强风化花岗岩隧道洞口段施工安全技术研究

汪碧云 李小彤 杨佳奇 连 正

(1.四川川交路桥有限责任公司,四川 成都 610031； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

1 概述

隧道洞口段施工是隧道工程施工中的一个重点与难点，常常有“进洞难”的说法。这是由于洞口段一般处于浅埋地段，围岩较为软弱破碎，开挖后围岩难以成拱；强风化花岗岩隧道洞口段的施工是隧道工程施工中的一个重点与难点，选择合理的开挖工法对隧道安全施工极其关键。

国内外学者对于强风化花岗岩隧道进行了如下研究：李树鹏，张俊儒等[1]以赣(州)龙(岩)铁路新考塘隧道为工程依托，对强风化花岗岩浅埋地层超大断面隧道的施工技术问题进行深入研究；刘金泉[2]设计了一套可考虑质量迁移及三向应力状态的大型室内突水突泥试验系统来研究强风化花岗岩隧道突水突泥变质量渗流特征及灾害演化机理；潘以恒[3]以矿山法施工对地下水环境的影响为研究中心，以风化花岗岩隧道为工程背景，通过现场调查、理论分析、现场试验、室内试验、数值模拟等研究手段，开展了风化花岗岩隧道矿山法施工对地下水环境影响研究。

目前国内外针对强风化花岗岩隧道的研究已取得了较为丰富的成果，在设计与施工方面积累了一定的经验。但对强风化花岗岩隧道洞口段施工的研究较少，若施工不当，极易对洞口附近岩土体产生影响，从而导致滑坡、崩塌、泥石流等不良地质灾害的出现。本文依托金家庄隧道洞口工程，比选中隔壁(CD)法和三台阶预留核心土法两种施工方法，通过数值模拟，比较两种工况下的隧道位移、初支衬砌受力、二次衬砌受力，并得出优选工法，可为强风化花岗岩隧道洞口工程施工提供一定参考。

2 依托工程背景

延庆至崇礼高速公路河北段金家庄隧道位于赤城县炮梁乡砖楼村东、金家庄村西北方向，隧道最大埋深约314.5 m，隧道区地表标高为1 406 m～1 738 m，相对高差332 m，洞口入口端坡度为16°～24°，出口端坡度为26°～31°。隧道区地层以海西期二长花岗岩为主，局部为第四系覆盖层。金家庄隧道洞口剖面图如图1所示。

本隧道围岩等级主要为Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级，其中洞口段围岩为Ⅴ级，考虑隧道施工的安全性、合理性和经济性，隧道在洞口段拟采用中隔壁(CD)法和三台阶预留核心土法开挖施工。

3 隧道洞口施工数值分析

3.1 开挖工法比选

隧道在开挖后，围岩中的初始应力将重新分布。对强风化花岗岩隧道洞口段来说，其对工程扰动更加敏感[4]。因此，选择合理施工工法对施工安全至关重要。

3.2 隧道施工工法

本节针对金家庄隧道强风化花岗岩洞口浅埋段，采用中隔壁(CD)法、三台阶预留核心土开挖法进行数值模拟(见表1)。

表1 隧道开挖计算工法

3.3 建模情况及围岩参数选取

本次计算以金家庄隧道为对象建立模型，此段隧道断面设计图见图2。隧道围岩、二次衬砌和初支采用实体单元模拟，锚杆采用Cable单元模拟，其中围岩采用摩尔—库仑模型，二次衬砌和初支衬砌采用弹性本构模型计算。隧道二次衬砌厚度为60 cm，初支厚度为28 cm，锚杆为φ25中空注浆锚杆长400 cm间距为0.75 m×1.0 m(环×纵)。隧道结构和锚杆单元模型如图3所示。

根据JTG D70—2004公路隧道设计规范和金家庄特长螺旋隧道地质勘察资料，本次计算选取的围岩和隧道结构的物理力学参数和锚杆物理力学参数分别如表2，表3所示。

表2 隧道围岩与衬砌物理力学参数

表3 锚杆物理力学参数

3.4 计算结果分析

根据计算结果，统一选取中间断面即Y=40 m(Y为距离洞口的距离)，对比分析洞口段施工引起围岩的位移、应力、初期支护内力和围岩安全系数等指标。

3.4.1洞周围岩位移分析

围岩位移考察的主要内容包括拱顶沉降、底部隆起和周边水平收敛。监测断面共1个，监测点布设4处，如图4所示。

各工况下监测点随时间步的变化曲线如图5～图8所示。

综合图5～图8对比可知：采用三台阶预留核心土法时的拱顶沉降量、仰拱隆起值、右边墙水平位移和左边墙水平位移较中隔壁(CD)法分别增加了15.3%,16.7%,13.4%和13.2%，说明三台阶预留核心土法施工对围岩的扰动性较大[5]。但两种工法施工对围岩的变形影响相差不大。由此断定，CD法在控制围岩变形方面优于三台阶预留核心土法。

3.4.2初期支护应力分析

两种工况下初期支护最大最小主应力及其分布位置如表4所示。

表4 初期支护最大最小主应力及其分布位置

对比分析两种工况，采用中隔壁(CD)法施工时最大主应力为1.10 MPa，分布在拱顶位置，最小主应力值为-4.09 MPa，出现在仰拱处。采用三台阶预留核心土法和中隔壁(CD)法施工时的最大主应力和最小主应力出现位置相同，但其值对于中隔壁(CD)法分别减小了14.4%和17%。说明采用三台阶预留核心土法施工，初期支护受力更小，安全性更高。

3.4.3二次衬砌内力对比

两种工况下二次衬砌最大最小主应力及其分布位置见表5。

对比分析两种工况，工况1(中隔壁(CD)法)下最大主应力出现在仰拱位置，其值为1.84 MPa，最小主应力出现在仰拱处，其值为-4.32 MPa。工况2(三台阶预留核心土法)下最大主应力出现在拱脚位置，其值为1.25 MPa，最小主应力出现在拱顶处，其值为-3.16 MPa。三台阶预留核心土法的最大主应力和最小主应力值相对于中隔壁(CD)法分别减小了32%和26.8%。说明采用三台阶预留核心土法施工，二次衬砌受力更小，安全性更高。

表5 二次衬砌最大最小主应力及其分布位置

4 结语

本文通过对金家庄隧道洞口段安全稳定性进行数值模拟研究，从隧道位移、围岩应力场、初支衬砌受力、二次衬砌受力及安全系数等方面进行对比分析，得出以下结论：

1)三台阶预留核心土法控制围岩变形的效果不如中隔壁(CD)法，但两者的控制效果相差不大。

2)在初期支护应力方面，三台阶预留核心土法的最大主应力和最小主应力的出现位置和中隔壁(CD)法相同，但其值对于中隔壁(CD)法分别减小了14.4%和17%。

3)在二次衬砌内力方面，三台阶预留核心土法的最大主应力和最小主应力值相对于中隔壁(CD)法分别减小了32%和26.8%。可以看出，三台阶预留核心土法的效果明显优于中隔壁(CD)法。