淺埋卵石土層隧道超前支護措施研究

鄧祥輝, 劉錦濤, 王 睿

(1. 西安工業(yè)大學 建筑工程學院，陜西 西安 710021；2. 西安市軍民兩用土木工程測試技術(shù)與毀損分析重點實驗室，陜西 西安 710021)

0 引言

我國幅員遼闊，隧道在修建中將穿越多種多樣的地質(zhì)條件，其中，淺埋卵石土層就屬于較為特殊的地層。隧道穿越淺埋卵石土層時，容易出現(xiàn)隧道掌子面失穩(wěn)、拱頂局部失穩(wěn)、甚至坍塌等工程問題[1-2]。因此，在開挖前需要采取合理的超前支護并加固地層，開挖施工中需要嚴格按照規(guī)范施工，才能有效保證施工安全。鑒于此，對于淺埋卵石土層隧道，超前支護措施的選取將直接影響該類隧道的施工質(zhì)量和安全。

淺埋隧道在施工中常用的超前加固措施包括超前小導管、地表注漿、超前錨桿等方法[3-4]。從目前的研究情況來看，眾多學者對各種超前支護措施、施工方法、支護效果等方面進行了研究[5-7]。如黃旭[8]采用現(xiàn)場監(jiān)控量測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法驗證了超前小導管注漿在淺埋軟弱圍巖隧道中的可行性。崔穎哲等[9]對富水砂卵石地層的淺埋暗挖施工進行了研究，提出隧道開挖采用臺階法，并配以超前小導管的支護方式可有效控制隧道變形。唐國榮、張建斌等[10-11]對北京城市富水砂卵石隧道的淺埋施工進行了研究，主要對CRD法+超前小導管與洞樁法+超前小導管進行了對比分析，得出洞樁法+超前小導管可以更好地控制沉降，減少對周邊環(huán)境的影響。汪洋等[12]以成都市北延線隧道為工程背景，就富水砂卵石地層隧道施工開展了研究，提出在施作超前小導管、降低水位等支護措施后，采用淺埋暗挖的方法可有效控制隧道變形。劉魁剛等[13]對砂卵石地層隧道淺埋段超前小導管支護進行了研究，提出在該類型隧道中，合理選擇小管徑的超前注漿小導管可大幅提升施工效率。魏龍海[14]采用離散元法對砂卵石隧道淺埋段施工進行了模擬，提出采取設置管棚支護、小導管預支護或錨桿預支護措施可有效控制變形；但由于地質(zhì)條件限制，施作超前管棚比較困難，建議采取小導管超前預支護措施。王余富等[15]對水下隧道穿越淺埋富水河漫灘砂卵石層的地表注漿方案進行了研究，認為地表注漿可有效降低地層的透水性，滿足滲透系數(shù)的設計要求。隨著研究的深入，一些專家發(fā)現(xiàn)：在淺埋段，卵石土層隧道的超前支護措施與地表注漿相結(jié)合，可有效改善圍巖力學參數(shù)以達到控制變形的效果。胡鑫等[16]以鄧家灣隧道為工程依托，提出了一種淺埋軟弱地層隧道施工的地表注漿方法，采用竹管注漿與鋼管注漿相結(jié)合，可保證施工安全和節(jié)約施工成本。張明[17]對馬鞍梁隧道中淺埋砂卵石段采用的地表注漿加固工藝進行了研究，提出約束-發(fā)散型的注漿模式能有效限制漿液外擴，達到導水、擠壓密實地層的效果。龍凱等[18]針對卵石土層隧道圍巖自穩(wěn)能力差、在淺埋段開挖后易發(fā)生坍塌、地表沉陷等問題，采用先地表注漿加固圍巖，然后三臺階開挖；從結(jié)果來看，能有效提高圍巖強度和減小隧道變形。

上述學者對砂卵石土層隧道淺埋暗挖施工所采用的超前支護方法做了很多研究，但一般采用單一支護措施，很少對比分析綜合措施。本研究以青海省石羊嶺隧道淺埋卵石土層段為研究對象，對該淺埋段分別以無支護措施、超前小導管、地表注漿以及超前小導管+地表注漿聯(lián)合支護的支護方法進行模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，以期能達到對該類型隧道施工的指導作用。

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、右線YK0+965至YK1+155穿越卵石土層，最淺埋深不足25 m，其圍巖等級劃分為V級，且上述里程為淺埋段。在實際施工中采用環(huán)形預留核心土開挖法，如圖1所示。

圖1 環(huán)形開挖預留核心土開挖法示意圖Fig.1 Schematic diagram of annular excavation reserved core soil excavation method

該段隧道在施工中采用了超前小導管與地表注漿兩種超前支護措施。小導管采用外徑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°左右，設置于襯砌拱部約130°范圍內(nèi)，具體布置詳見圖2。地表注漿范圍內(nèi)豎向加固范圍為地表至設計高程以下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，布孔間距為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φ50×5 mm的鋼管，注漿區(qū)段內(nèi)鋼管按15 cm間距、梅花形設置注漿孔，地表注漿示意圖見圖2。

圖2 超前小導管及地表注漿示意圖Fig.2 Schematic diagrams of advanced small pipe and surface grouting

2 模型建立及模擬結(jié)果分析

2.1 模型建立

本模型均采用Midas GTS NX有限元處理軟件進行分析。模型選取淺埋段YK0+975至YK1+035，共60 m。其中，隧道開挖拱頂上部土層為卵石土層，洞身周邊圍巖為片巖。由于隧道的開挖會對一定范圍內(nèi)的巖體造成擾動，一般為3～5倍的洞徑。因此根據(jù)實際地質(zhì)勘察結(jié)果，計算模型左右各取75 m，工程中淺埋段最大埋深為24.3 m，本模型上部淺埋卵石土層設置為24 m，下部片巖取70 m。以水平向為X向，隧道掘進方向為Y向，豎直方向為Z向，模擬隧道開挖順序，嚴格按照圖1所示進行。

(1)計算假定

模型中卵石土層與片巖均選用莫爾-庫倫模型，錨桿則采用桿單元模型。同時，由于只模擬淺埋段，地應力計算時僅考慮自重應力。此外，二次襯砌一般作為安全儲備，在隧道結(jié)構(gòu)分析時受力較小甚至不受力，因此在模擬時也不做考慮。

(2)模型選擇

模型以等效小導管加固區(qū)來表示小導管與噴射混凝土的共同作用，以等效噴混來替代初支中鋼架、噴射混凝土等的共同作用。為保證模擬結(jié)果具有對比性，4種模擬都采用相同的工程參數(shù)，如表1所示，相關(guān)模擬參數(shù)根據(jù)隧道施工設計圖與現(xiàn)場試驗測試選取。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)Tab.1 Numerical simulation parameters

2.2 模擬結(jié)果分析對比分析

2.2.1 Z向位移對比分析

隧道在施工過程中，主要通過控制圍巖的變形來保證施工安全。本研究將對該淺埋卵石土層段隧道分別以無超前支護、超前小導管、地表注漿模擬以及超前小導管+地表注漿聯(lián)合支護這4種方式進行模擬。對上述4種模型進行模擬分析，得到隧道開挖后的Z向位移，如圖3所示。

圖3 四種支護方式模擬的Z向位移(單位:mm)Fig.3 Displacement in Z-direction simulated by 4 support modes(unit:mm)

由圖3可見，無任何超前支護措施的隧道Z向位移為105.4 mm，采用地表注漿的Z向位移為56.9 mm，采用超前小導管支護的Z向位移為81.2 mm，采用聯(lián)合支護的Z向位移為52.4 mm。從Z向位移結(jié)果可見，采用4種方式的排序為：聯(lián)合支護最好，地表注漿次之，超前小導管第3，無超前支護措施最差。同時，單獨采用地表注漿、超前小導管支護時，與無超前支護措施相比，Z向位移分別減小了46.1%和23.1%，因此單一支護方式中，采用地表注漿比采用超前小導管更為有效。

2.2.2 X向位移對比分析

通常，支護措施的效果通過隧道圍巖的豎向和水平向位移值來評價。對上述無超前支護措施、超前小導管、地表注漿以及超前小導管+地表注漿聯(lián)合支護這4種情況進行數(shù)值模擬，得到X向位移，如圖4所示。

圖4 四種支護方式模擬的X向位移(單位:mm)Fig.4 Displacement in X-direction simulated by 4 support modes(unit:mm)

從以上模擬結(jié)果可見，淺埋卵石土層隧道開挖過程中，在無超前支護措施情況下圍巖X向位移值為58.6 mm，采用地表注漿措施的位移值為40.7 mm，采用超前小導管支護措施的位移值為47.6 mm，采用聯(lián)合支護措施的位移值為36.8 mm。與無超前支護的變形值相比，地表注漿降低了30.5%，超前小導管降低了18.8%，聯(lián)合支護降低了32.1%，說明聯(lián)合支護方式在控制X向變形方面更好。同時，對比地表注漿和超前小導管，采用地表注漿支護變形更小，這與Z向位移的結(jié)論一致，即地表注漿的效果要優(yōu)于超前小導管。綜合4種支護方式的X向、Y向的數(shù)值分析結(jié)果可見，4種支護方式的排序為：聯(lián)合支護最好，地表注漿次之，超前小導管第3，無超前支護措施最差。

3 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比分析

3.1 監(jiān)控量測方案

本隧道監(jiān)控量測使用PENTAX R-422NM全站儀，儀器精度為1 mm+1 ppm與JTM-J7100系列收斂計，精度為0.01 mm，監(jiān)測方案嚴格按照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)[19]的要求進行。沉降觀測點選取拱頂、拱頂偏左與拱頂偏右共3個測點，水平收斂測線布置在跨度最大的拱腰部位，監(jiān)測點布置如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點布置Fig.5 Layout of monitoring points

3.2 典型斷面實測位移分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)論，現(xiàn)場隧道施工方案采用地表注漿+超前小導管聯(lián)合支護方式，并對現(xiàn)場隧道變形進行了監(jiān)測。由于監(jiān)測結(jié)果規(guī)律比較一致，變形數(shù)值相差不大，因此對右洞監(jiān)測斷面中的典型斷面進行分析，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，4個典型斷面隧道的拱頂沉降和周邊收斂在開挖后10 d左右急劇增加，在15 d左右達到峰值。在YK0+976至YK1+032近60 m的監(jiān)測區(qū)段中，拱頂最大沉降達到50.9 mm，而采用共同支護情況下模擬的最大沉降為52.4 mm，誤差僅為2.9%；最大收斂值發(fā)生在YK0+976斷面，數(shù)值為29.3 mm，而采用共同支護情況下模擬的最大收斂值為36.8 mm，模擬值與實測值誤差為25.5%，模擬值與實測值較為接近。因此，采用本研究建立的數(shù)值模擬方法模擬淺埋卵石土層隧道變形是比較合理的。

圖6 典型斷面位移-時間曲線Fig.6 Displacement-time curves of typical section

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比分析

實際監(jiān)測區(qū)段為YK0+976至YK1+032，近60 m，淺埋卵石土層隧道模型為YK0+975至YK1+035，共60 m。因此實際監(jiān)測區(qū)段變形監(jiān)測結(jié)果可與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析?，F(xiàn)取模型中與典型斷面位置一致的斷面進行對比分析，詳見表2和表3。

表2 典型斷面Z向位移對比Tab.2 Comparison of displacements of typical section in Z-direction

由表2和表3可見，隧道開挖后Z向、X向數(shù)值模擬位移和實測位移數(shù)值相差較小，且數(shù)值模擬的各斷面位移值變化趨勢與實測斷面的變化趨勢大致相同。從圖6和表2、表3可以看出，隨著隧道的開挖，數(shù)值模擬的變形率和實測的變形率逐漸減小，呈現(xiàn)出變形逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢和規(guī)律。但對比開挖過程中的位移可以看出：在Z向與X向位移中，實測值與模擬值的最終變形相差略大，最大偏差達到26%，主要原因是在實際施工中，施工人員可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工方案進行優(yōu)化，如在位移變形較大時，可調(diào)整施工參數(shù)(如控制隧道的開挖進尺、調(diào)整二襯支護時機等)。而模型在模擬計算過程中，難以對施工步驟進行調(diào)整和優(yōu)化，因此呈現(xiàn)出模擬值比實測值略大的情況。綜上所述，本研究建立的聯(lián)合支護模型可以較好地反映隧道地層參數(shù)、施工開挖過程以及支護情況。

表3 典型斷面X向位移對比Tab.3 Comparison of displacements of typical section in X-direction

4 結(jié)論

本研究以青海省石羊嶺隧道為工程依托，采用數(shù)值模擬的方法對無超前支護措施、超前小導管、地表注漿以及超前小導管+地表注漿聯(lián)合支護措施分別建立了模型，并對模型模擬的結(jié)果進行了對比分析。在此基礎上，通過對比數(shù)值模擬和實測的位移值，確定了淺埋卵石土層隧道的超前支護方式，得出的主要結(jié)論如下：

(1)從該隧道典型斷面對比結(jié)果中可以得出，模擬結(jié)果的變形趨勢與實測值的變形趨勢較為吻合，且各開挖部分的模擬結(jié)果也與實測值相近。因此，本研究建立的數(shù)值分析模型是合理和可行的。

(2)從數(shù)值模擬結(jié)果可見，與無超前支護措施相比，采用地表注漿的超前支護方式，X,Z向的變形分別減小了30.5%和46.1%；采用超前小導管的支護方式，在X,Z向的變形分別減小了18.8%和 23.1%；在超前小導管+地表注漿聯(lián)合支護作用下，X,Z向的變形分別減小了32.1%和50.3%。因此，在相同施工條件下，采用地表注漿+超前小導管聯(lián)合支護的效果明顯優(yōu)于單一支護方式。

(3)從數(shù)值模擬結(jié)果來看，單獨采用地表注漿、超前小導管支護時，與無超前支護措施相比，Z向位移分別減小了46.1%和23.1%，X向位移分別減小了30.5%和18.8%。因此在兩種單一支護方式控制變形方面，采用地表注漿比超前小導管更為有效。