浅埋偏压地段隧道工程施工技术研究

陈晓波

(中铁十八局集团第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

1 工程概况

新屋隧道位于丘陵地貌,地形起伏大。该隧道为分离式隧道,左线隧道起讫里程LK2+341～LK3+105长764 m;右线隧道起讫里程K2+293～K3+087长794 m。地质结构复杂,围岩岩性变化较大,其中二级围岩占隧道总长的58.2%,受山体偏压影响,施工难度较大。特别是进口段处于浅埋层和尾矿带,围岩破碎,一半泥土,一半碎石,埋层平均厚度仅2.6 m。笔者通过对浅埋偏压地段隧道常见工程问题的综合分析,并结合具体工程条件,优化浅埋偏压地段隧道的施工技术,确定了新屋隧道浅埋偏压段工程的预加固措施;对反压回填方案及隧道开挖方法进行了优选,制订合理的施工工艺。

2 浅埋偏压现象的产生机理及影响因素

隧道的浅埋地段是指上覆岩土层较薄,一般小于1～2D范围(D为隧道开挖跨度),不易形成地拱,须采取一定辅助工法保证隧道岩层稳定的区段,多处于洞口或越岭隧道穿越山谷段如图1所示。上覆岩层厚度是指隧道周边距地表的最小距离。浅埋段隧道围岩因其覆盖厚度较薄,且经受到风雨冷热等风化与侵蚀作用,在山地破碎、地质条件差的边仰坡开挖,会破坏山体的应力平衡,隧道的开挖又与原有地形地质条件相互影响,产生了偏压、冒顶等潜在风险,使得隧道的工程特性更加复杂。

图1 隧道浅埋段位置示意图

2.1 隧道轴线与山坡相交形式的影响

一般情况下,山岭隧道选线的弹性不大,进洞的位置往往只能在总体工程地质条件较差的区段选择一较好的地段。我国在隧道洞口位置选择方面规定[1]:隧道洞口的中线,宜与地形等高线正交或接近正交。否则要尽量以大角度斜交进洞。

由于隧道轴线与地形的位置关系不同,会导致隧道开挖后,围岩产生的次生应力有较大的不同,进而影响隧道施工风险和稳定性。洞口工程施工时,因为隧道的挖掘或地貌的改变均将破坏原有的应力平衡,隧道洞口附近边坡可能会发生地层滑动或坡面崩坏等现象,而隧道内则可能会发生开挖工作面崩坏、偏压、顶板冒落、侧墙失稳、地基承载力不足导致过度沉陷等现象。

2.2 地质条件的影响

长期的地质作用使得地壳产生了倾斜、褶皱、断层、破碎带等各种复杂的构造,这些构造在岩体上表现出多种结构形态。所以这些都会对隧道的稳定性造成直接的影响。对于浅埋的洞口段工程而言,一般洞口均会避开断层,而褶曲在地表由于应力释放,岩体较为破碎,加上风化作用,往往在地表形成较厚的破碎带,从而影响洞口段工程的稳定性。

2.3 浅埋偏压现象的产生机理

从以上分析可以看出,浅埋段的隧道当其轴线与坡面或岩层走向斜交或平行时,会同时出现偏压现象,其作用如图2所示。当上覆岩层较为破碎时,可以看作是散体材料,由于隧道的开挖,在重力作用下,散体材料有向隧道内部运移的趋势,同时由于地表存在一定的坡度,隧道拱顶上方岩层的重力不同,从而产生偏压现象。散体材料内外侧产生最大推力时的破裂角β、β′相差不大。当上覆岩层较为完整,走向与地表坡向一致或夹角不大时,由于岩层的各向异性,顺层向与垂直层向的物理力学性质差别较大,岩层内外侧产生最大推力时的破裂角β、β′相差较大,此时隧道的偏压现象最为严重。假定偏压分布图形与地表坡向一致,根据隧道偏压荷载计算方法[2]可知:

图2 浅埋隧道偏压示意图

(1)

式中:h,h′——内、外侧由拱顶水平至地面的高度,m;

B——坑道跨度,m;

γ——围岩重度,kN/m3;

θ——顶板土柱两侧的摩擦角,(o);

λ,λ′——内外侧的侧压力系数;

α——地面坡坡角,(o);

φc——围岩计算摩擦角,(o);

β、β′——内、外侧产生最大推力时的破裂角,(o)。

偏压隧道水平侧压力为:

内侧:Qh=γ·hiλ;外侧:Qh=γ·hi'λ'。

式中:hi、h'i——内外侧任意一点i至地面的距离,m。

浅埋偏压地段隧道开挖后,支架和衬砌受偏压影响,加之浅埋段地层岩性相对较差,工作面易发生崩坏、冒顶、塌方等现象;洞门附近原处于临界状态的边坡,开挖后可能会发生滑坡现象[3]。

3 浅埋偏压地段隧道施工方法优选

3.1 计算简图

为确定合理施工方法,以LK2+380断面为例,采用同济曙光分别对不同的开挖方法进行数值模拟,计算原理与基本假定同前一章所述。地层岩体简化为表层粘土、灰岩和不同厚度的回填土层。计算域上边界取至地表,左、右、下边界距隧道外缘周边分别为50 m、37 m、17 m。在边界条件都确定为位移约束条件的情况下,上边界是自由变形边界,左右边界分别视为水平平移为0的边界,下边界竖向位移也为0。据此来划分有限元计算网络如图3所示。

图3 计算网格

3.2 计算工况

计算分别模拟全断面开挖法、短台阶法、超短台阶预留核心土法和分部开挖法(CRD法),其开挖顺序如图4所示。

注:①,③,⑤,⑦,⑧,⑩ 表示隧道开挖;②,④,⑥,⑨,(11) 表示打设锚杆、喷射混凝土衬砌(或底板)图4 开挖顺序示意图

模型对实际工程数据的模拟决定了数值模型的精准度。在隧道开挖的施工中逐渐推进掌子面,衬砌随后实施,这样能够起到约束隧道周围岩体的作用,防止其变形[4]。本文展示的平面应变有限元模型，经过咨询相关专家的建议,引入了释放荷载。释放荷载会在不同的施工阶段中以不同的释放系数来进行释放,经过准确分配后,最后确保系数总和为“1”。每个施工阶段的释放系数分配如下:

1)全断面开挖法。隧道开挖后锚喷支护在应力已释放30%后开始施作,衬砌结构在应力已释放70%后浇注;

2)短台阶法。每开挖步完成后锚喷支护在应力已释放30%后开始施作,衬砌结构在应力已释放70%后浇注;

3)超短台阶预留核心土法。每开挖步完成后锚喷支护在应力已释放20%后开始施作,衬砌结构在应力已释放70%后浇注;

4)分部开挖CRD法[5]。每开挖步完成后锚喷支护在应力已释放20%后开始施作,衬砌结构在应力已释放80%后浇注。

3.3 计算结果与分析

为了便于比较,对隧道周边部分典型结点的计算结果进行了输出,输出点的位置如图5所示。

由有限元分析所得的不同回填方案下开挖完成后关键点的位移量如表1所示,网格变位如图6所示,衬砌结构的剪力、弯矩示如表2所示。

图5 洞室周边计算结果输出点

表1 洞周关键点的位移量

注:↑表示竖向位移,向上为正;→表示水平向位移,向右为正。

表2 衬砌结构剪力及弯矩值表

注:剪力、弯矩的符号定义同材料力学,N点表示衬砌最大剪力或弯矩点。

(a)隧道网格变形图(全断面开挖法)

(b)隧道网格变形图(短台阶开挖法)

(c)隧道网格变形图(超短台阶预留核心土法)

(d)隧道网格变形图(分部开挖CRD法)图6 (a)～(d)不同回填方案下网格变位图

从计算结果可以看出,采用超短台阶预留核心土法,隧道衬砌受力最为均匀,且剪力、弯矩的最大值最小。由于隧道处于一条与线路平行的断层带上,断层带宽3～10 m不等。在开挖过程中,断层带将开挖面分割成2～3条柱状石,石柱之间夹粘土及碎石,粘土呈软硬塑状,含水率达20%～25%。加之隧道浅埋。隧道在LK2+340～+430段最大埋深为1.0 D(D=隧道开挖宽度,约15 m),加之隧道在LK2+340～+430段存在偏压。隧道在开挖时,应做到尽量减小对周边围岩的扰动及对以前支护成形地段的扰动。分步开挖CRD工法,则易对刚支护完成的前一开挖断面造成扰动,对周边围岩的扰动次数也相应增多。全断面开挖和台阶法由于一次开挖面积较大,围岩应力释放较快,作用在锚杆和衬砌的压力较大,且受偏压影响,隧道周边受力不均匀,易造成局部破坏,并引发连锁反应,从而造成整个支护体系的破坏;如果支护不及时(锚喷支护时,应力可能已超出释放30%的假设),围岩会产生较大的变形,且不容易控制变形趋势,从而造成岩体失稳和塌方。

新屋隧道洞口附近工程覆土厚度较薄,围岩较为破碎,地拱效应基本无法发挥,易出现掌子面崩坏及地表下陷等问题[6]。因此经反复研究论证,结合数值模拟分析,初步确定采用超短台阶预留核心土,上导全程设临时仰拱,下导开挖不拆除临时仰拱的作业方法。隧道拱部一次爆破成形,初期支护措施能尽早完成,并减少了对围岩的扰动次数,尽量多地保护了围岩自稳、初支与围岩的密贴,使初支与围岩能尽早的共同作用,提高了隧道的稳定性。但是从模拟结果来看,隧道变形量相对较大,且地表在开挖过程中会出现较大的沉降,施工过程中应加强监控,并根据实际情况及时调整支护方式,必要时应加强支护刚度。

4 浅埋偏压地段隧道工程施工工艺

综合新屋隧道洞口附近工程的预加固措施和开挖方法,在对偏压地段进行回填后,隧道的施工工艺流程如图7所示。

对于破碎围岩段以人工开挖为主,机械配合,必要时进行小型微震爆破。上台阶开挖2 m后,进行下台阶的开挖,开挖进尺以0.70 m,每循环安设一榀钢拱架为准。上下台阶平行进行,上断面环状土采用人工开挖,下断面采用挖掘机进行中槽开挖,每一断面开挖完成后首先初喷一层4 cm厚的混凝土,随后进行钢拱架、挂设钢筋网片、安设系统锚杆的作业,最后再喷射混凝土至设计厚度。喷射混凝土前,进行开挖面轮廓线检查,并做好检查记录,绘制轮廓线图,合格后施喷混凝土。否则,迅速修整合格。在开挖过程中,防止超挖,以设计轮廓线为标准制作样板,随挖随量,确保不出现超欠挖。如因其它原因造成超挖,迅速提出处理方案,尽快通知监理工程师,进行处理。

图7 新屋隧道浅埋偏压段工程施工工艺流程图

5 结论

当隧道轴线与坡面或岩层走向斜交或平行,上覆岩层较为破碎时,由于隧道的开挖,在重力作用下散体材料有向隧道内部运移的趋势,同时由于地表存在一定的坡度,隧道拱顶上方岩层的重力不同,从而产生偏压现象[7-8]。

针对隧道口偏压现象,为确定合理施工方法,采用同济曙光分别对不同的开挖方法进行数值模拟,分别计算模拟全断面开挖法、短台阶法、超短台阶预留核心土法和分部开挖法(CRD法)四种开挖方法[9]。由计算结果可以看出,采用超短台阶预留核心土法,隧道衬砌受力最为均匀,且剪力、弯矩的最大值最小。从而确定了覆土厚度较薄的洞口附近工程采用超短台阶预留核心土,上导全程设临时仰拱,下导开挖不拆除临时仰拱的作业方法。提出了上下台阶平行进行,上断面环状土采用人工开挖,下断面采用挖掘机进行中槽开挖,每一断面先初喷混凝土,随后进行钢拱架、挂设钢筋网片、安设系统锚杆等作业,最后再喷射混凝土至设计厚度的浅埋偏压地段隧道工程施工工艺[10]。

本文对浅埋偏压地段隧道工程部分问题进行了汇总整理,但仍缺乏全面性,有必要建立大型的数据库系统,并建立量化的风险评估和规避体系。