李勇森，張智健，段立強(qiáng)，梁 斌

(1.中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300133；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

隨著國(guó)家一帶一路政策的發(fā)展，對(duì)高速公路的修建技術(shù)提出了更高的要求，我國(guó)西南部地區(qū)多山嶺且地質(zhì)條件復(fù)雜，為了節(jié)約修建盤山公路帶來(lái)的消耗浪費(fèi)，隧道工程成為山嶺地區(qū)的首選。公路隧道修建過(guò)程中常采用新奧法施工，該方法以圍巖自身承載力為基礎(chǔ)，通過(guò)噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)及鋼拱架等初期支護(hù)充分發(fā)揮圍巖本身的承載效能，控制圍巖變形及應(yīng)力釋放[1-3]。

富水軟弱圍巖是隧道修建過(guò)程中較為嚴(yán)重的問(wèn)題，隧道開(kāi)挖后圍巖的力學(xué)平衡狀態(tài)遭到破壞，由于自重應(yīng)力和附加應(yīng)力的雙重作用，圍巖將會(huì)發(fā)生變形，當(dāng)變形過(guò)大就容易產(chǎn)生隧道事故，危及施工人員的安全。許多學(xué)者對(duì)軟弱圍巖隧道施工技術(shù)進(jìn)行了一定的研究：呂永軍[4]考察現(xiàn)場(chǎng)軟弱圍巖隧道后研究了三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工技術(shù)，調(diào)整施工方案降低了工程造價(jià)及工程周期；唐國(guó)榮[5]等采用“三段法”對(duì)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性、施工方案、支護(hù)方法三方面施工技術(shù)進(jìn)行了分析，得出“三段法”修建技術(shù)值得研究、推廣的結(jié)論；張健明[6]等通過(guò)4個(gè)隧道修建工程總結(jié)出一套適合軟弱圍巖隧道施工的方案，保證了隧道施工質(zhì)量與安全；張品[7]結(jié)合實(shí)際工程遭遇的多種病害問(wèn)題，總結(jié)出相對(duì)應(yīng)的治理施工技術(shù)，并提出預(yù)防控制措施；張宇斐[8]針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際隧道的特點(diǎn)，分析軟弱圍巖隧道施工技術(shù)，優(yōu)化施工方案，在圍巖穩(wěn)定性及預(yù)防塌方方面取得了較好效果；周山虎[9]對(duì)沙漠軟弱圍巖條件下隧道施工可能出現(xiàn)的工程安全問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出相應(yīng)的施工方法；胡志強(qiáng)[10]研究了中管棚鎖腳臺(tái)階法施工技術(shù)，利用注漿、鎖腳錨桿等措施提高圍巖強(qiáng)度，優(yōu)化施工方案，降低施工周期；曹傳輝[11]結(jié)合隧道工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特點(diǎn)分析了軟弱圍巖條件下的施工技術(shù)，利用有限元分析軟件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方案的正確性；王一新[12]結(jié)合實(shí)際工程通過(guò)有限元軟件分析了黃土軟弱圍巖隧道開(kāi)挖方案，并對(duì)關(guān)鍵工序的施工技術(shù)進(jìn)行了探討，結(jié)果表明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制圍巖變形效果最好。

盡管已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)軟弱圍巖隧道施工技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，但對(duì)于富水軟弱圍巖隧道，相關(guān)研究較少。本文以云南臨滄臨翔至清水河高速公路上的馬家寨隧道為研究對(duì)象，運(yùn)用MIDAS GTX NX軟件建立采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖的隧道三維實(shí)體模型，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性、施工技術(shù)進(jìn)行分析，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，為今后類似的隧道工程提供參考。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

圖1 馬家寨隧道施工現(xiàn)場(chǎng)

國(guó)家一帶一路重點(diǎn)項(xiàng)目臨清高速公路LQTJ2-3標(biāo)段里程樁號(hào)K52+900～K61+750，全長(zhǎng)8.85 km。其中馬家寨隧道出口端位于耿馬縣勐撒鎮(zhèn)大落水村附近。隧道左幅全長(zhǎng)5 067 m，右幅全長(zhǎng)5 143 m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)海拔為1 464.6～2 045.1 m，相對(duì)最大高差580.5 m。隧道穿越山體，進(jìn)出口端均位于斜坡上，植被發(fā)育。微地貌類型屬構(gòu)造-侵蝕、剝蝕型低中山地貌。場(chǎng)區(qū)地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，前者賦存于上覆碎石土、粉質(zhì)黏土中，該含水巖組厚度薄，補(bǔ)給面積有限，水量較小，埋藏較淺，后者主要賦存于強(qiáng)～中風(fēng)化層裂隙中，水量較小，埋藏較深。根據(jù)初堪水質(zhì)分析資料，場(chǎng)地水質(zhì)為碳酸鹽鈣質(zhì)水，據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTGC20-2011)天然水對(duì)混凝土腐蝕的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性。

V級(jí)圍巖段隧道地質(zhì)條件復(fù)雜、埋深較大、富水性較豐富，圍巖表層為褐黃、硬塑狀粉質(zhì)黏土，下伏基巖為粉砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖，多呈強(qiáng)風(fēng)化、碎石狀，成巖性較差，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，呈角碎狀松散結(jié)構(gòu)，施工難度較大。馬家寨隧道施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

2 施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

利用TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前探測(cè)鉆孔等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析判斷相結(jié)合，超前探明前方地質(zhì)與水文情況。每次根據(jù)TSP與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果確定是否需要打探孔及探孔布置和數(shù)量；探孔最大深度30～50 m，探水孔孔徑(終孔)為76 mm，確認(rèn)掌子面前方的不良地質(zhì)體狀況并獲取有關(guān)地質(zhì)資料。并對(duì)探水孔出水點(diǎn)位置、水量、水壓等做詳細(xì)記錄。隧道超前探孔布置示意圖如圖2所示。

圖2 隧道超前探孔布置示意圖

圖3 超前管棚施工

2.2 超前支護(hù)

2.2.1 超前管棚支護(hù)

超前管棚主要用于富水軟弱圍巖隧道洞口段，以注漿的方式增強(qiáng)軟弱圍巖強(qiáng)度等級(jí)，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。管棚鋼管采用φ106×6 mm熱軋無(wú)縫鋼管，環(huán)向間距0.4 m，設(shè)置在隧道拱部，且管心距襯砌外輪廓線不小于0.25 m。在洞口處設(shè)置套拱作為管棚的導(dǎo)向墻，確保鉆孔方向。由于鉆孔過(guò)程中可能發(fā)生下垂，鉆孔方向應(yīng)向上傾斜3°～5°。注漿結(jié)束后管棚鋼管內(nèi)應(yīng)填充M20水泥砂漿，提高管棚的剛度。超前管棚施工如圖3所示。

2.2.2 超前小導(dǎo)管支護(hù)

超前小導(dǎo)管主要用于富水軟弱圍巖隧道洞身段、破碎帶，采用φ42 mm熱軋鋼管，長(zhǎng)4.5 m，環(huán)向間距0.3～0.5 m，傾角5°～15°，設(shè)置在隧道拱部。開(kāi)挖隧道上臺(tái)階前，首先用噴射混凝土將開(kāi)挖面進(jìn)行封閉，然后沿隧道拱部輪廓約120°范圍施作超前小導(dǎo)管并進(jìn)行注漿，在隧道拱部形成一定厚度的加固區(qū)域，隨后進(jìn)行施工開(kāi)挖。小導(dǎo)管布置圖如圖4所示。

圖4 小導(dǎo)管布置圖

2.3 隧道開(kāi)挖

圖5 預(yù)留核心土臺(tái)階法施工示意圖

如圖5所示，V級(jí)圍巖段采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖，機(jī)械配合人工開(kāi)挖，局部輔以弱爆破施工。開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在9 m，施工步驟為：開(kāi)挖上部弧形導(dǎo)坑-1，施作上部弧形導(dǎo)坑初期支護(hù)-I；開(kāi)挖核心土-2；開(kāi)挖中部-3；施作邊墻及初期支護(hù)-II；開(kāi)挖下部-4；施作仰拱期支護(hù)-III。

2.4 初期支護(hù)

2.4.1 初噴混凝土

隧道開(kāi)挖后首先進(jìn)行通風(fēng)降塵、清理危石等措施，隨后清理圍巖表面、檢查超欠挖情況，及時(shí)噴射C25混凝土封閉巖面。

2.4.2 錨桿

(1)砂漿錨桿

砂漿錨桿施工工藝流程為：鉆孔→清孔→注漿→插入桿體。

隧道施工前錨桿應(yīng)在洞外根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行制作，鉆孔時(shí)必須滿足位置及深度的要求，清理孔內(nèi)碎石后使用水泥砂漿進(jìn)行注漿，然后將錨桿插入孔內(nèi)，并與鋼筋網(wǎng)焊接為整體。錨桿施作完畢后按規(guī)范要求進(jìn)行抗拔試驗(yàn)。

(2)中空注漿錨桿

中空注漿錨桿與砂漿錨桿的施工工藝不同，它是先插入錨桿后注漿，通過(guò)風(fēng)鉆鉆孔將錨桿頂入，用0.5～1.0 MPa的注漿壓力進(jìn)行注漿。

2.4.3 鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)的鋪設(shè)應(yīng)在砂漿錨桿施作完成后按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。被支護(hù)圍巖表面較為平整時(shí)，鋼筋網(wǎng)在洞外加工成片后再進(jìn)洞焊接為整體，被支護(hù)圍巖表面起伏較大時(shí)，鋼筋網(wǎng)直接在洞內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)沿圍巖表面進(jìn)行鋪設(shè)，距圍巖表面約3 cm，為了復(fù)噴混凝土表面平整，將多片鋼筋網(wǎng)交接處、鋼筋網(wǎng)與錨桿交接處焊接為整體。

2.4.4 型鋼鋼架

鋼架在橫向和高程中允許安裝尺寸偏差為±5 cm，施工中需注意防止鋼架內(nèi)輪廓線侵限，施作完成后需用φ42 mm鎖腳錨桿進(jìn)行固定。鋼架下端應(yīng)安裝在堅(jiān)實(shí)的地層上，若發(fā)生拱腳超挖，應(yīng)設(shè)置混凝土墊塊，超挖較大時(shí)，在拱背充填相同級(jí)別混凝土，防止發(fā)生過(guò)大變形。相鄰兩排拱架之間采用鋼筋縱向連接形成整體，復(fù)噴混凝土應(yīng)覆蓋整體鋼架不小于4 cm。

2.4.5 復(fù)噴混凝土

在復(fù)噴混凝土前首先應(yīng)對(duì)基底表面進(jìn)行清理，噴射時(shí)應(yīng)自下而上分段、分層、分序進(jìn)行，分段長(zhǎng)度應(yīng)小于6 m。分層噴射時(shí)，每次噴射混凝土厚度應(yīng)大于40 mm，拱頂為50～100 mm，邊墻為70～150 mm，噴射混凝土終凝后進(jìn)行下一次噴混施工。

2.5 仰拱施工

完成鋼架鎖腳錨桿施工后開(kāi)挖仰拱，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺為2～3 m，V級(jí)圍巖仰拱距掌子面應(yīng)小于20 m。仰拱開(kāi)挖完成后應(yīng)及時(shí)處理碎石、殘?jiān)龋瑢?duì)圍巖表面初噴3～5 cm厚混凝土，施作仰拱拱架后，及時(shí)根據(jù)要求復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度將初支封閉成環(huán)。采用仰拱棧橋輔助，在仰拱混凝土終凝后施工填充混凝土，連續(xù)施工確保一次成型。

3 富水軟弱圍巖穩(wěn)定性分析

為驗(yàn)證施工方案的有效性，采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX模擬富水軟弱圍巖工況，確保施工安全。

3.1 數(shù)值模型參數(shù)選取

隧道圍巖為V級(jí)，噴混采用27 cm厚的C25混凝土；鋼拱架采用I20a工字鋼，間距60 cm；錨桿采用φ25 mm中空注漿錨桿；小導(dǎo)管采用φ42 mm注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)4.5 m，搭接長(zhǎng)度1.3 m；噴混與鋼拱架的組合體作為初期支護(hù)，初期支護(hù)的彈性模量根據(jù)剛度等效原則以及文獻(xiàn)[13]按照式1進(jìn)行計(jì)算。模型參數(shù)如表1所示。

E=Ec+SgEg/Sc

(1)

式中，E為組合體綜合彈性模量(MPa)；Ec為噴射混凝土的彈性模量(MPa)；Eg為鋼拱架的彈性模量(MPa)；Sg為鋼拱架的截面面積(m2)；Sc為噴射混凝土的截面面積(m2)。

表1 隧道模型參數(shù)

3.2 模型建立及邊界條件

圖6 隧道三維模型

通過(guò)MIDAS GTS NX軟件建立三維數(shù)值模型進(jìn)行分析，其中X方向取隧道斷面橫向，Y方向取隧道開(kāi)挖縱向，Z方向取隧道斷面豎向，根據(jù)圣維南原理，計(jì)算邊界由隧道中心至左右邊界各取約50 m，由隧道中心至上下邊界各取約40 m。隧道圍巖本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)倫模型；錨桿、超前小導(dǎo)管及初期支護(hù)采用線彈性模型；圍巖通過(guò)三維實(shí)體單元模擬；錨桿及超前小導(dǎo)管通過(guò)植入式桁架單元及植入式梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；模型左右邊界施加水平方向位移約束；模型下邊界施加法向位移約束；上邊界施加豎向均布荷載，以模擬計(jì)算邊界上方覆蓋巖層的自重；隧道項(xiàng)目所處區(qū)域地下水豐富，為保證數(shù)值模擬符合實(shí)際情況，在模型左右兩側(cè)添加水位并考慮水壓力；建模時(shí)取最不利因素，不對(duì)二襯進(jìn)行模擬。隧道三維模型如圖6所示。

3.3 圍巖穩(wěn)定性分析

由圖7富水軟弱圍巖豎向變形可知，隧道拱頂處有最大豎向沉降變形，仰拱中心處有最大隆起變形。隧道開(kāi)挖后最大豎向變形均出現(xiàn)在隧道中心線處，圍巖變形整體呈對(duì)稱分布。隧道開(kāi)挖完成后拱頂最終豎向變形為35.03 mm，仰拱隆起最大值為46.30 mm，拱腰水平收斂值為24.88mm，圍巖變形在控制范圍內(nèi)，說(shuō)明該施工方案可行且效果良好。

由圖8富水軟弱圍巖最大主應(yīng)力可知，圍巖應(yīng)力整體處于壓應(yīng)力狀態(tài)且對(duì)稱分布，說(shuō)明圍巖受力狀態(tài)良好，圍巖的成拱效應(yīng)得到有效發(fā)揮。隧道拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為1.41×104kPa，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格加密此處監(jiān)測(cè)，隧道開(kāi)挖后及時(shí)跟進(jìn)初期支護(hù)完成封閉。

圖7 圍巖豎向變形圖

圖8 圍巖最大主應(yīng)力

圖9 施工效果

4 實(shí)施效果以及與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

4.1 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

馬家寨隧道位于云南省臨滄市，該地區(qū)有連續(xù)降雨季節(jié)，圍巖經(jīng)受不同程度雨水沖刷以及地下水流動(dòng)的影響，對(duì)整體施工過(guò)程帶來(lái)一定的安全隱患。馬家寨隧道V級(jí)圍巖段施工中采取上述施工技術(shù)增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性，改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，使施工人員生命安全得到了保障。馬家寨隧道施工效果如圖9所示。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了拱頂沉降及拱腰收斂監(jiān)測(cè)。拱頂沉降采用水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺進(jìn)行量測(cè)，拱腰收斂采用隧道收斂?jī)x進(jìn)行量測(cè)，每10～50 m一個(gè)斷面，每斷面2～3對(duì)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)控量測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可知：兩組數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)一致，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果有效合理，施工方案有效可行。本工程采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖富水軟弱圍巖隧道能夠?yàn)榻窈箢愃乒こ烫峁﹨⒖肌?/p>

5 結(jié)論

(1)通過(guò)模擬富水軟弱圍巖隧道圍巖穩(wěn)定性可知，圍巖變形整體呈對(duì)稱分布，拱頂最大豎向變形為35.03 mm、仰拱隆起最大值為46.30 mm、拱腰水平收斂為24.88 mm，圍巖變形在控制范圍內(nèi)。

(2)圍巖受力狀態(tài)良好，有效發(fā)揮了成拱效應(yīng)，圍巖最大主應(yīng)力為1.41×104kPa，在拱腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)著重加強(qiáng)該處支護(hù)措施。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比可知，二者數(shù)量級(jí)在同一級(jí)，說(shuō)明富水軟弱圍巖隧道現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)有效且安全，馬家寨隧道地質(zhì)復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件調(diào)整相應(yīng)的施工技術(shù)。