鄧祥輝，劉錦濤，龍 凱，王 睿

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安710021；2.中國水電建設(shè)集團十五工程局有限公司，西安710075)

卵石土層隧道土層黏聚力較差，在淺埋段開挖時，極易出現(xiàn)拱部掉塊、掌子面失穩(wěn)，甚至局部坍塌等工程事故。所以卵石土層隧道在施工中，施工工法和超前加固措施的選擇就顯得十分重要。因此，在卵石土層隧道施工中，結(jié)合工程實際與經(jīng)濟效益，選用合適的施工工法和超前加固措施，往往可以達到事半功倍的效果。

對于淺埋卵石隧道，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對隧道施工技術(shù)、施工工法與施工變形控制措施等方面進行了研究[1-2]。在施工技術(shù)方面，文獻[3]通過對砂卵石地層進行自進式錨桿加固，有效控制了建筑物的沉降。文獻[4]對成都市北延線富水砂卵石隧道進行了研究，得出在該類型的隧道中的關(guān)鍵技術(shù)為施工降水與注漿加固。文獻[5]在研究砂卵石淺埋隧道的快速施工技術(shù)時，提出了“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則。文獻[6]以北京地下直徑線富水砂卵層隧道為工程依托，采用了洞樁法與交叉中隔壁法(Cross Diaphragm,CRD)相結(jié)合的施工方法，其控制地表沉降的效果較為明顯。在施工工法數(shù)值模擬方面，文獻[7-8]以某下穿既有公路的超淺埋大跨隧道為工程依托，結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行了研究，認為該類工程CRD法優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。文獻[9-10]以成都一號線某淺埋卵石試驗段為工程背景，采用數(shù)值模擬對比分析了中隔壁法(Center Diaphragm,CD)與臺階法的隧道變形，結(jié)果顯示CD法在控制地表沉降與隧道變形方面都優(yōu)于臺階法。文獻[11-12]對大跨度淺埋軟弱圍巖隧道進行了研究，分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與微臺階預(yù)留核心土法對隧道開挖的影響，得出微臺階預(yù)留核心土法在施工進度，資源利用，造價及工序轉(zhuǎn)化方面占有優(yōu)勢，但在控制變形方面雙側(cè)壁導(dǎo)坑法明顯優(yōu)于微臺階法。文獻[13]對臺階法進行了詳細的研究，得出了合理減小臺階法開挖長度，能有效減小隧道開挖引起的地表沉降的結(jié)論。文獻[14-15]采用ANSYS有限元分析軟件對西成鐵路客運專線隧道開挖的施工工法進行了數(shù)值模擬，得到雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的安全性高于臺階法施工的結(jié)論。

上述學(xué)者對卵石隧道的施工工法進行了深入研究，但對于卵石隧道在淺埋段的開挖與超前加固措施相結(jié)合的研究較少，需要進一步深入研究。本文將以青海省石羊嶺隧道為工程背景，利用數(shù)值模擬方法，對卵石淺埋段采用4種不同施工工法進行比較，并選出合適的施工方法和超前支護措施，以期為類似工程提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

石羊嶺隧道位于青海省互助土族自治縣，左、右線隧道長度分別為1 822 m和1 796 m，其中左線ZK0+975至ZK1+150段、右線YK0+965至YK1+155段穿越卵石土層，其圍巖等級劃分為V級，且為淺埋隧道。由于在隧道開挖過程中，易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)，拱頂?shù)魤K等現(xiàn)象，所以在施工中采取了超前小導(dǎo)管與地表注漿共同加固的方法，在后述模型建立過程中統(tǒng)一采用超前小導(dǎo)管與地表注漿進行加固。

小導(dǎo)管采用外徑42 mm，壁厚4.0 mm，長400 cm的熱軋無縫鋼花管。鋼花管環(huán)向間距約40～50 cm，外插角控制在10～15°，設(shè)置于襯砌拱部約130°范圍，具體布置如圖1所示。

地表注漿范圍內(nèi)豎向加固范圍為地表至設(shè)計高程以下3 m，橫向加固范圍為內(nèi)輪廓左側(cè)8 m至右側(cè)8 m。地表注漿孔采用梅花形布置，布孔間距1.5 m×1.5 m，注漿時，先行鉆孔，鉆孔孔徑不小于Φ110 mm，之后在孔內(nèi)放入Φ50 mm×5 mm的鋼管，注漿區(qū)段內(nèi)鋼管按15 cm間距，梅花形設(shè)置注漿孔。

2 不同施工工法比選

2.1 不同施工工法對比分析

對于淺埋卵石隧道，常用的施工工法有環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，CD法，CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，不同工法的優(yōu)劣對比見表1。

表1 不同施工工法對比

通過表1對比可得，以上4種工法都適用于圍巖條件較差的隧道開挖，而環(huán)形開挖預(yù)留核心土法較其他3種工法，施工簡便，成本較低；CD法、CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法需要架設(shè)臨時拱架，故控制隧道變形效果較好，而隧道在開挖結(jié)束后，臨時支撐需全部拆除，導(dǎo)致這3種工法施工成本較高。

2.2 工法開挖順序

隧道在進行超前支護后，進行開挖施工。四種施工工法施工開挖步驟如圖2所示。

圖2 四種工法開挖示意圖

3 數(shù)值模擬對比分析

3.1 模型建立

本文模型均采用Midas GTS NX有限元處理軟件進行分析，該模型取左線淺埋段ZK1+060至ZK1+120，共60 m，其中隧道上部為卵石土層，下部為片巖圍巖。隧道的開挖僅對一定范圍內(nèi)的巖體造成擾動，一般為3～5倍的洞徑，根據(jù)實際地質(zhì)勘察結(jié)果，計算模型左右各取70 m，上部卵石土層取20 m，下部片巖巖層取75 m。以隧道斷面橫向為X軸，掘進方向為Y軸，縱向高度為Z軸。

卵石土層與片巖都選擇均質(zhì)，連續(xù)，各向同性的莫爾-庫倫模型，錨桿則采用桿單元模型；且由于只模擬了淺埋段，其埋深較淺，故地應(yīng)力計算時不考慮構(gòu)造應(yīng)力，只考慮自重應(yīng)力；二次襯砌一般只用于安全儲備，理論上是不受力的，故在模擬時不做考慮。隧道施工模型如圖3所示。

圖3 模型示意圖

本文采用小導(dǎo)管與地表注漿共同作用作為超前加固方式，與該隧道實際采用的措施相同。在本文模型中，引入等效小導(dǎo)管加固區(qū)代替小導(dǎo)管與注漿共同作用，地表注漿效果以加固后的卵石土層進行替代；對于初期支護，用等效噴混來替代拱架、噴射混凝土等共同作用，具體參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場試驗反分析得出。為保證模擬結(jié)果具有對比性，四種工法的模擬參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)

3.2 模型計算結(jié)果對比分析

本文主要從位移與拉應(yīng)力進行分析，包括Z向位移(拱頂沉降)、X向位移(周邊收斂)與初支的最大拉應(yīng)力。

3.2.1 Z向位移結(jié)果分析

取各工法最后一個施工階段，其表示隧道開挖結(jié)束后的最終累計沉降量，Z向位移結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在圍巖條件與支護參數(shù)相同的情況下，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法Z向位移為19.29 mm，CD法為17.74 mm，CRD法為16.75 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑為10.51 mm。模擬結(jié)果表明在控制豎向位移變形時，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效果最好，CRD與CD法次之，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法較差。

圖4 四種工法Z向位移云圖Fig.4 Z-direction displacement nephogram of four construction methods

累計沉降變形趨勢分析如圖5所示，四種工法中除環(huán)形開挖預(yù)留核心土法外，其余三種工法在施工中都需要進行臨時支撐的拆除，故模擬施工步驟較多。圖5中累計沉降指拱頂沉降的累計值，其變形都顯示出“先急后緩”的趨勢。但值得注意的是CD法、CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在30步左右出現(xiàn)了較大的變形，是由于模擬過程中為了保證施工的安全，在30步左右拆除臨時支撐，說明拆除臨時支撐對該三種工法的影響較大，這一點在施工中需多加注意，加強該段施工的監(jiān)控量測，以保證施工安全。

圖5 沉降趨勢圖

3.2.2 X向位移分析

與豎向位移相同，取每種工法最后一個施工階段，橫向位移結(jié)果如圖6所示。模擬結(jié)果顯示，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法橫向位移為9.7 mm，CD法為9.6 mm，CRD法為9.2 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為8.8 mm。可以得出在控制隧道開挖的橫向位移時，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CRD法效果最為明顯，預(yù)留核心土與CD法相差不大。分析原因得出在四種工法中只有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CRD法在模擬時施作了臨時仰拱，可以得出施作臨時仰拱對控制隧道周邊收斂效果較好。

圖6 四種工法X向位移云圖

3.2.3 最大拉應(yīng)力對比

圖7為四種工法初支最大拉應(yīng)力云圖，隧道在開挖過程中，圍巖會出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象，從而導(dǎo)致隧道圍巖產(chǎn)生變形，而變形位移會作用在初期支護上，使之產(chǎn)生拉應(yīng)力。

從圖7中可見，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法最大拉應(yīng)力為0.953 367 MPa，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大拉應(yīng)力為0.942 308 MPa。CD法和CRD法分別為0.953 255 MPa和0.945 396 MPa。從拉應(yīng)力數(shù)值看，四種工法的最大拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求(規(guī)范規(guī)定C25噴射混凝土的抗拉極限強度為2.0 MPa，抗拉設(shè)計強度為1.3 MPa)。四種施工工法中，預(yù)留核心土開挖法的最大拉應(yīng)力略大于其他三種工法。主要原因在于該法在施工中不能盡快的封閉成環(huán)，且無臨時支撐分擔(dān)圍巖釋放應(yīng)力，因此該工法在控制隧道變形時數(shù)值稍大。

圖7 四種工法最大拉應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

在淺埋卵石土層中，施工工法和超前支護措施的選擇非常重要。本文以石羊嶺隧道淺埋段為工程依托，采用數(shù)值模擬分析方法對環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、CD法、CRD法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行了模擬和反分析，得到了以下主要結(jié)論：

1) 采用地表注漿與超前小導(dǎo)管的超前支護組合方式，上述四種施工工法在控制隧道結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力方面都可以滿足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)。

2) 從隧道變形結(jié)果分析，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效果最好，CD法與CRD法相差不大，預(yù)留核心土三臺階開挖法效果最差；從最大拉應(yīng)力結(jié)果分析，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法拉應(yīng)力最大，CD法與CRD法次之，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法數(shù)值最小。從隧道圍巖變形和最大拉應(yīng)力結(jié)果分析，四種工法選用順序為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。

采用地表注漿與超前小導(dǎo)管的超前支護組合方式條件下，淺埋卵石土層隧道開挖后圍巖的變形和結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力均較小，且滿足規(guī)范要求，本文對環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、CD法、CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行了技術(shù)層面的定性和定量對比分析。但淺埋卵石土層隧道施工工法的選擇不僅要考慮隧道施工的安全性，還要結(jié)合施工成本、施工工期以及施工隊伍技術(shù)水平等因素，進行綜合對比才能確定。