龍 凱，孫啟博，韓長樂，陳生坤,孫晨科

(1.中國水電建設集團十五工程局有限公司，西安 710061；2.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021)

在我國基礎設施建設不斷深入的階段，地質(zhì)條件復雜的卵石地層給工程建設帶來挑戰(zhàn)，尤其是隧道等地下工程。卵石地層結構松散，介于土石之間，具有強烈的不均勻特性，自穩(wěn)能力差，滲透性強，時常伴隨地下水豐富的地質(zhì)條件。這些使得卵石地層隧道施工面臨開挖坍塌、地表塌陷、支護結構變形嚴重等問題[1-2]。

基于國內(nèi)豐富工程實踐，學者對卵石地層中的隧道施工進行了探索和研究。文獻[3]在羅漢山隧道中運用地表注漿技術，使注漿范圍內(nèi)土體得到固結，確保了開挖與初期支護過程中隧道的穩(wěn)定，有效防止了隧道在施工過程中出現(xiàn)坍塌、涌水的現(xiàn)象；文獻[4]立足于富水砂卵石地層淺埋暗挖電力隧道的修建實踐，總結出富水砂卵石地層淺埋暗挖技術成功實現(xiàn)的兩個關鍵：一是施工降水，隧道的開挖必須要在無明水的狀態(tài)下進行，二是超前支護；文獻[5]圍繞隧道淺埋段地表深層注漿施工技術展開研究，提出質(zhì)量控制方法，運用于相關工程，并在施工后進行質(zhì)量檢測，表明地表注漿加固效果明顯，地層強度得到了很大的提高。

本文以石羊嶺隧道淺埋段為工程依托，研究地表注漿加固技術對淺埋卵石土層隧道施工變形影響。研究成果對本項目具有重要的工程意義，可保證在淺埋卵石土層地帶隧道施工的安全性，提高施工效率和創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益。今后可推廣到各類淺埋卵石土層地質(zhì)條件的隧道工程施工中，為更多的工程提供技術支持和參考。

1 工程概況

1.1 工程整體情況及設計支護參數(shù)

石羊嶺隧道位于青海省互助土族自治縣，起點位于加定鎮(zhèn)下麻九村，終點位于青崗峽。為雙洞分離式隧道，左線全長1 822 m，右線1 796 m。隧址區(qū)屬侵蝕地貌中切割中山陡坡地貌，覆蓋層厚度較薄，基巖普遍淺埋或裸露。其中K0+870～K1+170段埋深約為19～27 m，屬淺埋，圍巖以卵石土、強中風化片巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，易引起大規(guī)模坍塌。

隧道采用三臺階法施工，超前支護采用?42 mm×4 mm小導管L=4 m@40 cm，初期支護為I20b鋼架，間距60 cm，C25噴射混凝土，厚度26 cm，系統(tǒng)錨桿長3.5 m，梅花形布置，120 cm×60 cm(環(huán)×縱)。

1.2 地表注漿加固技術設計方案

為保證淺埋段施工安全，對該段采用地表注漿加固措施，以改善圍巖物理力學性能，提高圍巖的自穩(wěn)性，縮小圍巖松弛區(qū)范圍。鋼花管注漿加固是通過壓力輸送方式將水泥漿液或其他注漿漿液利用花管壁上的孔洞，注入到力學性質(zhì)較差的巖層或土體中。注漿液在壓力的作用下滲透、填充、擠密、擴展形成漿脈并排除巖土體中的水和空隙，然后占據(jù)巖土體顆粒間的空隙，使巖土體之間的空隙減少。經(jīng)過一段時間的凝結之后，注入巖土體的漿液與巖土體形成了一個整體，可使原巖土體力學性能提高和透水性降低，進而提高圍巖承載力。注漿后的鋼花管留在巖層內(nèi)，還可起到普通錨桿的錨固和抗滑作用。這兩種作用結合起來能夠更好地提高巖土體的整體剛度，滿足施工開挖的要求[6]。石羊嶺隧道地表注漿范圍沿隧道縱向為ZK1+050～ZK1+100段，橫向為隧道橫截面內(nèi)輪廓線左側(cè)8 m至右側(cè)8 m，注漿橫截面示意圖如圖1所示。

圖1 地表注漿橫截面示意圖Fig.1 Cross section of surface grouting

地表注漿設計方案是否成立取決于其功能性、適應性、可實施性、經(jīng)濟性、對環(huán)境的保護以及安全性原則。根據(jù)石羊嶺隧道周邊地質(zhì)情況，采用以下注漿方案：地表注漿孔采用梅花形布置，布置間距為1.5 m×1.5 m，如圖2所示。

圖2 地表注漿鉆孔平面圖

注漿時，先行鉆孔，鉆孔孔徑不小于?110 mm，之后在孔內(nèi)放入?50 mm×5 mm鋼花管，注漿漿液為水泥漿，當單孔每延米注漿量達到1 m3或注漿壓力達到2 MPa時停止注漿。

2 數(shù)值分析

運用Midas/GTS軟件分別對隧道注漿與未注漿兩種工況進行數(shù)值計算，模型沿隧道方向長50 m，上邊界至洞頂為隧道實際埋深19 m，左、右邊界取6倍隧道洞徑60 m，下邊界至隧道底取6倍洞跨[7]，為60 m。模型上部為卵石土層，下部為片巖，模型如圖3所示。

圖3 模型建立圖

地層模擬采用彈塑性結構，采用Mohr-Coulomb屈服準則。支護結構采用彈性結構，模擬噴射混凝土采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元模擬。為簡化計算，通過改變注漿范圍內(nèi)的圍巖參數(shù)模擬注漿效果[8-10]，并將鋼拱架彈性模量折算到噴射混凝土中[11]。根據(jù)地層勘察報告和室內(nèi)外試驗，計算參數(shù)選取見表1。

表1 材料計算參數(shù)表

2.1 施工步驟模擬

隧道采用三臺階法施工，開挖進尺1.2 m。未注漿隧道具體開挖步驟如下：① 超前支護；② 上部弧形導坑開挖、支護；③ 左側(cè)中臺階開挖、支護；④ 右側(cè)中臺階開挖、支護；⑤ 左側(cè)下臺階開挖、支護；⑥ 右側(cè)下臺階開挖、支護；⑦ 核心土開挖；⑧ 仰拱開挖。

注漿隧道具體施工步驟如下：① 地表注漿；② 超前支護；③ 上部弧形導坑開挖、支護；④ 左側(cè)中臺階開挖、支護；⑤ 右側(cè)中臺階開挖、支護；⑥ 左側(cè)下臺階開挖、支護；⑦ 右側(cè)下臺階開挖、支護；⑧ 核心土開挖；⑨ 仰拱開挖。

2.2 位移計算結果分析

分別對未進行地表注漿加固和地表注漿加固后隧道開挖進行數(shù)值計算，得到位移云圖，如圖4～5所示。

圖4 隧道豎向位移云圖

圖5 隧道水平位移云圖

在未進行地表注漿時開挖隧道拱頂沉降如圖4(a)所示，進行地表注漿后隧道開挖拱頂沉降如圖4(b)所示，相比未進行地表注漿時約減小了20.9 mm，減小幅度為66%。進行注漿后相比未注漿時地表沉降減小。

對比圖5(a)和圖5(b)地表注漿前與注漿后水平位移云圖，水平位移減小了約50%，結果表明通過地表注漿改變隧道周圍巖體物理學參數(shù)可以很有效地抑制隧道變形。

2.3 應力計算結果分析

分別對地表注漿前和注漿后隧道進行開挖數(shù)值模擬，隧道與地層Z方向有效應力如圖6所示。圖6中，Z方向最小有效壓應力位于隧道拱頂，Z方向最大有效壓應力發(fā)生在下臺階拱腳處。

圖6 隧道豎直方向應力云圖

圖7(a)中，X方向最大有效壓應力發(fā)生在邊墻以及邊墻與底拱相交處。圖7(b)中，X方向最大有效壓應力位于拱頂處。

越靠近隧道開挖位置地表沉降量越大，故選取隧道中心線附近5個點A1～A5對比地表下沉結果。

圖8(a)中，隧道未進行地表注漿時，隧道中心線處地表下沉量最大，其余四點沉降量由隧道中心處沿兩側(cè)分別呈對稱趨勢減小。圖8(b)中，在隧道進行地表注漿后，地表下沉規(guī)律與隧道未注漿時相同，地表最大沉降量同樣出現(xiàn)在中心線處，其余四點沉降量同樣沿隧道中心兩側(cè)分別呈對稱趨勢減小，注漿后各點地表沉降量與注漿前對比均有減小。

3 結 論

石羊嶺隧道淺埋段上部圍巖為卵石土、強中風化片巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，易引起大規(guī)模坍塌，為確保隧道結構安全對淺埋段采取地表注漿預加固措施。采用數(shù)值模擬分析了地表注漿預加固技術在淺埋卵石地層隧道施工中的工程效果，具體得出以下結論：

1) 應力計算結果表明，地表注漿對隧道圍巖應力狀態(tài)影響較小，未進行地表注漿和地表注漿后隧道圍巖應力分布狀態(tài)相同，應力大小相近。

2) 位移計算結果表明，采取預注漿加固措施后，隧道拱頂下沉、周邊收斂和隧道洞頂沉降位移值相比未施做超前支護顯著減小，可有效控制圍巖變形，保障結構安全。

3) 地表沉降計算結果表明，注漿后地表最大沉降量相比未進行注漿明顯減小，地表注漿加固可有效控制地表沉降，保障施工安全。