姜冰，常樹芳，王方立，樊毅華，趙超

（中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528403）

中國地域廣闊，中西部地區(qū)山脈縱橫、溝壑交錯(cuò)，地形陡峻險(xiǎn)要，地質(zhì)條件復(fù)雜，許多隧道建設(shè)在地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)。建設(shè)山嶺隧道中，洞口段的開挖是重要環(huán)節(jié)，特別是淺埋偏壓隧道。洞口圍巖通常存在富水、滑坡等不良地質(zhì)條件，尤其是洞口開挖后非對(duì)稱荷載會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的彎矩和應(yīng)力集中。如：施工工藝與圍巖力學(xué)環(huán)境不符合，會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，延誤工期，增加不必要的施工成本。

目前，很多學(xué)者從不同角度對(duì)淺埋偏壓隧道進(jìn)行了研究。劉小軍等人[1]采用FLAC3D 計(jì)算了某隧道洞口段圍巖及支護(hù)的受力特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，證明環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法的隧道掘進(jìn)過程應(yīng)先開挖淺埋側(cè)較為合理，該結(jié)論與周玉宏等人[2-5]的研究結(jié)果一致。雷明鋒等人[6]依托工程襯砌斷面及相似性原理，采用偏壓角模型對(duì)淺埋偏壓隧道圍巖壓力的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，表明：淺埋偏壓隧道開挖過程中，淺埋側(cè)圍巖壓力逐步減小，而深埋側(cè)圍巖壓力逐漸增大。來弘鵬等人[7-8]針對(duì)偏壓隧道的漸進(jìn)破壞機(jī)理及圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M和分析，揭示了淺埋偏壓隧道塌方破壞的形成和發(fā)展過程。王祥秋等人[9]通過對(duì)比龍井隧道進(jìn)口段施工過程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果，得出了偏壓淺埋隧道在不同開挖階段中圍巖位移的變化規(guī)律。王明年等人[10-11]通過物理模型試驗(yàn)，對(duì)軟弱圍巖下的小凈距淺埋暗挖隧道的不同圍巖預(yù)加固強(qiáng)度和施工進(jìn)尺進(jìn)行了研究。林希鶴等人[12-14]結(jié)合寧杭高速公路宜興段梯子山隧道工程實(shí)例，論證了超前管棚支護(hù)結(jié)合注漿技術(shù)改善松軟破碎巖層的物理力學(xué)性質(zhì)。張紅衛(wèi)等人[15]通過對(duì)超前管棚注漿支護(hù)的加固機(jī)理及應(yīng)用進(jìn)行了分析，證明采用管棚注漿法能在不良地層地質(zhì)條件下大跨度隧道施工過程中增強(qiáng)隧道自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。苑俊廷等人[16]研究了超前大管棚支護(hù)技術(shù)在某淺埋偏壓黃土隧道的實(shí)際應(yīng)用，并通過對(duì)工程量測(cè)的數(shù)據(jù)分析，證實(shí)了超前管棚支護(hù)控制隧道洞口段的地表下沉和圍巖變形效果較好。戴俊[17]通過對(duì)隧道施工所處的工程地質(zhì)條件與超前管棚預(yù)支護(hù)在隧道開挖若干階段的受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了超前管棚預(yù)支護(hù)的主要參數(shù)計(jì)算原則與方法。但對(duì)破碎、風(fēng)化圍巖條件下的管棚支護(hù)參數(shù)的確定及數(shù)值模擬研究少見。淺埋偏壓隧道洞口段施工中，管棚參數(shù)的選取一般依靠工程經(jīng)驗(yàn)選取，難以保證參數(shù)的準(zhǔn)確性。因此，本研究擬采用數(shù)值模擬來研究淺埋偏壓隧道施工中超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護(hù)參數(shù)的選取，并以工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以期為類似隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 隧道聯(lián)合支護(hù)施工

1.1 工程背景

貴州玉石高速白巖灣隧道進(jìn)口位于直線型斜坡坡腳，自然坡度約29°，隧道起訖樁號(hào)ZK16+765～ZK16+955，長(zhǎng)190 m，隧道最大埋深53 m，隧道凈高、凈寬都為5 m?；鶐r出露為奧陶系中下統(tǒng)湄潭組（1～2 m）泥質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀205°∠32°，進(jìn)洞口仰坡開挖坡向?yàn)?91°，坡向與巖層傾向近似垂直，傾角略大于坡角，為切向坡，邊坡整體較穩(wěn)定。仰坡開挖坡面主要位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，穩(wěn)定性較差，邊坡開挖后強(qiáng)風(fēng)化巖層易沿節(jié)理裂隙面滑塌。進(jìn)口仰坡整體較穩(wěn)定，但仰坡開挖強(qiáng)風(fēng)化巖層面易沿節(jié)理裂隙面滑塌。圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育密集，裂隙水不發(fā)育，圍巖極其破碎，巖體完整性較差，拱部易掉。

1.2 長(zhǎng)管棚設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼管規(guī)格：φ108 mm×6 m 熱軋無縫鋼管，節(jié)長(zhǎng)為3、6 m，鋼管環(huán)向間距為40 cm，仰角為1°～3°（不包含路線縱坡），管棚支護(hù)長(zhǎng)度為30 m。管棚注漿采用水泥漿液（添加水泥漿液體積5%的水玻璃），通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定合理的注漿參數(shù)，初步擬定注漿參數(shù)如下：①水泥漿水灰比取1:1；②水玻璃濃度取35 波美度；③水玻璃模數(shù)取2.4；④注漿壓力初壓為1.2 MPa，終壓為2.2 MPa。

1.3 工藝流程

先施作偏壓擋墻，澆筑C20混凝土，養(yǎng)護(hù)15 d后拆模。再施作套拱，內(nèi)模安裝，預(yù)埋長(zhǎng)管棚，定位定向鋼管，安裝外模，澆筑C25混凝土包裹鋼支撐和導(dǎo)向管，養(yǎng)護(hù)15 d 后才可拆模。然后進(jìn)行長(zhǎng)管棚施工。鉆孔過程中，保證鉆機(jī)不移位。每鉆進(jìn)5 m，用儀器檢查角度是否偏離，確保鉆孔方向的準(zhǔn)確性。安裝完畢后，封閉工作面，向棚管內(nèi)注漿，如圖1所示。

圖1 偏壓擋墻、超前長(zhǎng)管棚聯(lián)合支護(hù)施工Fig.1 Combined support construction of biased retaining wall and advanced long pipe shed

2 隧道監(jiān)控量測(cè)

隧道監(jiān)測(cè)量控水平凈空收斂、拱頂下沉和地表沉降（洞口）。隧道地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂測(cè)點(diǎn)根據(jù)施工方法布置[18]，如圖2～3所示。

圖2 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of surface settlement measuring points

圖3 拱頂位移及周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points for displacement of vault and wall of the tunnel

對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，15 d 后變形趨于收斂。由于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)過多，以K16+775 斷面為例，拱頂變形時(shí)程曲線如圖4～6所示。

圖4 K16+775拱頂累積沉降-時(shí)間曲線Fig.4 Cumulative settlement-time curve of vault at the K16+775

圖5 K16+775周邊累積收斂-時(shí)間曲線Fig.5 Cumulative convergence-time curve of wall at the K16+775

圖6 K16+775地表累積下沉-時(shí)間曲線Fig.6 Cumulative subsidence-time curve of surface at the K16+775

從圖4～6 中可以看出，隧道拱頂?shù)某两盗吭?4～18 mm 之間，周邊收斂在11～18 mm 之間，洞口地表累計(jì)下沉在7～12 mm 之間，各值均在工程規(guī)范允許范圍內(nèi)，與聯(lián)合支護(hù)條件下的隧道開挖模擬結(jié)果接近。

3 隧道施工數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型

本研究采用巖土工程數(shù)值分析軟件MⅠDAS GTX NX進(jìn)行分析，計(jì)算考慮自重，邊界條件采用位移邊界條件。模型的上邊界為自由邊界，在下邊界施加水平和豎向約束，兩側(cè)分別施加水平方向的約束。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，計(jì)算中的覆土、圍巖材料選擇莫爾-庫倫準(zhǔn)則，噴混、偏壓擋墻、管棚材料選擇彈性準(zhǔn)則。隧道的施工進(jìn)尺取4 m，共計(jì)5 個(gè)開挖步，管棚支護(hù)長(zhǎng)度為30 m，鋼管取φ108 mm×6 m 熱軋無縫鋼管，鋼管環(huán)向間距取40 cm，漿液擴(kuò)散半徑取30 cm。覆土、圍巖、管棚、偏壓擋墻和噴射混凝土的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of calculation model

聯(lián)合支護(hù)、無支護(hù)條件下的隧道計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing diagram of the model

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 無支護(hù)情況下位移場(chǎng)分析

計(jì)算可得到不同施工階段隧道周邊位移，取有代表性的第1 步開挖和第5 開挖結(jié)束后的隧道周邊位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行展示，如圖8～9所示。

圖8 無支護(hù)時(shí)第1開挖步后隧道周邊位移計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculation results of displacement after the first excavation step without support

圖9 無支護(hù)時(shí)第5開挖步后隧道周邊位移計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation results of displacement after the fifth excavation step without support

從圖8 中可以看出，第1 步開挖后，X方向位移最大處在隧道的左側(cè)和右側(cè)，隧道左側(cè)向內(nèi)偏移量高達(dá)11.2 cm，右側(cè)向內(nèi)偏移量達(dá)24.3 cm。而在Z方向，位移最大處為隧道拱頂和底板，向內(nèi)側(cè)位移量分別是17.8、14.5 cm。第5 步開挖結(jié)束后，隧道周邊位移更為明顯。從圖9中可以看出，隧道在X、Z方向均變形嚴(yán)重，X方向隧道左側(cè)向內(nèi)偏移量達(dá)59.3 cm，右側(cè)向內(nèi)偏移量高達(dá)158.2 cm，Z方向隧道拱頂向下偏移117.7 cm，底板向上偏移99.6 cm。在這種情況下，隧道會(huì)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，無法繼續(xù)施工。

3.2.2 聯(lián)合支護(hù)條件下位移場(chǎng)分析

計(jì)算可得到聯(lián)合支護(hù)下不同施工階段的隧道周邊位移，同樣取有代表性的第1步開挖和第5開挖結(jié)束后的隧道周邊位移進(jìn)行分析，如圖10～11所示。

圖10 聯(lián)合支護(hù)時(shí)第1開挖步后隧道周邊位移計(jì)算結(jié)果Fig.10 Calculation results of displacement after the first excavation step with combined support

圖11 聯(lián)合支護(hù)時(shí)第5開挖步后隧道周邊位移計(jì)算結(jié)果Fig.11 Calculation results of displacement after the fifth excavation step with combined support

從圖10 中可以看出，相比沒有支護(hù)條件的情況，使用超前管棚支護(hù)和偏壓擋墻措施后，隧道周邊位移得到了很好控制。第1步開挖后，隧道周邊在X方向最大位移值僅為0.28 mm，在Z方向最大位移量是0.98 mm。從圖11 中可以看出，第5 步開挖結(jié)束后，X方向隧道周邊最大偏移量達(dá)0.35 mm，Z方向隧道周邊最大偏移量1.58 mm。位移值均符合實(shí)際工程標(biāo)準(zhǔn)。因此，使用超前管棚支護(hù)和偏壓擋墻技術(shù)進(jìn)行施工，可有效保證掘進(jìn)施工和初期支護(hù)的安全。

從無支護(hù)條件下的隧道施工模擬結(jié)果可知，無論是隧道的拱頂下沉、周邊收斂，還是隧道上方的地表沉降，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求，隧道拱頂?shù)南鲁?，腰部的擠壓扭曲，甚至達(dá)到了米級(jí)，在實(shí)際工程背景下，這意味著隧道已經(jīng)處于垮塌狀態(tài)。因此，超前管棚支護(hù)、偏壓擋墻聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于淺埋偏壓隧道洞口段的施工中，可發(fā)揮良好的支護(hù)效果。

4 結(jié)論

有限單元法是研究淺埋偏壓隧道洞口段施工中超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的有效方法。利用有限元法，可以定量地分析隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力及變位情況。本研究對(duì)比在有無聯(lián)合支護(hù)2 種工況下隧道開挖穩(wěn)定性的差異。通過MⅠDAS GTX NX 計(jì)算模擬，研究了2 種工況下圍巖的應(yīng)力和變形的分布規(guī)律，以及在不同開挖階段過程中位移和應(yīng)力的變化情況。由此判斷出隧道在開挖后的穩(wěn)定性，這對(duì)類似工程背景下的隧道工程管棚支護(hù)的施工和設(shè)計(jì)，具有一定參考意義。

在淺埋偏壓隧道洞口段的施工中，未采用超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案時(shí)，隧道開挖后隧道邊墻、拱頂和地表覆土均出現(xiàn)了米級(jí)大幅度位移。實(shí)際施工中，這種量級(jí)形變，意味著隧道已經(jīng)發(fā)生垮塌，完全不具備安全施工條件。而采用超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案后，管棚注漿改善了軟弱破碎圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，在隧道開挖輪廓周圍形成剛度較大、完整性好的混凝土注漿加固帶，隧道圍巖位移、地表下沉得到了很好地控制。偏壓擋墻則很好地抵消了管棚結(jié)構(gòu)在高海拔方向一側(cè)受到的擠壓應(yīng)力，阻止了管棚結(jié)構(gòu)在水平方向上發(fā)生明顯偏移。

可見超前管棚、偏壓擋墻聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是確保淺埋偏壓隧道洞口段順利完成施工及地面建筑物安全穩(wěn)固的有效方法。