泥石流沖溝隧道洞口適宜工法及支護施作時機研究*

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)西部大開發(fā)戰(zhàn)略，我國西部修建了大量山區(qū)公路隧道[1]。山區(qū)隧道修建過程中，洞口段常面臨各種不良地質(zhì)問題，泥石流沖溝[2-4]就是一種典型的不良地質(zhì)，給隧道施工、安全及運營帶來巨大挑戰(zhàn)，并且泥石流沖溝隧道工法及支護施作時機往往較大程度地影響圍巖支護結(jié)構(gòu)受力變形，因此，有必要針對泥石流沖溝隧道，對其工法及支護時機展開研究。在隧道工法及支護時機、步距研究上，侯福金等[5]、張俊儒等[6]對小凈距及大跨斷面工法進行相關(guān)研究；張新金等[7]對盾構(gòu)法與淺埋暗挖結(jié)合車站中二次襯砌施作時機展開研究，王睿等[8]從概率統(tǒng)計角度對公路隧道二次襯砌施作時機展開研究；史繼堯等[9]對軟巖大斷面隧道仰拱步距對支護的影響展開研究。在泥石流沖溝隧道機理及超前加固上，趙文財?shù)萚10]基于數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測探究了穿越?jīng)_溝隧道管棚加固的作用；閆東霄等[11]采用有限元方法對部分處置措施(加強支護、換填處理等)進行了探究；李天斌等[12]采用超前注漿及加長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]對泥石流沖溝隧道的設(shè)計及防治展開探討。

因此，目前學(xué)者對泥石流沖溝隧道機理、超前加固、隧道工法及支護施作時機均有一定研究，泥石流沖溝隧道地質(zhì)環(huán)境特殊，其工法及支護施作時機有別于其他不良地質(zhì)(如軟巖等)，而目前針對泥石流沖溝隧道工法及支護時機的研究極少，僅朱正國等[14]對泥石流堆積體隧道工法進行相關(guān)研究。鑒于此，本文依托九綿高速甘溝隧道，針對其穿越泥石流沖溝的特點，現(xiàn)場采用三臺階工法并加快支護施作時機，效果較好，通過數(shù)值模擬對現(xiàn)場工法及支護施作時機情況進行比選驗證。

1 工程概述

九綿高速甘溝隧道左、右線分離，目前無滑坡情況，主要不良地質(zhì)為泥石流，該泥石流位于長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)的風險。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軟件中并補畫巖體及沖溝的線條，通過拉伸沖溝巖體及隧道生成三維實體并通過布爾運算生成最終模型，通過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)計算。

模型符合莫爾-庫侖準則，長84m、寬50m、高58m。在四周及底部設(shè)置法向約束，初期支護為噴錨結(jié)構(gòu)，噴射混凝土厚0.2m、強度等級為C20，選用長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)及二次襯砌采用實體(見表1)，錨桿、小導(dǎo)管采用cable單元，初期支護采用shell單元。隧道開挖進尺為2m，初期支護在掌子面開挖2m后施作，仰拱初期支護后10m進行仰拱回填，回填土后20m施作二次襯砌。工法主要有二臺階留核心土、三臺階及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[16]中關(guān)于工法步距的研究，確定工法步距取值。二臺階留核心土工法中各掌子面步距為5，5，2，2m，三臺階工法中各臺階步距為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證

3.1 現(xiàn)場工法及變形情況

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)場設(shè)立試驗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)測結(jié)果顯示試驗段效果良好。目前甘溝隧道現(xiàn)場采用三臺階工法，在三臺階工法下，甘溝隧道變形較穩(wěn)定，未發(fā)生初期支護開裂剝落、二次襯砌掉塊等現(xiàn)象，反映了三臺階工法對泥石流沖溝隧道有較好的適應(yīng)性?，F(xiàn)場監(jiān)測及數(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、向上變形為正，水平方向拱腰變形向右為正。

甘溝隧道右線進出口樁號為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張。K20+174位置周邊收斂波動最大，最大收斂可達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。整體上來說，周邊收斂穩(wěn)定較快，說明三臺階工法能較好穩(wěn)定周邊收斂。

圖5 沖溝附近周邊收斂曲線

隧道進洞位置2個監(jiān)測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2.91mm，整體上來說，地表沉降較小。說明帷幕注漿及三臺階工法應(yīng)用效果良好。

圖6 洞口位置地表沉降

3.2 現(xiàn)場工法數(shù)值模擬驗證

不同工法下圍巖支護結(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比

表2 不同工法圍巖支護受力、變形對比

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)值上來說，無論是拱頂沉降還是地表沉降，CD法最小，二臺階留核心土工法最大。在開挖隧道上半側(cè)時，拱頂?shù)乇沓两悼焖僭龃?，開挖下半側(cè)時，拱頂?shù)乇沓两捣磸棞p小，進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)開挖，使其拱頂?shù)乇沓两登€迎來兩段式增加。對于右拱腰收斂，三臺階工法最小，CD法最大，這主要是CD法左、右側(cè)開挖對收斂變形擾動較大引起的。

圖8 不同工法下右拱腰收斂對比

圖9 不同工法下地表沉降對比

2)二臺階留核心土工法在拱頂?shù)乇沓两怠鷰r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)_溝隧道對變形控制要求較高，因此，二臺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?、拱底隆起、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度，并且受工法影響，拱腰收斂數(shù)值較大，且初期支護拉壓應(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裂的風險，在增加成本的同時使結(jié)構(gòu)受力處于劣勢，因此采用CD法不經(jīng)濟。

4)三臺階工法在拱腰收斂、塑性區(qū)分布、初期支護受力、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，而且施工進度快、經(jīng)濟性好，是適用于泥石流沖溝的較為適宜的工法。

綜上，通過數(shù)值模擬驗證了現(xiàn)場采用三臺階工法較為經(jīng)濟且受力變形較好，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)場采用了帷幕注漿+單層小導(dǎo)管的施工方案，但在實際施工過程中極有可能導(dǎo)致隧道拱頂塌腔，因此，需嚴格控制拱頂變形。二臺階留核心土工法相比二臺階工法能更好地控制拱頂變形，但由于臺階數(shù)較少，實際施工時極有可能導(dǎo)致對隧道頂部的開挖擾動，因此，有必要繼續(xù)增加臺階數(shù)，改用三臺階工法。CD法由于設(shè)置了臨時支護，對圍巖變形能起到一定的抑制作用，但由于CD法左、右側(cè)并非同時開挖，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法施工依然會存在危險。因此，沖溝隧道施工時因開挖隧道上方頂部土體來釋放該部分土壓力，并且上方臺階土體開挖高度不宜過大，可采用微臺階開挖?？傊_階工法對沖溝隧道在理論上依然具有較強適用性。

4 沖溝隧道支護結(jié)構(gòu)施作時機研究

4.1 現(xiàn)場支護結(jié)構(gòu)施作情況

現(xiàn)場施工時，加快了初期支護的施作，使結(jié)構(gòu)盡早閉合成環(huán)，出于施工進度等需要，減小了仰拱步距及二次襯砌步距，在初期支護施作后盡快施作二次襯砌及仰拱，從現(xiàn)場反饋情況來看，隧道未出現(xiàn)開裂及變形快速增大等情況，反映了現(xiàn)場支護施作時機較為合適。

4.2 支護結(jié)構(gòu)施作時機理論分析

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

初期支護盡快施作能使結(jié)構(gòu)盡早閉合成環(huán)，使結(jié)構(gòu)整體受力，但若初期支護施作過快，圍巖應(yīng)力無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上，使初期支護聚集應(yīng)力，因此，初期支護施作時應(yīng)充分考慮兩者。二次襯砌施作相當于在初期支護內(nèi)部再提供1層支護力，使結(jié)構(gòu)承載力進一步加強，但目前我國普遍將二次襯砌作為安全儲備而不將其作為受荷主體。初期支護二次襯砌協(xié)同變形，協(xié)同受力，二次襯砌施作時機的不同會影響兩者相對剛度，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快或過慢。在隧道施工過程中，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 支護結(jié)構(gòu)施作時機數(shù)值模擬分析

為更好地說明支護結(jié)構(gòu)施作時機，驗證新奧法[18-19]、隧道力學(xué)中圍巖支護曲線等理論，通過數(shù)值模擬對支護結(jié)構(gòu)施作時機進行模擬驗證，主要涉及初期支護、二次襯砌及仰拱施作時機。

4.3.1初期支護施作時機

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

圖10 2種初期支護施作時機示意

表3 2種初期支護施作時機下圍巖洞周變形及結(jié)構(gòu)受力

由表3可知，加快初期支護施作方案對洞周變形的控制效果較顯著，僅將初期支護施作的時機提前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，對拱頂沉降的改善效果最為顯著。

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

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

4.3.2二次襯砌施作時機

為探究二次襯砌施作時機的影響，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種二次襯砌施作時機下對圍巖洞周變形及結(jié)構(gòu)受力(見表4)。由表4可知，提前施作二次襯砌對洞周變形的控制并不明顯，對圍巖應(yīng)力場的影響也較小，但對初期支護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。整體上來說，加快二次襯砌施作有利，可減小初期支護受力。因此，對于實際工程，在開挖過程中，當圍巖變形過快或過大時需提前施作初期支護時，二次襯砌也應(yīng)提前施作，以免初期襯砌承受過大荷載，但這樣也會增加二次襯砌內(nèi)力，因此，也應(yīng)同時對二次襯砌進行加強處理。

表4 2種二次襯砌施作時機下洞周變形及結(jié)構(gòu)受力

4.3.3仰拱施作時機

仰拱能將隧道上部地層壓力通過隧道邊墻結(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的反力。為揭示仰拱反壓回填作用，對2種仰拱施作時機下拱底隆起進行對比，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，加快仰拱施作對抑制拱底隆起意義很大。

圖11 2種仰拱施作時機下拱底隆起對比

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

5 結(jié)語

依托九綿高速甘溝隧道，針對其穿越泥石流沖溝的特點，現(xiàn)場采用三臺階并加快支護施作時機的方案效果較好，通過數(shù)值模擬對沖溝隧道的適宜工法及初期支護、二次襯砌、仰拱施作時機進行比選驗證。結(jié)論如下。

1)現(xiàn)場沖溝附近周邊收斂波動較大，在25d左右收斂下降至穩(wěn)定，沖溝前收斂數(shù)值較大。整體來說，周邊收斂與地表沉降較小、穩(wěn)定較快，驗證了三臺階工法的適用性。

2)開挖隧道上半側(cè)及施作仰拱二次襯砌時，拱頂?shù)乇沓两翟龃?，開挖下半側(cè)時，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。開挖臺階位置會引起周邊收斂數(shù)值增大。

3)二臺階留核心土工法在拱頂?shù)乇沓两?、圍巖受力與豎向變形、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、支護結(jié)構(gòu)受力。三臺階工法在周邊收斂、塑性區(qū)、錨桿小導(dǎo)管受力變形、初期支護及二次襯砌拉應(yīng)力等方面較優(yōu)，證明了三臺階工法的適用性。

4)加快初期支護施作會減小隧道特別是拱頂位置變形，但會增大圍巖初期支護應(yīng)力，因而一味地加快初期支護施作并不可??；加快二次襯砌施作會減小初期支護受力，略微增大二次襯砌受力，整體來說較為有利；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)場支護施作情況及新奧法和圍巖支護特征曲線理論較為吻合。