高海拔隧道洞口段超前支护技术研究

郑小均

(重庆交通大学 重庆 400074)

一、引言

在隧道坡积碎石土浅埋段施工中，由于隧道浅埋段开挖时工作面地质的复杂性，其稳定性往往难以保持。隧道穿越软弱破碎围岩时，开挖扰动会引起较大围岩变形[1]。如果初期支护做不及时，围岩变形可能超过其容许范围，严重时引起掌子面失稳、隧道塌方，造成重大经济损失[3]。而高海拔地区隧道坡积碎石土浅埋段施工和围岩稳定性的保持的问题更加复杂，普通的超前支护达不到预期的超前支护的效果。因此需要一种高海拔地区碎石土浅埋松散坡积段隧道的超前支护工艺。本文依托西藏工布江达县米拉山隧道工程，对高海拔坡积碎石土隧道浅埋段超前支护技术进行研究。

二、工程概况

米拉山隧道所在地位于工布江达县境内，与拉萨市墨竹工卡县相界，隧道南北向横穿海拔5350m米拉山。采用分离式隧道，测设线间距约40m。隧道长5720米，最大埋深约391m。进口设计高程约4752m，出口设计高程约4774m，通风斜井口设计高程约4889.6m。隧道洞体设计限高7.8m，设计限宽10.25m

据工程地质测绘及钻探揭露，隧址区地层主要为晚第三系新达拉(NX)花岗岩、下第三系-上白垩系林子宗(K2-E)l3)凝灰岩、前奥陶系松多岩群岔萨岗岩组(AnOc)板岩、冰水积(Q3fgl)碎石土、崩坡积(Q4c+dl)碎石土。米拉山隧道二维地震勘探共查明断层25条(F1至F25)：按落差划分，其中落差大于等于10m的断层10条(F1、F2、F4、F7、F10、F11、F12、F14、F18、F24)，落差小于10m的断层15条；其中正断层22条，逆断层3条。

三、数值模拟分析

本文设计了两种针对高海拔地区松散坡积碎石土隧道浅埋段的超前支护组合工艺。第一种：首先在隧道浅埋段开挖前，对隧道地表新型地表注浆工艺进行注浆加固，在隧道开挖过程中，对拱顶以及边墙设计密插小导管同时适当加强初期支护，仰拱开挖之前，对仰拱底部进行注浆加固。第二种：首先对隧道浅埋段进行管棚支护，在隧道开挖过程中，对拱顶以及边墙设计密插小导管同时适当加强初期支护。本文对两种组合工艺进行了对比和分析，最终选择了第一种组合工艺。该工艺能在保护生态环境的前提下，随着浆液扩散，填充围岩裂隙，挤密岩土体[3]，增强围岩的稳定性。

(一)计算模型

本文采用数值模拟方法，分析注浆加固范围对于围岩稳定性的影响规律，研究超前支护的加固效果。根据米拉山隧道设计参数，本次的数值模拟现拟定隧道模型尺寸：宽12.1m，高9.1m，拱部为半径为605cm的半圆，仰拱为半径为1550cm圆弧，仰拱与拱部间用一个小半径为100cm的圆弧连接。在隧道开挖过程中，围岩的竖向位移主要发生于隧道拱顶以上以及仰拱以下的区域[2]。数值分析采用适合模拟岩土非线性问题和大变形问题的FLAC3D进行模拟。根据米拉山隧道地质勘察资料与《公路隧道设计细则(JTG/T D70-2010)》，洞口围岩物理力学参数取值：弹性模量0.15GPa，泊松比0.3，重度1800KN/m，粘聚力0.12MPa,摩擦角28°。

(二)计算工况

由于超前支护结构深入围岩内部，且与初支结构刚性连接，构成“围岩-超前支护-初期支护”整体承载结构，在研究超前支护作用效果时既要研究超前支护结构自身力学性质，更要考虑围岩-支护结构的共同受力特征[4-5]。本次计算主要分析新型坡积碎石土隧道浅埋段超前预加固工法合理性。本次模拟采用两种不同工况：工况一采用地表注浆加固、仰拱地基注浆加固、管棚超前支护；工况二只采用管棚超前支护。

(三)隧道围岩稳定性分析

围岩的位移为影响围岩稳定性的主要因素，本节主要采用围岩的位移作为新型坡积碎石土隧道浅埋段超前预加固工法合理性的评价指标。主要对比分析注浆加固后和未注浆加固的两种工况下隧道拱顶、每个开挖步之后拱顶的最大位移以及地面的沉降。

通过对不同工况隧道竖向位移对比分析，发现隧道拱顶竖向位移随着距洞口的距离增大而逐渐增大，随着距离的增大增速不断降低，在距洞口40米之后围岩竖向位移逐渐趋于稳定，距洞口0-50米范围内，通过对地表提前预注浆加固后，隧道拱顶的位移明显降低，相对于未地表预注浆加固位移约减少了30%，很大程度上提高了隧道的稳定性。

通过对各个开挖步后隧道20米断面拱顶位移分析，发现隧道拱顶的竖向位移主要集中在开挖第一步，约整个过程全部位移的60%，第2-4步每步开挖引起的位移约为整个过程围岩位移的10%，在第五步开挖后，隧道拱顶的竖向位移逐渐趋于稳定；对比两种工况可以看出在隧道开挖前，对地基进行预注浆加固可以明显的降低拱顶的竖向位移，且注浆加固隧道每一步开挖引起的拱顶竖向位移均小于未注浆加固，更有利于位移的稳定性，更好的降低隧道的变形。

通过对两种工况下由于隧道开挖造成的地表沉降的分析，发现地表的位移呈现出隧道拱轴线竖向位移最大，随着距拱轴线的距离增加，地表位移不断减少；注浆加固在拱轴线出约可以减少地表沉降10mm，相对于不注浆加固竖向位移约减少了30%。

四、结论

1.相对于传统的隧道浅埋段预支护技术，高海拔地区坡积碎石土隧道浅埋段超前支护方式能提高隧道围岩的稳定性，改善隧道围岩的受力以及结构受力。

2.高海拔地区隧道浅埋段坡积碎石土浅埋段超前支护方式相对于传统洞口预加固方式，能够约降低隧道拱顶围岩位移20%，降低地表沉降约30%，更有利于边坡的稳定性。

3.隧道地表注浆加固范围越大，越有利于控制隧道围岩的变形，但当这些参数达到一定程度后，对隧道围岩变形的影响的敏感性降低，最后其影响效果都趋于稳定。

本项研究形成的适合高海拔地区隧道坡积碎石土浅埋段的超前支护方式，丰富了我国在西藏、云南等地区的隧道浅埋段超前支护的建设经验，在今后类似条件下的施工具有实际指导意义。