)系在一起的整體受力體系，提高了邊坡巖土體的穩(wěn)定性，減小了坡體下滑力。

（3）能夠配合周圍環(huán)境，造型美觀，對山體的植被不產生影響。在框格梁內可以直接回填土體并種植植被，也可掛細鋼筋網并噴射混凝土對邊坡表面進行加固，再輔以回填土體進行綠化，達到保護和美化環(huán)境的作用。

錨索框格梁的加固原理是基于深層巖體的自穩(wěn)能力，因此深層巖體的自穩(wěn)能力是決定錨索框格梁適用性的關鍵條件，所以錨索框格梁主要適用于深層巖體自穩(wěn)能力較好的地質條件。對水位較高，邊坡受水的浸潤作用較嚴重的地質條件應該慎用。邊坡受水的浸潤作用不僅會影響巖土體的抗剪強度，其對錨索也會具有腐蝕作用，受水的浸潤作用嚴重更有可能會影響到深層巖體的自穩(wěn)能力，進而影響錨索的錨固作用，對整個框格梁的受力體系造成破壞。

1.3 草籽崗隧道邊坡土體的錨索框格梁設計

為減小隧道在開挖過程中所受的偏壓作用，在參考草籽崗隧道的地質資料并結合工程特點的基礎上，借鑒國內外類似工程經驗，對隧道隧址區(qū)的邊坡采用錨索框格梁進行加固，減小邊坡土體的下滑力，從而達到改善隧道結構所受的偏壓影響效應。

框格梁采用矩形的形式進行布設，橫縱向間距為5 m（橫向）×5 m（縱向），橫梁、縱梁皆采用C30混凝土，單根錨索長度為20 m，預應力錨索（7×15.20 mm鋼絞線）的單根設計承載力為1 000 kN，錨索張拉至600 kN鎖定。孔徑≥150 mm，錨固段長度為10 m，孔內注入M25水泥砂漿或水灰比0.5的純水泥漿。預應力鋼絞線采用符合《預應力混凝土用鋼絞線》[11]國家標準生產的具有高強度低松弛性質的預應力鋼絞線，公稱直徑為15.2 mm，公稱面積為140.00 mm2，公稱質量為1 101 kg/km，標準抗拉強度為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105 MPa。

2 外側地表注漿增強外側抗力的控制

注漿是較為常見的圍巖加固措施，通過圍巖注漿可以充填巖土體中的裂隙，增強圍巖的受力能力，進而增大其地層抵抗力，改善襯砌結構上所作用的永久荷載。

2.1 地層可注性分析

草籽崗隧道隧址區(qū)的地層為凝灰?guī)r體，下伏基巖主要為第四系全新統(tǒng)覆蓋層（Q4）、燕山期凝灰?guī)r、全風化凝灰?guī)r、強風化凝灰?guī)r及凝灰?guī)r的風化殘、坡積作用形成的粉土、礫砂等。主要為中粗粒黑云母凝灰?guī)r，受燕山晚期巖漿侵入擠壓的作用，巖石的次生節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎嚴重。第四系全新統(tǒng)覆蓋層（Q4）抗沖刷能力弱，遇水易軟化，自穩(wěn)能力差;強風化巖巖體風化劇烈、巖質軟弱，邊坡及仰坡開挖時，會有局部失穩(wěn)的可能，且在地表水的沖刷作用下，巖土體可能產生滑坡、巖體碎落等現(xiàn)象。草籽崗隧道為淺埋偏壓隧道，所穿越的地質條件復雜，巖層以強風化凝灰?guī)r為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，進口段第四系覆蓋層厚度小，在地表水的滲透及沖刷下，巖土體會有產生坍塌、碎落的危險。因此，針對這種巖體破碎的地質條件，可以采用壓密注漿、滲透注漿等注漿方式來改良和加固地層，提高地層的穩(wěn)定性及淺埋側的抗力。

2.2 地表注漿方案研究

注漿方式的確定主要依據草籽崗隧道隧址區(qū)的地質條件、機械設備要求、施工環(huán)境的限制和施工方法的選擇等，選擇適合草籽崗隧道的經濟、合理、有效的注漿方案。考慮到隧道洞口段的覆土層厚度小、埋深較淺，地層的巖土體破碎，進行鉆孔注漿難度不大，因此，在洞口淺埋側采用地表垂直的注漿方式對淺埋側隧道巖土體進行改良加固。利用中導管和小導管對地表進行注漿，隨著漿液對土體的滲透，使得強風化凝灰?guī)r巖土體間孔隙被填充，漿液包裹著凝灰?guī)r的風化殘、坡積而形成的粉土、礫砂，共同形成支撐骨架進行受力，提高外側巖土體的抵抗力。同時使中導管的端頭深入到穩(wěn)定的巖層內，在漿液的固結作用下，多根導管和巖層之間可以形成一個排樁受力整體，進而有效地提高外側土體的抵抗力，阻止巖土體板塊的滑動，減小隧道所受的偏壓作用。

2.3 注漿參數研究

2.3.1 注漿孔的終孔間距

注漿的目的是使?jié){液與巖土體固結，形成整體骨架進行受力，達到提高地層抵抗力的效果。根據巖土體注漿加固的交圈理論，在對巖土體進行地表注漿設計時應考慮到注漿漿液的擴散半徑，使注漿終孔的布設在斷面上沒有漿液的注漿盲區(qū)。因此，在對草籽崗隧道外側地表注漿時，多排孔采用梅花形布置，注漿孔布置如圖4所示，注漿孔的終孔行距a和排距b應滿足式（1）～（2）的要求：

a≤3R（1）

b≤3R/2（2）

式中：R——漿液擴散半徑（m）。

2.3.2 漿液擴散半徑及布孔方法

考慮到現(xiàn)場的地質條件、鉆機鉆孔的工作效率、實際的注漿效果等，并根據室內和現(xiàn)場試驗，確定草籽崗隧道地表注漿的漿液擴散半徑為2 m，垂直注漿孔的布設采用梅花樁形布置，間距為2.5 m。

2.3.3 注漿壓力

滲透注漿是指漿液通過壓力來克服巖層中的阻力進入巖土體地層并進行擴散和固結，同時將巖土體空隙中存在的水和空氣排出。滲透注漿對注漿孔進行的是全孔一次性完成注漿。參考國內外的工程經驗，注漿壓力值計算公式如式（3）所示：

P注=P水+（1.0～2.0）MPa（3）

式中：P注——注漿壓力;

P水——水壓力。

裂隙水注漿中的裂隙阻力、水壓力以及漿液的粘滯力主要是通過頂水注漿來克服，進而可以將水向遠方推送，其值為：

P注=P水+P阻+（1.0～2.0）MPa（4）

式中：P阻——管道阻力。

擠密、劈裂注漿是指漿液通過較高的灌漿壓力作用對巖土體的結構產生劈裂破壞，進而與巖土體固結。其注漿壓力計算主要為：

P注=P水+P阻+（2.0～4.0）MPa（5）

草籽崗隧道外側地表注漿壓力的選擇：地表垂直注漿壓力為2～5 MPa，當需要進行局部和補注漿時，其注漿壓力為1～3 MPa。

2.4 草籽崗隧道外側地表注漿設計

參考草籽崗隧道的地質資料并結合工程特點，為減小隧道在開挖過程中所受的偏壓作用，借鑒國內外類似工程經驗，對隧道的外側地表進行了注漿加固設計。

隧道中心線的左側淺埋段采用地表注漿加固技術改善圍巖巖性，通過對隧道淺埋側強風化凝灰?guī)r置入注漿鋼管（89 mm，壁厚為6 mm）并灌入選取好的注漿漿液，進而對淺埋側巖土體進行加固，提高外側抗力，控制偏壓滑動。注漿范圍為隧道開挖輪廓線外5 m范圍內，利用潛孔鉆機對淺埋側巖土體進行鉆孔，鉆孔的孔徑為110 mm，孔內置入預先選好的注漿管（89 mm，壁厚為6 mm）并進行灌漿，對地層巖土體進行注漿加固。注漿管的底部應插入到隧道拱底的起拱線所在水平面位置，注漿管采用直徑×壁厚=89 mm×6 mm的無縫鋼管，注漿管間距按2.5 m×2.5 m呈梅花形布設，邊墻外側與圍巖注漿圈底部相連。

3 不對稱錨桿對隧道支護的控制

錨桿是地下工程和巖石邊坡支護的常用構件，對節(jié)理裂隙發(fā)育的巖土體能起到很好的加固作用，并維護其穩(wěn)定性。錨桿是一種可以利用高性能抗拔材料和粘結介質的作用，將所需要支護的巖層或土木工程的構筑物可靠地錨固在較穩(wěn)定深層巖體中的裝置。

3.1 錨桿的支護機理

錨桿是巖層加固中的一種桿件體系結構。錨桿的受拉性能強，通過錨桿的作用可以克服巖土體抗拉能力差的缺點。錨桿支護限制了巖土體脫離原體，增加了巖層間的粘聚性，改善了巖體的力學參數粘聚力c和內摩擦角φ。錨桿的錨固作用主要通過對圍巖施加徑向作用力和切向作用力來實現(xiàn)，既能通過這種徑向力的作用，使得巖土體由穩(wěn)定性較差的受力狀態(tài)轉變?yōu)榉€(wěn)定性較好的雙向、三向受力狀態(tài)，增強隧道結構的安全性和穩(wěn)定性，又能結合錨桿對巖層軟弱結構面的貫穿作用，利用其切向力的作用來提高軟弱結構面的強度和穩(wěn)定性，進而可以改善隧道結構的受力特性。因此在隧道工程建設中，錨桿這一支護形式發(fā)揮了支護和加固兩方面的作用。根據錨桿的作用機理，可以概括為以下幾方面：（如下頁圖5所示）。

（1）懸吊作用。錨桿的一端固定在穩(wěn)定性較好的深層巖體中，通過錨桿的作用將另一端松動破碎的巖體連接在一起，懸吊在堅固穩(wěn)定的深層巖體中，從而加強了圍巖的穩(wěn)定性。

（2）組合梁作用。在層狀性的圍巖中，錨桿可以通過拉力將幾個層狀性的地層組合成為一個受力整體，形成組合梁。

（3）成拱減跨作用。在隧道橫斷面上，通過對錨桿位置的合理布置，可以將穩(wěn)定性差的巖體分成很多小的區(qū)域，每個小的區(qū)域可以以錨桿的位置為邊界，形成多個小的拱域，進而替代隧道在開挖過程中形成的大拱，起到減小跨度，改善隧道拱體受力特性的作用。

（4）加固作用，也是錨桿的一項最基本的作用。將錨桿呈放射狀布置在隧道的周圍，可以使隧道周邊的松散巖體緊密地擠壓在一起形成連續(xù)性受力的壓縮帶，在壓縮帶中能夠產生徑向的壓應力，進而給壓縮帶外圍圍巖提供徑向支撐力，增強破碎巖體的穩(wěn)定性。

3.2 錨桿的布置原則

錨桿的布置形式主要分為局部布置和系統(tǒng)布置兩種。局部布置主要適用于堅硬而且裂隙發(fā)育或有潛在龜裂和節(jié)理的巖體;系統(tǒng)布置主要用于需對圍巖進行整體加固的軟弱破碎巖層。在實際工程中應根據具體的現(xiàn)場施工條件，錨桿實施局部和系統(tǒng)布設兩種方式相結合的方案。當原巖應力主要表現(xiàn)為垂直應力時，壓應力則主要集中在洞身兩側的巖層中，因此兩側的巖層附近處會形成最大剪應力，隧道的兩側將會出現(xiàn)圍巖塑性區(qū)，錨桿設計時應在隧道的兩側布置錨桿。當原巖應力主要表現(xiàn)為水平應力時，隧道的塑性區(qū)則主要為拱頂部位的巖層，在進行錨桿的設計時，對頂部布設的錨桿宜進行加密。若拱圈周圍的巖層有危險碎石或巖塊，則宜對圍巖的節(jié)理和軟弱結構面進行加固，以防脫落和掉塊。

（1）錨桿數量和間距。錨桿數量、錨桿間距的布設主要以噴層的作用得到充分利用為依據且施工方便。合理布設的錨桿數量原則上要能夠使初噴達到穩(wěn)定狀態(tài)，為了避免錨桿中間的破碎巖層產生脫落和掉塊，設計上要求錨桿的縱、橫向之間間距要小于錨桿長度的一半。

（2）錨桿的長度和直徑。錨桿長度的選用原則是能充分地發(fā)揮錨桿受拉性能，使錨桿達到最大限度的錨固效果，并應同時滿足經濟、合理的要求。因此，從受力方面應當使錨桿在支護過程中所受到的拉應力值σt盡可能地接近錨桿抗拉強度的允許值[σt]，同時應使錨桿錨固在穩(wěn)定圍巖中，錨桿選取的長度值應比圍巖松動區(qū)域的半徑值要大。為了使錨桿鋼材的抗拉承載能力能夠得到充分的利用，工程中選取的錨桿鋼材多為直徑16～22 mm的螺紋鋼筋。

3.3 草籽崗隧道不對稱錨桿支護設計

據開挖過程數值模擬的位移場與應力場分析可知，在右側拱頂和拱肩部分存在較大的位移和應力，表現(xiàn)出明顯的偏壓效應。為減小隧道在開挖過程中所受的偏壓作用，在參考草籽崗隧道的地質資料并結合工程特點的基礎上，借鑒國內外類似工程經驗，對隧道的支護設計采用不對稱錨桿支護設計，在邊墻錨桿（長度為3.5 m）對稱布置的基礎上，對右側拱頂和拱肩處加設長度為6.5 m的中空砂漿錨桿進行支護，環(huán)向間距為1 m，呈梅花型布設，具體不對稱錨桿支護設計示意圖如圖6所示。

4 結語

（1）闡述了錨索框格梁加固措施的加固機理及其優(yōu)點和適用條件，并針對草籽崗隧道的地形資料提出了具體的錨索框格梁加固設計方案。

（2）為增強隧道外側（淺埋側）巖土體的抗力，提出了通過外側地表注漿的處治措施，分別就注漿方式、注漿施工設計流程、注漿效果的影響因素等控制技術進行了研究，并針對草籽崗隧道提出了具體的外側地表注漿設計方案。

（3）為減小偏壓隧道結構所受的偏壓荷載效應，分別就錨桿的支護機理、錨桿的布置原則進行了分析研究，對草籽崗隧道提出了施加不對稱錨桿的隧道支護控制措施，并提出了不對稱錨桿的具體支護設計方案。

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收稿日期：2021-03-08

基金項目：中建八局項目“超淺埋大跨偏壓隧道上跨既有高鐵隧道綠色施工關鍵技術研究”（編號：JC-FBHF-2020-842）

作者簡介：張傳平（1986—），工程師，主要從事施工技術管理工作。