粤东山区浅埋偏压隧道进洞施工优化研究

2021-09-09官治立

广东公路交通 2021年4期

官治立

(广东交通实业投资有限公司，广州 510623)

0 概述

洞口段浅埋偏压是山岭隧道施工中经常遇到的问题。由于洞口段岩层一般较破碎、风化程度较高，外加埋深较浅，开挖过程中难以形成拱效应。在偏压作用下，使得隧道两侧受力不均，施工过程中易出现大变形、塌方、地表沉陷、滑坡等现象[1]。关于浅埋偏压隧道的进洞施工研究方面，黄成林[2]采用数值模拟研究了洞口破碎岩体在不同施工工法下的围岩变形和支护受力，并对不同工法的优缺点进行对比分析。祁宏柱以龚家湾隧道为研究背景，采用数值模拟的方法研究偏压隧道各个开挖阶段、开挖顺序时的围岩及支护结构变形情况，得到了最优工法。张向东[3]研究了浅埋破碎围岩隧道的超前加固措施，发现管棚的效果较好，能很大程度上降低塌方的概率，但鉴于该措施的成本和施工复杂程度，应根据实际工程特点进行选用。赵永国[4]等对秦岭某浅埋偏压隧道开展仿真研究，给出了符合隧道设计规范和围岩稳定性要求的施工方案。

隧道洞口段施工目前山岭隧道常采用新奥法开挖。对浅埋偏压隧道而言，为确保施工安全，常将开挖断面分割成若干个小部分单独开挖、快速封闭成环，以此为理念的CD法、CRD法、双侧壁导坑法等工法根据开挖断面和围岩条件灵活选用，并且使用效果较好，但这类工法最大的问题在于施工速度慢、成本高、工法转换复杂[5]。此外，鉴于洞口段的不良条件，一般需配合采用各种工程措施来提前加固岩体。这些措施主要包括两类：一类是掌子面预加固，包括管棚、水平旋喷法、超前小导管、超前锚杆等；另一类是地表预加固措施，包括地表锚杆、地面注浆、填土反压、挡墙等[6-9]。监控量测也是隧道进洞施工中必不可少的工程措施，通过监控数据反映围岩和支护结构的变形情况，以便及时指导施工[10]。

从现阶段浅埋偏压隧道进洞施工可知，为确保安全，一般进洞方案都较保守，在围岩超前加固措施方面，从控制成本的角度一般都是适时选用。但针对某些工期较紧的特殊情况，现有的方案和理念不能满足实际需求，需进行进洞施工的优化。本文以粤东山区大潮高速公路某偏压隧道为背景，研究洞口段的偏压处治及进洞方案优化调整，并结合实际施工效果对优化后的方案进行评价。

1 工程概况

粤东山区的大潮高速公路双向四车道梅岭隧道，建筑限界11.0m，开挖跨度13.0m。隧道穿过丘陵地貌区，降水较多，地形起伏大，地面标高43～204m。隧道最大埋深约110m，隧道右线进口K13+843～870段洞身存在地形偏压，最小覆盖层约1.5m(图1)。根据地质勘察资料，洞口边仰坡主要由坡残积粉质粘土及全～强风化岩组成，自然坡度约38°～52°，局部有微型崩塌或水土流失形成的陡坎或冲沟。钻探资料揭示，地层主要为碎块状强风化岩层，分布厚度大，节理裂隙极发育，岩体破碎。从上至下依次为：

图1 洞口段右线地形偏压

(1)粉质粘土(Qdl)，稍湿，可塑，土质不均，粘性一般，夹少量碎石，厚度1.0～3.1m。

(2)碎石土(Qdl)，稍湿，稍密，颗粒级配不均，呈棱角状，粒径3～7cm，最大约10cm,含量约为70%，由粉质粘土充填，零星分布，厚度为1.2m。

(3)强风化夹中风化变质砂岩(J3dl)，岩石风化不均，岩芯多呈碎块状，部分呈短柱状，裂隙极发育，隙面普遍锈染，软硬不均，零星分布，厚度3.4～40.3m。

(4)强风化变质砂岩(J3dl)，变余结构，块状构造，岩芯破碎多呈碎块状、短柱状，块径2～5cm 不等，节理裂隙极发育，裂隙面锈染，岩石风化不均，局部偏中风化，全场地分布，厚度2.0～58.5m。

为控制围岩变形，确保施工安全，原设计隧道偏压段进洞方案为双侧壁导坑法，进洞40m后转为台阶法施工。

2 洞口段偏压处治及进洞方案优化

双侧壁导坑法在控制围岩变形方面有较大优势，该工法将开挖断面分成多块，每个分块可在开挖后迅速各自封闭成环，施工过程中围岩变形几乎不发展。相关文献表明，该工法所引起的地表沉陷约为台阶法的一半，施工安全度高，但双侧壁导坑法最大的缺陷在于施工流程复杂、速度慢、成本高。此外，采用双侧壁导坑法进洞，在后续掘进中的工法转换也将耗费较多时间，于工期不利[5]。

依托项目工期较紧，采用双侧壁导坑法不能满足通车条件，考虑到与后续工法的连续性，拟调整为短台阶预留核心土法进洞施工。粤东山区降水较多，为避免洞口段破碎岩体在雨水渗透劣化和浅埋偏压双重不利条件下的影响，进洞前在保留原40m长管棚的基础上，对偏压侧围岩采用“地表小导管注浆+混凝土反压护拱”的方案进行加固，见表1和图2所示。

表1 偏压处治措施

图2 洞口偏压段处治加固

3 优化效果分析

洞口偏压段围岩按上节中的方案加固后，采用短台阶预留核心土开挖法进洞施工，单次进尺控制在0.5～1.0m。结合监控量测及二次衬砌结构安全评价，进行偏压处治效果分析。

3.1 监控量测结果

图3～图5为进洞施工后的地表沉降、拱顶沉降及洞内周边收敛观测情况。由图3～图5可知，偏压段围岩地表注浆加固及护拱反压后，配合短台阶预留核心土法开挖，围岩变形情况总体较好，地表最大沉降约45mm，沉降速率趋缓后维持在0.8mm/d。因埋深较小，拱顶沉降与地表沉降值较接近，最大值约为45mm。周边收敛情况峰值约为16mm，稳定后变形速率为0.3mm/d。

图3 地表沉降观测曲线

图4 拱顶沉降观测曲线

图5 周边收敛观测曲线

监控量测数据在进洞施工一周左右出现增加的趋势，主要是由于下台阶开挖所导致，仰拱闭合成环后，变形值基本趋于稳定。监控数据反映的围岩变形趋势表明，处治措施有效地确保了浅埋偏压隧道快速进洞施工的安全。

3.2 裂缝出现及发展情况

洞口偏压段采用优化后的方案进洞，施工情况总体较好，监控量测数据也较为平稳。但进洞30m后，在初期支护及管棚导向墙位置出现轻微裂缝，裂缝宽度约0.1mm，深度2cm。洞内裂缝出现后，立即组织工程技术人员在隧道地表位置进行巡查，未发现地表裂缝，表明地表注浆起到了较好的加固效果，裂缝并未贯通至地表。同时，在洞内加强裂缝发展情况的监测，半个月时间内裂缝宽度、深度基本稳定，也无新的裂缝增加，初步推测非贯穿的结构性裂缝，总体不影响隧道安全，但从设计规范的角度，仍需进一步进行结构验算。

3.3 结构安全性验算

按照《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1-2018)规定，采用荷载-结构法进行二衬结构安全验算，通过规范给出的方法确定浅埋偏压围岩荷载，并结合有限元软件Midas进行计算。

图6为规范[11]给出的浅埋偏压隧道围岩压力计算示意图。根据规范进行计算，依托工程中深浅埋分界高度为33m，洞口偏压段K13+843～870范围内，埋深19.4m的K13+870断面为最不利条件，衬砌类型按浅埋验算，并按照式(1)至式(8)计算围岩压力。

图6 浅埋偏压隧道围岩压力计算

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ei=γhiλ

(7)

(8)

式中：h、h′分别为内外侧拱顶水平面至地面的高度，γ为隧道上覆围岩重度，B为开挖跨度，λ和λ′分别为内外侧的压力系数，β和β′分别为内外侧产生最大推力时的破裂角，φc为计算摩擦角，α为地面坡角，θ为顶板岩土柱两侧的摩擦角。

根据上述计算的围岩荷载分布，本文假定50%的荷载由二次衬砌承担，并采用Midas进行建模，由平面梁单元模拟二次衬砌结构，由地基弹簧模拟地基土及侧墙浆砌片石等抗力作用，衬砌厚度为50cm。本文依托项目隧道洞口段围岩主要以粉砂岩及其风化层组成，由于在通用计算的过程中均将围岩考虑为均质同性岩体，通过对比实际工点的围岩情况和规范提供的有关参数，本次计算的各级围岩物理力学指标及钢筋、混凝土参数情况见表2～表4。

表2 围岩物理力学参数

表3 混凝土物理力学参数

表4 钢筋物理力学参数

图7至图10为依托工程洞口浅埋偏压段最不利开挖断面K13+870处二衬结构的计算截面编号、位移变形、剪力、轴力及弯矩分布情况。表5为根据Midas计算结果确定的结构安全系数。根据现场观测，裂缝位置为拱顶右侧，截面编号为42、43、44，裂缝宽度约0.1mm。规范[11]要求，在“永久荷载”或“永久荷载+基本可变荷载”条件下，钢筋混凝土衬砌按“钢筋达极限强度或砼达抗压、抗剪极限轻度”或“砼达抗拉极限”时的最低安全系数要求分别为2.0和2.4。由表5可知，裂缝位置在施工二次衬砌后可满足结构安全。除了该位置外，拱顶、拱腰、两侧拱脚的最小安全系数均大于4，满足结构安全的要求。