李清華

（吉安市路橋工程局,江西 吉安 343000）

0 引言

隧道形式的選擇既受到地質(zhì)條件、地形地貌的制約，又受到橫、縱、平指標(biāo)的約束，對(duì)于山嶺險(xiǎn)峻、脊谷相間的地區(qū)，為滿足雙洞凈距要求，必須拉開隧道間距，可能影響隧道和相鄰路段面線形順暢，橋隧連接段無(wú)法有效兼顧橋梁布置要求，洞口挖方大，嚴(yán)重破壞周圍生態(tài)等。連拱隧道形式能有效避免地形限制所引起的選線問題，具有顯著的地形適應(yīng)性，但是連拱隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工工序繁瑣，施工過程中受力不均等問題突出，在施工期間必須加強(qiáng)圍巖變形及結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)，保證施工安全及工程質(zhì)量。伴隨著高速公路和鐵路的建設(shè)、煤礦開采，人為開采的洞室日益增多，采空區(qū)的存在給連拱隧道圍巖穩(wěn)定及運(yùn)營(yíng)安全帶來極大隱患，采空區(qū)連拱隧道施工始終是隧道建設(shè)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在，但是當(dāng)前有關(guān)軟巖采空區(qū)連拱隧道施工方面的研究并不多，在進(jìn)行采空區(qū)連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常將其簡(jiǎn)化為荷載結(jié)構(gòu)，甚至作為平面問題處理，很難體現(xiàn)出支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。為此，該文以具體的隧道工程為例，針對(duì)采空區(qū)連拱軟巖隧道的施工過程，展開施工圍巖穩(wěn)定性及加固問題探討。

1 工程概況

江西省萍鄉(xiāng)市中環(huán)路安源隧道地處國(guó)家級(jí)森林公園（地表古樟樹群）和年代久遠(yuǎn)的煤礦采空區(qū)及巷道位置，平面及縱斷面存在多處交叉，隧道整體位于邊坡偏壓淺埋區(qū)段，埋深11～36 m，隧道跨度達(dá)33 m，為三車道連拱設(shè)計(jì)，屬所在省首例連拱隧道工程。結(jié)合地勘報(bào)告，安源隧道將穿越強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化細(xì)砂粒夾泥軟巖，隧址內(nèi)含富水裂隙帶，巖體十分破碎，發(fā)生涌水突泥的可能性非常大。洞口段地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，覆蓋層薄弱，因圍巖失穩(wěn)而存在一定的邊坡滑坡和隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)。地勘資料顯示，煤礦采空區(qū)主要位于隧道進(jìn)出口段，掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度大多在50～200 m之間，寬1.5～3.0 m，高2.0～5.0 m，分布較為密集；煤層貫通性開采所形成的采空區(qū)面積大，錯(cuò)綜重疊；隧道進(jìn)口處上覆采空區(qū)和隧道的距離不足30 m，側(cè)壁采空區(qū)位于隧道開挖影響范圍內(nèi)。

根據(jù)高速地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果及地勘報(bào)告，將該隧道進(jìn)出口段采空區(qū)空洞情況匯總至表1。

表1 采空區(qū)空洞情況匯總

2 數(shù)值模擬

針對(duì)該煤礦采空區(qū)連拱隧道圍巖穩(wěn)定問題，通過FLAC3D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析采空區(qū)的存在對(duì)隧道圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的可能影響[1]，為隧道安全施工及質(zhì)量控制提供保證。為保證分析過程的代表性和結(jié)果的適用性，在左側(cè)導(dǎo)洞拱腰處（樁號(hào)ZK5+388）擬定長(zhǎng)10.0 m、寬6.0 m、高4.0 m的空洞展開模擬。

2.1 模型構(gòu)建及參數(shù)確定

對(duì)該隧道進(jìn)口端Ⅵ級(jí)圍巖構(gòu)建三維地質(zhì)有限元模型，模型上下邊界分別至地表和隧道外緣周邊40 m深，左右邊界分別至隧道外緣周邊50 m；模型采用位移邊界條件，頂部無(wú)約束，底部增加固定支座對(duì)X、Y、Z向自由度施加約束，左右邊界均施加水平約束，對(duì)與隧道走向垂直的前后面則施加Y向約束。模型中錨桿、鋼拱架噴射混凝土和二襯結(jié)構(gòu)分別采用Cable單元和Zone單元[2]。

為保證模擬結(jié)果接近工程實(shí)際，運(yùn)用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則中的參數(shù)進(jìn)行內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、洞室?guī)r體強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的換算，并應(yīng)用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬[3]，所得到的安源隧道巖體單軸抗壓強(qiáng)度為2.58 MPa，巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI為24，黏聚力為0.105 MPa，內(nèi)摩擦角為20.12°，變形模數(shù)取1 162.19 MPa，泊松比0.4，圍巖重度均值取25 kN/m3；包括二襯、錨桿和鋼拱架噴錨等在內(nèi)的支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)具體見表2。

表2 支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

2.2 位移分析

根據(jù)隧道水平向位移等值云圖，當(dāng)空洞位于隧道外側(cè)時(shí)，圍巖整體上呈非對(duì)稱形式，且臨近空洞側(cè)隧道水平向位移明顯偏大。分析過程中所擬定的空洞位于左側(cè)導(dǎo)洞拱腰處，隧道總體上也表現(xiàn)為向左運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，圍巖水平向位移最大達(dá)到67.3 mm，故必須以空洞側(cè)隧道圍巖加固為施工重點(diǎn)。根據(jù)隧道豎直向位移等值云圖（圖1），臨近左側(cè)導(dǎo)洞的拱頂最大沉降為59.7 mm，比右側(cè)導(dǎo)洞拱頂沉降43 mm大。也就是說，空洞對(duì)左側(cè)導(dǎo)洞豎向位移的影響比右側(cè)導(dǎo)洞大，應(yīng)以左側(cè)導(dǎo)洞為加固施工重點(diǎn)。

圖1 隧道豎直向位移等值云圖

2.3 應(yīng)力分析

根據(jù)圍巖主應(yīng)力最大值等值云圖，在空洞的影響下，隧道主應(yīng)力最大值以對(duì)稱形態(tài)分布，且空洞和隧道圍巖間主應(yīng)力最大值大多為拉應(yīng)力，意味著隧道進(jìn)口端圍巖基本處于松動(dòng)狀態(tài)；臨近空洞左側(cè)導(dǎo)洞的圍巖主應(yīng)力變化最為明顯[4]，這也表明隧道外側(cè)空洞對(duì)其左側(cè)導(dǎo)洞主應(yīng)力影響較大。結(jié)合隧道主應(yīng)力最小值計(jì)算結(jié)果及實(shí)際分布，隧道進(jìn)口端圍巖主應(yīng)力最小值受空洞的影響并不大。

3 隧道圍巖加固

3.1 加固措施

為有效解決空洞對(duì)連拱隧道的不利影響，必須針對(duì)空洞具體位置進(jìn)行加固措施分析探討。

（1）采空區(qū)位于洞身上方。在連拱隧道拱部實(shí)施超前小導(dǎo)管預(yù)注漿及超前小管棚等預(yù)支護(hù)措施，以加固松散巖體。如果隧道穿過傾斜、薄～中厚煤層且采空區(qū)位于隧道斷面頂部，此時(shí)必須在設(shè)置超前小導(dǎo)管和管棚的同時(shí)在管內(nèi)注漿，同時(shí)在拱頂采空區(qū)增設(shè)混凝土護(hù)拱。對(duì)于ZK5+102、ZK5+240處空洞必須先噴射5 cm厚的C20混凝土，避免空洞發(fā)生坍塌；再按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行初期支護(hù)施工，待初支完成后再噴0.5 m厚的C20混凝土，其余空腔全部通過C20泵送混凝土密實(shí)填充。對(duì)于ZK5+384、ZK5+390處導(dǎo)洞應(yīng)先在其下方施作初期支護(hù)，再在其初支結(jié)構(gòu)上方噴射0.5 m厚的C20混凝土以形成支撐結(jié)構(gòu)，剩余空腔內(nèi)全部填充C20泵送混凝土。

（2）采空區(qū)橫跨隧道斷面。這種情況下，應(yīng)全部挖除采空區(qū)內(nèi)填充的棄土，并通過漿砌片石或素混凝土填充橫斷面外一定范圍內(nèi)的空洞。具體而言，左側(cè)邊墻空洞在初期支護(hù)后還應(yīng)在3.0 m以內(nèi)回填C15漿砌片石，3.0 m以外則回填干砌片石，以提升隧道開挖施工過程中塑性區(qū)范圍內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)性，避免出現(xiàn)較大變形。采用C20混凝土充填ZK5+420.21處和ZK5+420.78處采空區(qū)，并在ZK5+420.26處左洞側(cè)導(dǎo)洞頂部空洞區(qū)內(nèi)增設(shè)3排4.5 m長(zhǎng)的Ф45 mm×3.5 mm注漿小導(dǎo)管，每排設(shè)置15根。

（3）采空區(qū)位于隧道底板。此類空洞應(yīng)換填塊石、片石后注水泥砂漿固結(jié)，并仰拱封閉成環(huán)。若隧道斷面內(nèi)采空區(qū)并為出露，并位于隧道底板下方距離隧道底部較近時(shí)，應(yīng)在洞內(nèi)注漿，相反，若采空區(qū)埋深淺，則應(yīng)在地表預(yù)注漿，避免引發(fā)隧道底部下沉。在ZK5+215～ZK5+287段初支下方再增設(shè)一層包括錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，其中錨桿為3.0 m長(zhǎng)的Ф22 mm藥卷錨桿，按照60 cm×120 cm的縱環(huán)布設(shè)；Ф8鋼筋網(wǎng)尺寸為25 cm×25 cm；Ⅰ18鋼拱架按60 cm的縱向間距設(shè)置；噴射20 cm厚的C20混凝土。每處溶洞按照1.5 m間距和2.0 m間距沿橫向和縱向依次布置4排小導(dǎo)管，小導(dǎo)管穿入溶洞的長(zhǎng)度至少為1.0 m，并保證注漿飽滿。在中墻頂部左右側(cè)預(yù)埋厚度14 mm、寬30 cm、長(zhǎng)265 m的通長(zhǎng)鋼板，并按照0.3 m間隔在鋼板下部預(yù)埋2根1.1 m長(zhǎng)的Ф16 mm錨固鋼筋。

（4）整體襯砌。安源連拱隧道斷面半徑5.5 m，采用復(fù)合襯砌形式，初期支護(hù)為27 cm厚的C20噴射混凝土，3.5 m長(zhǎng)的D25中空注漿錨桿，在圍巖壁掛設(shè)網(wǎng)格間距20 cm×20 cm的φ8 mm鋼筋網(wǎng)，鋼支撐采用20b工字鋼，并按照50 cm間距設(shè)置；在左側(cè)導(dǎo)洞初支下方增設(shè)一層由錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土所組成的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)；中墻通過15 m長(zhǎng)的Ф50 mm×4 mm注漿小導(dǎo)管加固處理，橫縱向分別按1.5 m間距和2.0 m間距設(shè)置4排。二襯則采用設(shè)計(jì)厚度50 cm的C25模注鋼筋混凝土，在初支和二襯間增設(shè)無(wú)紡?fù)凉げ挤浪畬雍秃穸?.2 mm的EVA防水板。

3.2 施工效果監(jiān)測(cè)

安源隧道加固施工于2020年5月準(zhǔn)備，并于次月1日正式開始，當(dāng)年9月底結(jié)束。在連拱隧道位置設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，并根據(jù)隧道建設(shè)規(guī)模、圍巖穩(wěn)定性及開挖施工方法，在地表沿連拱隧道跨度向設(shè)置1個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按照1次/d的頻率進(jìn)行地表沉降量及沉降速率監(jiān)測(cè)；同時(shí)在連拱隧道左右拱洞圍巖周邊設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按照1次/d的頻率進(jìn)行拱洞收斂變形量及變形速率監(jiān)測(cè)。此外，按照2次/d的頻次監(jiān)測(cè)該連拱隧道斷面錨桿支護(hù)及錨桿受力情況。

根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，該連拱隧道中墻對(duì)應(yīng)地面測(cè)點(diǎn)的沉降變形最大，為39.9 mm，最終沉降變形趨于穩(wěn)定值，沉降速率達(dá)到0.20 mm/d，在監(jiān)測(cè)開始后的第2 d和第6 d沉降變形最大速率分別達(dá)到6.1 mm/d和5.8 mm/d。左右拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量最小，最大沉降僅為10.7 mm，其沉降速度在第1 d時(shí)達(dá)到最大（1.64 mm/d）。其余測(cè)點(diǎn)最大沉降值分別為18.5 mm、35.1 mm、29.8 mm，對(duì)應(yīng)的沉降變形速率最大值依次為2.28 mm/d、4.16 mm/d、2.62 mm/d，且在持續(xù)監(jiān)測(cè)至第46 d時(shí)全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形均趨于收斂，并全部滿足連拱隧道安全施工要求。

根據(jù)拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，在持續(xù)8 d的監(jiān)測(cè)期間，左右拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形的發(fā)展速度非?？?，左拱頂沉降速率在第1 d開挖卸荷時(shí)便達(dá)到6.7 mm/d的峰值，與之相應(yīng)，右拱頂沉降速率同時(shí)達(dá)到4.63 mm/d。此后在第46 d連拱隧道左右拱頂沉降也均趨于收斂。監(jiān)測(cè)期間左右拱頂最大沉降量分別為35.8 mm和30.4 mm，相應(yīng)的沉降速率為0.18 mm/d和0.076 mm/d，均符合《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3660—2020）分步開挖要求。

在加固施工期間及施工結(jié)束后，根據(jù)斷面圍巖壓力及鋼拱架應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可以看出，隨著隧道圍巖加固施工過程的推進(jìn)，斷面左拱腳和拱腰處圍巖壓力基本穩(wěn)定，但右拱腰和拱頂圍巖壓力存在明顯變化，甚至在個(gè)別時(shí)段變化急劇，并于9月底以后逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

安源隧道煤礦采空區(qū)的存在對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性存在較大影響，通過采取相應(yīng)的加固措施，使該隧道圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象得到有效遏制；對(duì)于此類位于采空區(qū)的連拱隧道而言，左側(cè)導(dǎo)洞拱腳和右側(cè)導(dǎo)洞拱頂圍巖受力最為不利，且圍巖變形主要集中在左右拱頂及中墻上部區(qū)域，開挖期間沉降大，貫通期長(zhǎng)；中墻是連拱隧道的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)，承受的外部荷載較大。在加固處理后該隧道具體區(qū)域圍巖受力不利及變形較大的問題得到較好解決，中墻結(jié)構(gòu)承受的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。