浅埋偏压隧道洞口施工技术及稳定性分析研究

汤前辉

摘 要：某项目隧道属于高速公路中的典型控制性工程，它集合了偏压、浅埋、涌泥、涌水等多种地质问题，地质条件极为复杂，在隧道洞口施工时的难度极大。基于此，以该隧道工程为例，简要分析了浅埋、偏压施工技术及其有效性，希望为后期相关工程的顺利进行提供一定的借鉴。

关键词：隧道工程；偏压；浅埋；施工技术

中图分类号：U455.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.142

1 工程概述

该隧道全长8.695 km，隧道中线间距达50 m，属于一项全线控制工程。出口段位于长江中游地震带与华北平原地震带的接壤区域，海拔1 200 m，地质情况极为复杂。结合洞口的具体开挖情况，其下层属于炭质页岩，覆盖层极薄，呈现出了一种特别明显的构造偏压结构。所以，要想施工顺利进行，就必须科学、合理地处理工程中存在的偏压问题。

2 设计与施工

结合工程的实际地质情况，采取了超长管棚、超前小导管和初期支护等形式的施工方案，具体内容如下。

2.1 超前管棚

在一些地下结构工程浅埋暗挖的施工过程中，超前管棚属于应用极为普遍的超前支护技术。该技术能够发挥良好的超前支护作用，能够有效预防地表下沉和岩石坍塌等问题的发生，从而保证相关掘进工作和后期支护工作的顺利实施。另外，该方法还具有见效快、工艺简单的优点。

在隧道施工的过程中，所用到的超前管棚是规格为Φ108 mm×6 mm的钢管，在拱部120°的范围内布设，管长为20 m。工程所用水泥浆的规格为：水灰比为0.8上下，注浆压力为1～2 MPa。

2.2 超前小导管

应用超前小导管施工方法时，在预挖隧道周围形成了一层能够有效止水的稳定性承载壳，它能够有效增强围岩的力学性能。另外，导管在具体工程实践中发挥出了超前锚杆的作用，使岩体的自稳时间明显延长，同时，还提高了围岩的自稳能力。该方法的优点是：①大大缩短了开挖时间，加固效果显著，对注浆质量的控制更加便捷；②导管所形成的管棚能够明显改善围岩的自稳性能，对于围岩的松弛和变形起到了良好的制约作用；③成本低廉、工艺简单。

工程中所用的超前小导管规格均为Φ42 mm×3.5 mm的无缝焊管，管长为4.5 m。为了防止浆液前冲，方便插打，特将小导管前端加工成锥形，并在导管的终端设置了直径为8 mm、呈梅花形布置的溢浆孔，孔间距为20 cm。另外，为了防止在打设导管的过程中出现端部开裂的情况，影响注浆管的连接，特在导管末端焊接了直径为6 mm的环形箍筋。

2.3 初期支护

结合工程的实际情况，本路段选择台阶式的开挖方式。其中，初期支护采用的是S2-1支护类型，其纵向间距为0.75 m的18号工字钢，并采用直径为8 mm的双层钢筋网、厚度为26 cm的C20喷射混凝土和长度为4.5 m的中空注浆锚杆。

3 数值计算

3.1 岩体物理学参数

分析隧道出洞口处的岩体时发现，如果岩体类型为炭质页岩和硅质页岩互层，自地表向下分别为全风化层和强风化层。

3.2 初始地应力场

结合具体的自重情况来分析初始地应力场的垂直方向，水平应力侧的压力系数取0.8.

3.3 计算模型

在计算过程中，选择隧道洞口处路段进行剖面分析，并完成三维计算。具体计算范围为-60.0 m≤X≤60.0 m。在竖直方向从地表以下60 m到地表，沿隧道轴线方向厚度均取2 m。其中，共剖分的单元为4 270个，节点有5 930个。整个计算过程应用的都是由程序所提供的结构单元模拟衬砌和锚杆。

3.4 数据值计算结果分析

3.4.1 位移场分析

开挖工作完成后，所释放的压力使得围岩发生了相应的位移变化。其中，拱部主要以水平位移为主，底板主要以竖向位移为主。另外，由于仰拱未及时完成跟进处理，导致底板上发生的上台位移量最大。又因为偏压的存在，使得左侧拱部位移量要小于右部，剖面最大水平位移发生在了左侧边墙。

因此，对于一些处于偏压、浅埋地段，而且岩体比较脆的隧道洞口来说，为了更好地保证围岩整体的稳定性，要及时做好仰拱，以尽早形成封闭受力环。这是非常必要的。另外，加固设计和施工时应重点考虑拱脚和变强部位。

3.4.2 应力学特征

由计算结果可知，隧道开挖工作对隧道周围岩体产生了强烈的扰动，导致岩体应力出现了二次重分布的情况，明显增加了隧道周围的环向应力，同时，径向应力释放。在隧道的右端墙底部位出现了应力过于集中的现象，在右端的地板和拱部等部位出现了较小的拉应力。

3.4.3 塑性区特征

隧道开挖后，其左边墙拱部和顶部都出现了较小的裂缝。由塑性区的计算结果可知，在右边墙、左侧拱部和部分底板等部位，都出现了相应的塑性区。其中，主要的破坏形式为剪切破坏，在右侧拱部还出现了小范围的张拉破坏。

3.5 计算结果与监测结果的对比分析

隧道洞口剖面位移计算值与监测值的对比结果如表1所示。

在计算过程中，由于忽略了流-固耦合作用和震动等因素对岩体稳定性的影响，所以，表1中拱顶下沉的数值相对比较小。如果考虑到这些因素，计算位移值将会进一步增大。