浅埋粉砂岩地层隧道洞口段施工的数值模拟研究

许贻仲

摘要：浅埋粉砂岩地层隧道开挖时若处置不当容易引起较大的地表与隧道沉降，甚至会导致隧道掌子面坍塌。文章结合广西沙弯隧道洞口进洞方案，采用数值模拟的方法，研究了首先采用超前小导管注浆与环向注浆加固隧道掌子面，再采用三台阶七步开挖法时，地表沉降与隧道拱顶沉降的变化情况。结果发现：这种施工方案能够保持隧道掌子面与洞口边坡的稳定性，同时地表沉降与隧道拱顶沉降可控，且隧道开挖对隧道中线两侧1.5b范围内地表沉降影响较大，锁脚锚杆能够有效控制隧道的横向收敛变形，二次衬砌应该及时施工。

关键词：粉砂岩;洞口段;注浆加固;三台阶七步开挖法;锁脚锚杆

0 引言

随着我国经济飞速发展，近几十年来，国内修建了大量的山岭与城市隧道。山岭地区高差起伏大，地形陡峭，尤其是在高陡边坡、软弱围岩、浅埋深、洞口偏压等不利条件下，隧道如何安全进洞这个问题就更加突出。虽然在《公路隧道施工技术规范》中提出了“早进洞，晚出洞”的施工准则，但是实际施工中常常采用刷坡、拉槽等方法，这样会引起洞口边坡失稳甚至导致滑坡等地质灾害，而如何将该施工准则发展为“不伤坡进洞”的施工方案，在保护隧道洞口安全与生态环境的同时降低施工成本，是很具有研究意义的。

近年来，相关学者与研究人员已经针对隧道洞口施工进行了大量研究，也提出了相当多的施工方案并得到了工程应用。孟凡亚[1]根据对武隆隧道软岩浅埋段的地质情况的研究，提出了地表预注浆与大管棚相结合的施工技术，结果表明，此技术能够提高软岩的结构强度，施工得以安全进行。张敏等人[2]以皖南某浅埋偏压隧道为基础，采用数值模拟方法，对隧道高边坡的变形与破坏机制进行研究，认为隧道开挖前首先对上部岩体进行加固，可以有效地减小与避免隧道洞壁的应力集中现象。陈小勇等人[3]结合铁寨子1#隧道的工程概况，对比各种施工方案，提出采用明拱暗墙法的方案即可保证洞口稳定又能保证施工安全。姜同虎等人[4]基于郭家川2#隧道洞口段的破碎围岩，首先采用超前管棚支护，后采用联合支护能有效保证隧道施工安全。邓永杰[5]总结与分析了大量国内外隧道进洞的施工方案，研究了不同围岩级别、边坡坡度、边坡加固后以及不同埋深隧道开挖后对边坡稳定性的影响，提出了大跨度隧道的进洞方法。然而这些研究中没有针对粉砂岩地层隧道进洞方法的。本文结合广西沙弯隧道工程地质概况与施工方案，采用数值模拟的方法，系统地分析了浅埋粉砂岩地层隧道洞口段三台阶七步开挖法施工与超前加固的效果，同时研究了该施工方案的加固机制。

1 工程概况

沙弯隧道为双向行车的单洞隧道，隧址区位于永福县，为广西北部高山地區，地质情况受地层岩性及构造控制明显，属于高山区，其路线斜穿一连体山，沿线地形地势呈锯齿状，局部呈屏状，整体呈中部高、两侧低。隧道全长928m，为高山地貌区。隧道穿越山体地层为第四系残坡积覆盖层和泥盆系下统莲花组和寒武系上统砂岩夹页岩基岩，其进口端及出口端主要为粉砂岩地层。隧道平面洞口两端均为曲线线型，呈“S”型，纵断面采用单坡，纵坡坡度为2.25%，坡长为1080m。隧道洞口段首先采用超前地质预报对地层进行分析，然后采用超前小导管与径向注浆小导管加固，最后选用三台阶七步开挖法施工（如图1所示）。

2 数值模拟

根据沙弯隧道工程地质报告，选择洞口前50m作为数值模拟的计算目标。该段平均埋深为8.7m，不考虑粉砂岩地层中水流的渗流作用。

2.1 参数计算

隧道初期支护中的型钢拱架，根据抗压刚度等效的原则，将钢架的弹性模量折算到喷射混凝土衬砌的弹性模量，以简化计算，计算方法见式（1）[6]。

2.2 模型建立

使用Midas-GTS软件建立数值模型（见图2）。隧道中初期支护厚度为25cm，二次衬砌厚度为50cm，超前小导管长度为2m，环向注浆范围为2.5m。模型中的围岩与注浆土体采用实体单元模拟，本构关系采用摩尔-库伦模型，初期支护、二次衬砌采用弹性模型，板单元模拟，超前小导管采用弹性模型，梁单元模拟。模型平面尺寸为隧道洞径的3～5倍，模型计算宽度为50m，高度为47.5m，计算范围为50×47.5×50m。经过网络划分，整个模型有16822个节点，25048个单元。模型在自然条件下，仅受重力作用，采用静力条件下的自动约束边界。施工中的前四步见图3，其中第一步为施作超前支护，第二步为开挖1（步骤1），第三步为开挖2与开挖3（步骤2），第四步为开挖6-1（步骤3），总共7步开挖完一个完整隧道断面，其后以此类推。

2.3 结果分析

2.3.1 地表沉降分析

隧道开挖完成后，中间断面之上的地表沉降结果见后页图4。由图4可知：

（1）最大地表沉降量为31.2mm。开挖1完成时，地表沉降变化为4.6mm;中台阶开挖时，地表沉降变化分别为3.8mm和3.2mm;下台阶开挖时，地表沉降变化分别为3.5mm和2.8mm。初期支护施工时，地表沉降速率迅速减小。仰拱填筑后，地表沉降基本保持不变。

（2）隧道开挖面后地表沉降基本保持不变，即隧道开挖对该区域影响不大。在隧道掌子面前方2b范围内，隧道开挖对地表沉降影响较大。在隧道掌子面前方3b～3.5b范围内，隧道开挖引起地表少量隆起。

（3）中台阶开挖后，最大地表沉降17.2mm;下台阶开挖后，最大地表沉降26.8mm;仰拱填筑后，最大地表沉降30.9mm。最大地表沉降出现在隧道中线以上。隧道中线两侧1.5b范围内地表沉降影响较大，隧道中线两侧3b～3.5b范围内有轻微隆起。

2.3.2 拱顶沉降分析

隧道开挖完成后，中间断面之上的隧道拱顶沉降结果见下页图5。由图5可知：

（1）拱顶最大沉降为74.8mm。开挖1完成时，拱顶沉降变化为14.2mm;锁脚锚杆安装后拱顶沉降变化为1.4mm;中台阶开挖时，拱顶沉降变化分别为11.3mm和10.2mm;锁脚锚杆安装后拱顶沉降变化分别为1.2mm和0.9mm;下台阶开挖时，拱顶沉降变化分别为9.8mm和7.6mm;锁脚锚杆安装后拱顶沉降变化分别为0.7mm和0.4mm。

（2）隧道开挖对掌子面前方2b范围内的拱顶沉降有显著影响，对开挖面3b以外的拱顶沉降影响不大。隧道开挖面开挖对隧道面后拱顶沉降仍有影响，影响范围约为2～3mm。离拱顶的深度越远，拱顶沉降越小，接近于线性折减。

（3）隧道开挖时，在超前小导管注浆加固、掌子面环向注浆后，拱顶沉降和地表沉降逐渐收敛，地表和隧道断面均逐渐达到稳定状态。本文提出的施工方案在浅埋粉砂岩洞口段施工取得了良好的效果。

3 结语

本文结合沙弯隧道洞口段的施工方案，采用数值模拟的方法分析了方案的安全性与可靠性，结果发现：

（1）对于浅埋粉砂岩隧道洞口段施工，首先采用超前小导管注浆与环向注浆后，再使用三台阶七步开挖法施工，地表沉降与拱顶沉降均较小且可控，因此该方案在类似地层洞口段施工可以进行推广。

（2）地表沉降最终形成沉降槽，隧道开挖对隧道前方2b范围内地表沉降影响明显;隧道开挖对隧道中线两侧1.5b范围内地表沉降影响较大。同时，沿隧道中线3b～3.5b范围内地表有轻微隆起。

（3）顶部导坑（开挖1）、中部和下部台阶的开挖对地表和隧道拱顶的沉降影响较大，而核心土的开挖对沉降影响较小，锁脚锚杆对减小水平位移影响较大。仰拱填筑完成后，应及时进行二次衬砌施工。

参考文献：

[1]孟凡亚.武隆隧道进口段浅埋软弱围岩的处理技术[J].西部探矿工程，2003（1）：99-101.

[2]张 敏，黄润秋，巨能攀.浅埋偏压隧道出口變形机理及稳定性分析[J].工程地质学报，2008（4）：482-488.

[3]陈小勇，陈绪文，刘 旸，等.浅埋偏压隧道进洞施工技术[J].现代隧道技术，2009，46（3）：89-92.

[4]姜同虎，霍三胜，叶 飞，等.浅埋软弱破碎围岩隧道进洞施工技术研究[J].现代隧道技术，2011，48（3）：117-122.

[5]邓永杰.浅埋偏压大跨度隧道洞口段进洞技术研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[6]肖君瑞.明垭子隧道围岩变形及合理支护结构的研究[D].西安：长安大学，2010.

[7]贺思悦，王修领，韩志林，等.偏压隧道边坡桩锚支护加固效果的数值分析[J].公路，2017，62（8）：305-310.