隧道洞口滑坡体土钉墙加固适应性研究

段 锋

(中铁二十局集团第六工程有限公司 陕西西安 710032)

1 引言

隧道洞口穿越滑坡体施工难度大，剪切变形在边坡表面表现最为明显，具有极大的工程建设安全隐患[1]，因此保证滑坡体隧道洞口的稳定性极为关键。研究出一种施工安全、工效高且成本相对较低的穿越滑坡体进洞施工方法尤显重要[2]，依托在建陇漳高速公路乌梁隧道，在强度折减法基础上，利用MIDAS-GTS建立隧道洞口滑坡体段三维有限元模型，提出了洞口段利用土钉墙代替微型桩墙加固的支护方案。

2 工程背景

2.1 隧道概况

陇漳高速公路乌梁隧道位于甘肃省陇西县城东侧，全长1.67 km，左右洞起讫里程分别为YK18＋555～YK20＋241、ZK18＋555～ZK20＋221。 其中小里程端洞口位于滑坡体上，地形展布为左侧平缓、右侧紧邻冲沟边缘，且洞口岩层破碎，节理发育，表层为滑坡堆积体，在流水及重力作用下极易崩塌。

2.2 优化方案

滑坡体对隧道进洞安全风险较大，原设计采用直径φ＝24 cm、间距L＝50 cm的微型桩墙支护，并辅以16b型钢加固。考虑到微型桩加固施工进度较慢，无法满足隧道工期要求，经协商研究后提出采用土钉墙加固方案，C20网喷厚度d＝10 cm，φ42注浆钢花管长度L＝9 m、土钉间距为1 m，现场施工见图1。

图1 土钉墙加固方案

2.3 施工安排

模拟乌梁隧道施工过程，先仰坡、边坡开挖及支护，再进行洞口段开挖及支护。边仰坡开挖时，坡面沿z轴从上向下分3次开挖，每开挖一部后，紧接着对每一级开挖边仰坡支护，为防止岩体发生掉块或崩塌采用C20网喷土钉墙进行支护，喷射支护完成后破除洞口处支护，然后进行明洞建设。洞口段开挖、支护时，先对左、右隧道进行首次开挖，破除套拱范围内网喷支护，施作长度L＝2 m、厚度d＝60 cm的C20混凝土套拱，改变明暗交界部分属性，变为型钢混凝土结构。紧接着施工暗洞φ108管棚超前支护。

为防止隧道在开挖过程中由于自稳性下降而导致坍塌，断面采用挖掘机按三台阶进行分部开挖，每循环0.6 m的进尺，并利用 20a型钢钢架及C25锚网喷进行初期支护。同时，在进洞一定距离后，及时完成仰拱初支成环和C35钢筋混凝土二次衬砌，其中仰拱衬砌厚度为d＝60 cm，拱顶衬砌厚度为d＝50 cm，起到避免隧道在开挖过程中仰拱受到两侧岩土体挤压而隆起的风险。

3 方案可行性校验

为了论证土钉墙加固方案的合理性，一是采用数值模拟方法分析了不同进洞施工方案隧道围岩、边仰坡支护结构、二衬结构的位移及最大主应力的变化特征[3]；二是通过现场监测统计分析手段验证了支护后滑坡体变形特征，进一步确定了土钉墙加固滑坡体方案的适应性、合理性[4]。

3.1 数值分析

3.1.1 计算模型

为了使模型计算时间与精度合适，通常对建模范围有所要求。建模太大，计算时间将极大地增加；建模太小，可能受边界条件影响得不到准确的计算结果[5]。本次计算模型沿x、y、z方向建立长度分别为96.4 m、120 m和84 m，且所有边界面自动约束。

3.1.2 参数的设置

在有限元模型中，岩体采用莫尔-库伦本构模型，隧道喷混等支护结构采用弹性本构类型，自然状态下隧道岩土参数、各类材料参数设置见表1。

表1 隧道模型各类材料参数

3.2 数值模拟计算结果及分析

3.2.1 数值模拟应力分析

利用数值模拟对原设计与优化设计方案得出隧道开挖引起的围岩、边仰坡支护、二衬等的最大主应力出现部位及数值大小，以进一步对比分析隧道洞口围岩稳定性[6]。微型桩墙模型与土钉墙模型最终工况下隧道围岩的最大主应力云图见图2，边仰坡支护最大主应力云图见图3，二衬最大主应力云图见图4，其山体围岩、边仰坡支护及二衬最大主应力特征见表2。

图2 隧道开挖引起的围岩最大主应力云图

图3 隧道开挖引起的边仰坡支护最大主应力云图

图4 隧道开挖引起的二衬最大主应力云图

表2 数值模拟不同方案最大主应力特征

虽然土钉墙方案计算模型的山体围岩、边仰坡支护最大主应力都远大于原设计计算模型，但是根据地勘资料可知，该模型最大应力出现部位围岩均为中风化砂岩，其最大主应力均小于砂岩的屈服强度，因此以最大主应力作为安全考虑因素，其优化方案各个部位力学特征满足施工安全要求，方案可行[7]。

3.2.2 数值模拟变形分析

山岭隧道在工程开挖中存在一定的危险性[8]，必须对开挖过程中围岩位移、边仰坡支护位移、微型桩墙和土钉墙位移、二衬位移等进行全面的变形监测[9]。微型桩墙模型与土钉墙模型最终工况下开挖引起的围岩位移云图见图5，边仰坡支护、微型桩墙及土钉墙位移云图见图6，二衬位移云图见图7，数值模拟位移特征见表3。

图5 隧道开挖引起的围岩位移云图

图6 隧道开挖引起的边仰坡支护及微型桩墙位移云图

图7 隧道开挖引起的二衬位移云图

表3 微型桩墙与土钉墙边坡开挖数值模拟位移量 mm

表3对比了微型桩墙与土钉墙加固方案边坡位移、边坡处沉降、拱顶沉降、拱底隆起、拱顶二衬最大位移、拱底位移、拱顶位移等监测数据，从边坡开挖隧道引起的位移来看，模型优化后边坡支护最大位移出现在左洞口，但两方案均满足公路隧道施工技术细则(JTG/T F 60-2009)及建筑基坑工程监测技术规范(GB 50497-2019)隧道开挖允许最大变形要求[10]。

3.2.3 优化结果对比

根据统计，得出了两个方案模型不同施工步骤各阶段垂直总应力、水平总应力和位移三方面数值，本处选取了具有典型代表特征的8＃点进行了原设计和优化方案模型计算结果进行对比，见表4。

表4 原设计与优化方案结果对比

从表4可知，优化方案的围岩位移最大值比原设计没有发生较大变化，边坡位移要略大于原设计方案，但其位移和变形都在允许范围之内。通过模型计算对比分析，优化方案可以减少应力变化，且位移符合规范要求，其方案可行。

3.3 现场监测分析

隧道洞口地表沉降的趋势有一定的变化规律，随着隧道施工开挖，洞口地表开始产生变形，最大变形速率将发生在隧道开挖掌子面到达检测点正下方时。若变形速率逐步减小，则说明隧道洞口趋于稳定；反之，则出现失稳，应及时防止洞口坍塌等灾害，保证施工安全[11-12]。

为监测乌梁隧道施工过程中洞口段地表沉降情况，通过对监测点变化规律进行分析以保证施工安全，洞口段每个截面预埋16根直径φ＝2.5 cm、长L＝200 cm的钢筋作为观测桩，外露长度50 cm，并在露头顶端焊接5 cm×5 cm的钢板。并现场选取了进洞前后过程中具有代表意义的6个观测点进行了统计分析，见图8。

图8 洞口地表测点累计沉降曲线

由图8可知，洞口上部15 d内沉降速率较低，15 d后沉降速率迅速增大，40 d后沉降速率趋于平缓，最大沉降量为22 mm，符合规范要求，表明优化方案可行。

4 应用效果分析

乌梁隧道洞口采用土钉墙代替微型桩墙加固方案施工，应用效果良好。实现了提前安全进洞目标，比原方案节约工期43 d，且在人、材、机方面节约建设成本约783万元。

5 结束语

采用土钉墙代替微型桩墙加固滑坡体方案，通过数值模拟和现场监测分析两种手段验证，其推测最大主应力虽大于原设计方案，但推测变形值与实际变形值差异不大，符合规范要求，安全性良好；同时，实现了节约工期、减小施工难度和降低施工成本等诸多优点，充分说明土钉墙加固方案可行，可为类似隧道穿越滑坡体设计、施工提供一定参考。