王 飛，謝金池，潘文韜，楊卓文，楊朝棟，劉 洋，楊文波

(1.四川綿九高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610041； 2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 引言

為響應(yīng)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，我國(guó)西部修建了大量山區(qū)公路隧道[1]。山區(qū)隧道修建過(guò)程中，洞口段常面臨各種不良地質(zhì)問(wèn)題，泥石流沖溝[2-4]就是一種典型的不良地質(zhì)，給隧道施工、安全及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，并且泥石流沖溝隧道工法及支護(hù)施作時(shí)機(jī)往往較大程度地影響圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形，因此，有必要針對(duì)泥石流沖溝隧道，對(duì)其工法及支護(hù)時(shí)機(jī)展開(kāi)研究。在隧道工法及支護(hù)時(shí)機(jī)、步距研究上，侯福金等[5]、張俊儒等[6]對(duì)小凈距及大跨斷面工法進(jìn)行相關(guān)研究；張新金等[7]對(duì)盾構(gòu)法與淺埋暗挖結(jié)合車站中二次襯砌施作時(shí)機(jī)展開(kāi)研究，王睿等[8]從概率統(tǒng)計(jì)角度對(duì)公路隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)展開(kāi)研究；史繼堯等[9]對(duì)軟巖大斷面隧道仰拱步距對(duì)支護(hù)的影響展開(kāi)研究。在泥石流沖溝隧道機(jī)理及超前加固上，趙文財(cái)?shù)萚10]基于數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)探究了穿越?jīng)_溝隧道管棚加固的作用；閆東霄等[11]采用有限元方法對(duì)部分處置措施(加強(qiáng)支護(hù)、換填處理等)進(jìn)行了探究；李天斌等[12]采用超前注漿及加長(zhǎng)錨桿的方式有效控制了沖溝隧道結(jié)構(gòu)及土體變形；廖峻等[13]對(duì)泥石流沖溝隧道的設(shè)計(jì)及防治展開(kāi)探討。

因此，目前學(xué)者對(duì)泥石流沖溝隧道機(jī)理、超前加固、隧道工法及支護(hù)施作時(shí)機(jī)均有一定研究，泥石流沖溝隧道地質(zhì)環(huán)境特殊，其工法及支護(hù)施作時(shí)機(jī)有別于其他不良地質(zhì)(如軟巖等)，而目前針對(duì)泥石流沖溝隧道工法及支護(hù)時(shí)機(jī)的研究極少，僅朱正國(guó)等[14]對(duì)泥石流堆積體隧道工法進(jìn)行相關(guān)研究。鑒于此，本文依托九綿高速甘溝隧道，針對(duì)其穿越泥石流沖溝的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階工法并加快支護(hù)施作時(shí)機(jī)，效果較好，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工法及支護(hù)施作時(shí)機(jī)情況進(jìn)行比選驗(yàn)證。

1 工程概述

九綿高速甘溝隧道左、右線分離，目前無(wú)滑坡情況，主要不良地質(zhì)為泥石流，該泥石流位于長(zhǎng)5.4km、溝床寬4～8m的沖溝中，泥石流不斷切割沖溝，形成切口深度為5～10m，坡度為10%的縱坡。該泥石流沖溝曾在2016年爆發(fā)，沖出大量固體物質(zhì)，目前無(wú)爆發(fā)跡象，但隨著降雨及水體發(fā)育，依然面臨著再次爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。甘溝隧道洞口情況如圖1所示，左、右線淺埋段如圖2所示。

圖1 甘溝隧道洞口情況

圖2 甘溝隧道左、右線淺埋段示意

2 模型建立及參數(shù)選擇

根據(jù)隧道及地形尺寸在CAD軟件中繪制出不同工法下的平面線框，導(dǎo)入RHINO軟件中并補(bǔ)畫巖體及沖溝的線條，通過(guò)拉伸沖溝巖體及隧道生成三維實(shí)體并通過(guò)布爾運(yùn)算生成最終模型，通過(guò)RHINO軟件的GRIDDLE組件生成網(wǎng)格并導(dǎo)入FLAC軟件中用于后續(xù)計(jì)算。

模型符合莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，長(zhǎng)84m、寬50m、高58m。在四周及底部設(shè)置法向約束，初期支護(hù)為噴錨結(jié)構(gòu)，噴射混凝土厚0.2m、強(qiáng)度等級(jí)為C20，選用長(zhǎng)3m，縱、環(huán)向間距分別為1.1，1.0m的錨桿，超前加固方式為帷幕注漿+單層小導(dǎo)管，小導(dǎo)管直徑為42.5m，帷幕注漿為四周5m范圍。二次襯砌為C30模筑混凝土。沖溝模型如圖3所示。

圖3 沖溝模型

圍巖、帷幕注漿區(qū)及二次襯砌采用實(shí)體(見(jiàn)表1)，錨桿、小導(dǎo)管采用cable單元，初期支護(hù)采用shell單元。隧道開(kāi)挖進(jìn)尺為2m，初期支護(hù)在掌子面開(kāi)挖2m后施作，仰拱初期支護(hù)后10m進(jìn)行仰拱回填，回填土后20m施作二次襯砌。工法主要有二臺(tái)階留核心土、三臺(tái)階及CD法，如圖4所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

圖4 工法示意

仰拱高1.5m，依據(jù)甘溝隧道現(xiàn)場(chǎng)工法步距設(shè)置及九綿高速其他隧道不同工法[15]相關(guān)步距取值，并參照文獻(xiàn)[16]中關(guān)于工法步距的研究，確定工法步距取值。二臺(tái)階留核心土工法中各掌子面步距為5，5，2，2m，三臺(tái)階工法中各臺(tái)階步距為6m，CD法中各掌子面距離為4，9，4m。

3 沖溝隧道工法模擬及驗(yàn)證

3.1 現(xiàn)場(chǎng)工法及變形情況

由于穿越?jīng)_溝段圍巖呈散體結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)能力極差，常規(guī)超前與加固方式難以保證施工安全，因此，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立試驗(yàn)段將超前與加固方式替換為帷幕注漿+單層小導(dǎo)管的方式，以提高頂部圍巖自身承載力，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示試驗(yàn)段效果良好。目前甘溝隧道現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階工法，在三臺(tái)階工法下，甘溝隧道變形較穩(wěn)定，未發(fā)生初期支護(hù)開(kāi)裂剝落、二次襯砌掉塊等現(xiàn)象，反映了三臺(tái)階工法對(duì)泥石流沖溝隧道有較好的適應(yīng)性?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬中規(guī)定：圍巖及隧道變形豎直方向向下變形為負(fù)、向上變形為正，水平方向拱腰變形向右為正。

甘溝隧道右線進(jìn)出口樁號(hào)為K19+275—K21 +072，沖溝里程為K20+175—K20+195。提取沖溝附近周邊收斂曲線如圖5所示。由圖5可知，沖溝附近周邊收斂波動(dòng)較大，起初收斂數(shù)值快速增大，至25d左右收斂快速下降，直至穩(wěn)定，最終拱腰位置甚至有略微擴(kuò)張。K20+174位置周邊收斂波動(dòng)最大，最大收斂可達(dá)18.62mm，此位置為距離沖溝始端1m的位置，此外沖溝正中及沖溝后端2m也是周邊收斂較大的位置。整體上來(lái)說(shuō)，周邊收斂穩(wěn)定較快，說(shuō)明三臺(tái)階工法能較好穩(wěn)定周邊收斂。

圖5 沖溝附近周邊收斂曲線

隧道進(jìn)洞位置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地表沉降曲線如圖6所示。由圖6可知，地表沉降快速增加，在40d左右穩(wěn)定，最大地表沉降可達(dá)2.91mm，整體上來(lái)說(shuō)，地表沉降較小。說(shuō)明帷幕注漿及三臺(tái)階工法應(yīng)用效果良好。

圖6 洞口位置地表沉降

3.2 現(xiàn)場(chǎng)工法數(shù)值模擬驗(yàn)證

不同工法下圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形如表2所示，不同工法下拱頂沉降、右拱腰收斂及地表沉降曲線分別如圖7～9所示。

圖7 不同工法下拱頂沉降對(duì)比

表2 不同工法圍巖支護(hù)受力、變形對(duì)比

1)拱頂沉降曲線與地表沉降曲線表現(xiàn)出較好的一致性，這主要是由于拱頂沉降向上傳播直至地表所致，數(shù)值上來(lái)說(shuō)，無(wú)論是拱頂沉降還是地表沉降，CD法最小，二臺(tái)階留核心土工法最大。在開(kāi)挖隧道上半側(cè)時(shí)，拱頂?shù)乇沓两悼焖僭龃?，開(kāi)挖下半側(cè)時(shí)，拱頂?shù)乇沓两捣磸棞p小，進(jìn)行仰拱回填二次襯砌施作后，拱頂?shù)乇沓两道^續(xù)增大，由于CD法左右側(cè)開(kāi)挖，使其拱頂?shù)乇沓两登€迎來(lái)兩段式增加。對(duì)于右拱腰收斂，三臺(tái)階工法最小，CD法最大，這主要是CD法左、右側(cè)開(kāi)挖對(duì)收斂變形擾動(dòng)較大引起的。

圖8 不同工法下右拱腰收斂對(duì)比

圖9 不同工法下地表沉降對(duì)比

2)二臺(tái)階留核心土工法在拱頂?shù)乇沓两?、圍巖受力與豎向變形、錨桿與小導(dǎo)管受力上較為不利，塑性區(qū)范圍也更大，考慮到?jīng)_溝隧道對(duì)變形控制要求較高，因此，二臺(tái)階留核心土工法適用性較差，不予采用。

3)CD法在控制拱頂?shù)乇沓两怠⒐暗茁∑?、圍巖受力、塑性區(qū)分布及錨桿變形方面較為優(yōu)異，但考慮到采用CD法增加了使用成本及施工進(jìn)度，并且受工法影響，拱腰收斂數(shù)值較大，且初期支護(hù)拉壓應(yīng)力及二次襯砌拉應(yīng)力均較劣，考慮到拉應(yīng)力的增加將大大增加襯砌開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，在增加成本的同時(shí)使結(jié)構(gòu)受力處于劣勢(shì)，因此采用CD法不經(jīng)濟(jì)。

4)三臺(tái)階工法在拱腰收斂、塑性區(qū)分布、初期支護(hù)受力、錨桿小導(dǎo)管受力變形及二次襯砌拉應(yīng)力等方面均較為有利，而且施工進(jìn)度快、經(jīng)濟(jì)性好，是適用于泥石流沖溝的較為適宜的工法。

綜上，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階工法較為經(jīng)濟(jì)且受力變形較好，在圍巖結(jié)構(gòu)受力上較為優(yōu)異。

3.3 沖溝工法理論分析

沖溝隧道上方為松散結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性極差，雖然現(xiàn)場(chǎng)采用了帷幕注漿+單層小導(dǎo)管的施工方案，但在實(shí)際施工過(guò)程中極有可能導(dǎo)致隧道拱頂塌腔，因此，需嚴(yán)格控制拱頂變形。二臺(tái)階留核心土工法相比二臺(tái)階工法能更好地控制拱頂變形，但由于臺(tái)階數(shù)較少，實(shí)際施工時(shí)極有可能導(dǎo)致對(duì)隧道頂部的開(kāi)挖擾動(dòng)，因此，有必要繼續(xù)增加臺(tái)階數(shù)，改用三臺(tái)階工法。CD法由于設(shè)置了臨時(shí)支護(hù)，對(duì)圍巖變形能起到一定的抑制作用，但由于CD法左、右側(cè)并非同時(shí)開(kāi)挖，導(dǎo)致沖溝體內(nèi)部應(yīng)力向其中一側(cè)釋放，導(dǎo)致該側(cè)受力偏大，另一側(cè)受力偏小，因此CD法施工依然會(huì)存在危險(xiǎn)。因此，沖溝隧道施工時(shí)因開(kāi)挖隧道上方頂部土體來(lái)釋放該部分土壓力，并且上方臺(tái)階土體開(kāi)挖高度不宜過(guò)大，可采用微臺(tái)階開(kāi)挖?？傊?，三臺(tái)階工法對(duì)沖溝隧道在理論上依然具有較強(qiáng)適用性。

4 沖溝隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)研究

4.1 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)施作情況

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，加快了初期支護(hù)的施作，使結(jié)構(gòu)盡早閉合成環(huán)，出于施工進(jìn)度等需要，減小了仰拱步距及二次襯砌步距，在初期支護(hù)施作后盡快施作二次襯砌及仰拱，從現(xiàn)場(chǎng)反饋情況來(lái)看，隧道未出現(xiàn)開(kāi)裂及變形快速增大等情況，反映了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)施作時(shí)機(jī)較為合適。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)理論分析

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，常要求在掌子面開(kāi)挖后盡快施作初期支護(hù)，新奧法提出在開(kāi)挖面施作薄層柔性支護(hù)，以控制圍巖變形及應(yīng)力釋放，并要求支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同變形，充分發(fā)揮圍巖強(qiáng)度及其自身承載力。隧道力學(xué)觀點(diǎn)[17]認(rèn)為最佳施作時(shí)機(jī)為圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲線交點(diǎn)，此時(shí)，兩者剛度協(xié)調(diào)產(chǎn)生協(xié)同變形。

初期支護(hù)盡快施作能使結(jié)構(gòu)盡早閉合成環(huán)，使結(jié)構(gòu)整體受力，但若初期支護(hù)施作過(guò)快，圍巖應(yīng)力無(wú)法向臨空面充分釋放，圍巖內(nèi)部應(yīng)力有可能集中于初期支護(hù)上，使初期支護(hù)聚集應(yīng)力，因此，初期支護(hù)施作時(shí)應(yīng)充分考慮兩者。二次襯砌施作相當(dāng)于在初期支護(hù)內(nèi)部再提供1層支護(hù)力，使結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)一步加強(qiáng)，但目前我國(guó)普遍將二次襯砌作為安全儲(chǔ)備而不將其作為受荷主體。初期支護(hù)二次襯砌協(xié)同變形，協(xié)同受力，二次襯砌施作時(shí)機(jī)的不同會(huì)影響兩者相對(duì)剛度，從而導(dǎo)致荷載在兩者之間的分配作用不同，因此，二次襯砌施作不宜過(guò)快或過(guò)慢。在隧道施工過(guò)程中，極有可能造成底部隆起，而仰拱施工可控制底部隆起，起到反壓作用，因此，盡快施作仰拱有較好效果。

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)數(shù)值模擬分析

為更好地說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)，驗(yàn)證新奧法[18-19]、隧道力學(xué)中圍巖支護(hù)曲線等理論，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，主要涉及初期支護(hù)、二次襯砌及仰拱施作時(shí)機(jī)。

4.3.1初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)

設(shè)立2種初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)，即分別為在開(kāi)挖掌子面后2，1m。在開(kāi)挖掌子面后1m可理解為在原有基礎(chǔ)上加快初期支護(hù)施作。2種不同初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)如圖10所示。2種初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)下圍巖洞周變形及結(jié)構(gòu)受力如表3所示。

圖10 2種初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)示意

表3 2種初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)下圍巖洞周變形及結(jié)構(gòu)受力

由表3可知，加快初期支護(hù)施作方案對(duì)洞周變形的控制效果較顯著，僅將初期支護(hù)施作的時(shí)機(jī)提前1m，最大豎直沉降為4.66mm，減小6.43%，最大隆起為7.93cm，減小1.86%，左、右拱腰收斂也有一定減小，對(duì)拱頂沉降的改善效果最為顯著。

當(dāng)初期支護(hù)在開(kāi)挖面后2m后施作時(shí)，最大彎矩為45.76kN·m；而當(dāng)初期支護(hù)在開(kāi)挖面后1m施作時(shí)，最大彎矩為55.02kN·m，并且圍巖拉、壓應(yīng)力也增大，這是由于初期支護(hù)的施作時(shí)機(jī)提前，圍巖應(yīng)力釋放較少，因此，圍巖應(yīng)力增大，此時(shí)圍巖變形較小，但初期支護(hù)需承受更大荷載。

因此，提前施作初期支護(hù)雖然可減小變形，但初期支護(hù)需承受更大荷載。上述現(xiàn)象驗(yàn)證了新奧法及圍巖支護(hù)特征曲線的相關(guān)原理，并且一味地加快初期支護(hù)施作不可取，在實(shí)際工程中，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)決定，要既能保證圍巖穩(wěn)定性，不產(chǎn)生過(guò)大位移，又要防止初期支護(hù)承受過(guò)大荷載。

4.3.2二次襯砌施作時(shí)機(jī)

為探究二次襯砌施作時(shí)機(jī)的影響，原方案二次襯砌是在仰拱后20m施作，現(xiàn)改為在仰拱后10m施作，探究2種二次襯砌施作時(shí)機(jī)下對(duì)圍巖洞周變形及結(jié)構(gòu)受力(見(jiàn)表4)。由表4可知，提前施作二次襯砌對(duì)洞周變形的控制并不明顯，對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響也較小，但對(duì)初期支護(hù)受力及二次襯砌受力有較大影響。二次襯砌提早施作可顯著減小初期支護(hù)受力，最大彎矩由45.76kN·m 減小為40.35kN·m， 二次襯砌受力也有一定升高，可理解為盡早施作二次襯砌能使應(yīng)力分配向二次襯砌傾斜。整體上來(lái)說(shuō)，加快二次襯砌施作有利，可減小初期支護(hù)受力。因此，對(duì)于實(shí)際工程，在開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)圍巖變形過(guò)快或過(guò)大時(shí)需提前施作初期支護(hù)時(shí)，二次襯砌也應(yīng)提前施作，以免初期襯砌承受過(guò)大荷載，但這樣也會(huì)增加二次襯砌內(nèi)力，因此，也應(yīng)同時(shí)對(duì)二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)處理。

表4 2種二次襯砌施作時(shí)機(jī)下洞周變形及結(jié)構(gòu)受力

4.3.3仰拱施作時(shí)機(jī)

仰拱能將隧道上部地層壓力通過(guò)隧道邊墻結(jié)構(gòu)或?qū)⒙访婧奢d有效傳遞至地下，而且還有效抵抗隧道下部地層傳來(lái)的反力。為揭示仰拱反壓回填作用，對(duì)2種仰拱施作時(shí)機(jī)下拱底隆起進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。從圖11可知，盡快施作仰拱可較為明顯地減小拱底隆起，并且拱底隆起也較快，加快仰拱施作對(duì)抑制拱底隆起意義很大。

圖11 2種仰拱施作時(shí)機(jī)下拱底隆起對(duì)比

因此，若在實(shí)際工程中，發(fā)現(xiàn)拱底隆起過(guò)大，可考慮在情況允許時(shí)，加快仰拱施作進(jìn)度。

5 結(jié)語(yǔ)

依托九綿高速甘溝隧道，針對(duì)其穿越泥石流沖溝的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階并加快支護(hù)施作時(shí)機(jī)的方案效果較好，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)沖溝隧道的適宜工法及初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱施作時(shí)機(jī)進(jìn)行比選驗(yàn)證。結(jié)論如下。

1)現(xiàn)場(chǎng)沖溝附近周邊收斂波動(dòng)較大，在25d左右收斂下降至穩(wěn)定，沖溝前收斂數(shù)值較大。整體來(lái)說(shuō)，周邊收斂與地表沉降較小、穩(wěn)定較快，驗(yàn)證了三臺(tái)階工法的適用性。

2)開(kāi)挖隧道上半側(cè)及施作仰拱二次襯砌時(shí)，拱頂?shù)乇沓两翟龃螅_(kāi)挖下半側(cè)時(shí)，拱頂?shù)乇沓两禍p小，CD法拱頂?shù)乇沓两当憩F(xiàn)為兩段式增加。開(kāi)挖臺(tái)階位置會(huì)引起周邊收斂數(shù)值增大。

3)二臺(tái)階留核心土工法在拱頂?shù)乇沓两怠鷰r受力與豎向變形、塑性區(qū)、錨桿與小導(dǎo)管受力等方面不利；CD法能控制拱頂?shù)乇沓两?、拱底隆起、圍巖受力、塑性區(qū)及錨桿變形，但成本較高且增大周邊收斂、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。三臺(tái)階工法在周邊收斂、塑性區(qū)、錨桿小導(dǎo)管受力變形、初期支護(hù)及二次襯砌拉應(yīng)力等方面較優(yōu)，證明了三臺(tái)階工法的適用性。

4)加快初期支護(hù)施作會(huì)減小隧道特別是拱頂位置變形，但會(huì)增大圍巖初期支護(hù)應(yīng)力，因而一味地加快初期支護(hù)施作并不可取；加快二次襯砌施作會(huì)減小初期支護(hù)受力，略微增大二次襯砌受力，整體來(lái)說(shuō)較為有利；加快仰拱施作可減小拱底隆起及穩(wěn)定速率，起到反壓作用。上述現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)施作情況及新奧法和圍巖支護(hù)特征曲線理論較為吻合。