南寨隧道进口端左洞偏压支护技术应用

鄂盛中

(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

南寨隧道是广东云茂高速公路的一条分离式长隧道，左线隧道起迄里程ZK39+534～ZK41+068，长1 534m，线路地形起伏大，地面标高138.0～342.5m，最大相对高差约204.5m。受当地自然环境因素和人为施工因素的影响，隧道进口端左洞出现偏压现象[1]。

针对隧道偏压这一问题，专家学者已经开展并得出了不少研究成果。文献[2]提到以回头沟隧道工程为例，对回填法、削坡法、地表注浆法等偏压隧道地表处理措施进行数值模拟，分析不同地表处理措施对隧道偏压产生的影响。采用注浆法注浆后，拱顶及左、右拱肩的竖直位移均比注浆前降低90%以上，但注浆区域水泥-水玻璃浆液使围岩密度增大,引发了应力场的重新分布。文献[3]建立考虑实际地形状况的隧道三维计算模型，分别采用台阶法和分步开挖法，以不同施工顺序对隧道施工过程进行数值模拟，经对比分析，确定隧道的合理施工方法。上述两种方法都在一定程度上缓解了隧道的偏压问题，但尚未考虑偏压类型及其特征。

为了确保南寨隧道建设期及运营期的使用安全，在以往研究成果的基础上，设计南寨隧道进口端左洞偏压处理方案。在含水状态下构建隧道岩石蠕变模型，利用所构建的模型分析南寨隧道进口端左洞偏压情况，提取偏压特征，利用三台阶七步流水作业法，根据偏压情况沿隧道纵向对各部位进行开挖并设置支护措施。

1 南寨隧道进口端左洞偏压支护策略

1.1 构建含水状态下的隧道岩石蠕变模型

利用开尔文模型[4]来描述岩石碎裂偏移等蠕变特性。水对岩石有物理作用、化学作用以及力学作用，相关文献显示，每级荷载完成的瞬间，随着含水率的增大，隧道岩石的瞬时弹性应变逐渐增大，而瞬时弹性模量随饱和度的变化而波动。根据自然风干下、不完全饱和下以及饱和下的岩石蠕变拟合参数可知，瞬时弹性模量随着荷载的增大而减小，其中，瞬时弹性模量用E1表示，粘性模量用E2表示。根据隧道岩石参数粘性模量与饱和度的关系可知，粘性模量随饱和度的增大而减小，呈负指数关系，同时随着饱和度的增大衰减速率不断减小，也就是粘性模量的值在降低。粘滞系数可通过φ1来表示。由于水对岩石有破坏性作用和润滑作用，因此饱和度较大的岩石在相同的应力水平下，其蠕变速率较高，而蠕变粘滞系数较低。与粘性模量和饱和度的关系近似，饱和度越大则粘滞系数的值就越小，衰减速率随着饱和度的增大而下降[5-6]。根据含水状态变化对隧道岩石的蠕变影响，确定含水率变量及其演化方程。将岩石的变形看成弹性变形和蠕变变形的总和，同时考虑岩石损伤对变形的影响，将其分为瞬间弹性损伤和长期损伤。瞬间弹性损伤的计算表达式为：

(1)

式中：D(Br)表示损伤变量；Br表示岩层径向饱和度；E1(0)、E1(Br)分别表示干燥状态下、任意饱和度下岩石的瞬间弹性模量。同理，长期蠕变损伤方程和粘滞系数的损伤演化方程为：

(2)

根据上述计算结果，构建含水状态下的隧道岩石蠕变模型：

式中：t表示时间；σ0表示应变张量[7]。

通过上述分析与计算过程，利用所构建的含水状态下的隧道岩石蠕变模型，能够计算得出隧道进口端左洞出现的偏压类型。分析南寨隧道进口端左洞偏压的情况，根据偏压情况沿隧道纵向对各部位进行开挖并设置支护措施。

1.2 鉴别左洞偏压类型提取偏压特征

利用上述构建的蠕变模型，进行左洞偏压数据分析，根据分析结果鉴别左洞偏压类型，并提取偏压特征。根据《公路工程施工安全技术规程》(JTG F90-2015)和《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80-1-2017)，隧道双洞间的最小净距共有5个级别。当隧道围岩级别分别为I级、II级、III级、IV级以及V级时，要求双洞最小净距分别为1.0B、1.5B、2.0B、2.5B和3.5B[8]。根据隧道岩石蠕变模型可知，当隧道进口端左洞出现偏压时，是地质构造不稳导致的偏压，则围岩各个岩层之间的粘结效果较弱，处于层状构造状态，且有一定的倾角。此时的隧道左洞如果处于该位置，则会出现岩层松动或割裂的现象，使进口端左洞发生偏压效应。同时左洞偏压是由于施工原因引起的偏压现象，此时的围岩初始状态被扰动，不稳定的岩层结构承受局部集中应力，致使进口端左洞发生严重的偏压。根据上述分析结果，结合式(3)的计算方程，计算围岩的初始应力状态：

σ=σr+σ1

(4)

式中：σr表示构造径向应力分量；σ1表示自重应力分量。

面对偏压隧道的支护工程，初始应力场会发生变化，通过重新调整钢拱架获得全新的支护状态。因此根据式(4)，计算隧道围岩的应力状态：

式中：θ表示坑道周边的围岩偏移角度；k表示塑性参数；δ表示埋深系数；σt表示切向应力；εn表示剪应力。

根据上述计算结果，提取隧道进口端左洞的偏压特征。南寨隧道跨度较大，大断面与低扁平率十分突出。当公路隧道为两车道、三车道和四车道时，公路隧道的扁平率分别为0.8H/B、0.65H/B以及0.5H/B。而根据南寨隧道的施工情况可知，中夹岩是施工中的重要部位，直接影响整个隧洞开挖工程的施工进度。从应力角度出发，可知围岩应力分布与隧道断面结构之间具有强相关性,与隧道断面大小之间具有弱相关性。当断面跨度越大时，则偏压影响下左洞的稳定性就会降低，隧道洞口段普遍存在围岩风化、破碎等问题。根据成拱效应原理可知，隧洞拱顶距离地表较近时，偏压效应导致支护结构受力不均匀，严重时会发生洞口塌落、冒顶、滑坡等事故[9]。

1.3 制定进口端左洞偏压支护策略

根据隧道偏压特征提取结果，制定进口端左洞偏压支护策略，采用三台阶七步流水作业法，开挖存在偏压问题的施工段。该过程以弧形导坑作为预留核心土开挖的基本模式，从上、中、下三个台阶和七个部分进行挖掘，同时采用错开、平行掘进的方法，沿隧道纵向对各部位进行开挖与支护。进洞第一环设置φ108mm钢管长管棚超前支护，采用水泥浆液作为管棚注浆材料(添加水泥浆液体积5%的水玻璃，水泥浆水灰比为1:1，水玻璃浓度为35波美度)，在拱部120°处布置节点，然后将配置好的浆液按照“先下后上”、“跳孔注浆”、“由稀到浓”的原则进行注浆施工，此时的注浆压力需要被控制在0.5～1.0MPa之间。进洞后设置超前小导管的环向间距为40cm，纵向搭接2m。对ZK39+560段增加径向注浆小导管施工，将热轧无缝钢管加工处理。设置水泥浆水灰比为1:1，水泥浆水与水玻璃体积比为1:0.05，注意注浆压力不能超过1.0MPa[10]。图1为三台阶七步开挖施工工序的透视图。

图1 三台阶七步开挖施工工序

图1中各个序号代表工程涉及的7个步骤。进行左洞偏压支护处理时，要求第1步在上台阶环形导坑开挖，第2步、第3步分别在左侧和右侧中台阶开挖，第4步、第5步分别在左侧和右侧下台阶开挖，第6步则开挖上下台阶预留核心土，第7步开挖隧道底部。图2为加强保护后，左洞偏压处的支护断面示意图。

图2 左洞偏压处加强支护断面

按照图1中的顺序处理左洞偏压问题，注浆之前需要进行压水测试，同时检查机械设备是否可以正常运行，还要注意注浆压力及注浆泵排量的变化，确保注浆效果达到技术要求[11]。此外，要求隧道开挖长度小于小导管的注浆长度。初期采用I20a工字钢支护钢架焊牢支护，利用准备好的工具进行支护处理，至此实现对南寨隧道进口端左洞偏压处理方案的设计[12]。

2 支护策略应用的适宜性评价

2.1 支护策略方案应用

南寨隧道穿过构造剥蚀丘陵，云浮端洞门和茂名端洞门均采用端墙式，标高分别为164.7m和179.4m。隧道最大埋深约145m，坡度在-0.744%～2.200%之间。该工程的进口段起始里程分别为ZK39+540和K39+516，终止里程分别为ZK39+610和ZK39+566。围岩级别为全V级，隧道左线洞口偏压段衬砌类型为XS-Va级。存在偏压问题的隧道进口端左洞洞口处的地形地貌如图3所示。

图3 隧道进口端左洞洞口处地形地貌

根据如图3所示的地理位置信息和土地环境信息，应用南寨隧道施工工程的专项施工方案，对南寨隧道进口端左洞偏压处进行施工处理。然后进行三个阶段的实验测试，评价偏压处理支护策略应用的适宜性。

2.2 进口端左洞竖向位移监测

实验的第一阶段，对南寨隧道进口端左洞竖向位移情况进行监测分析，如图4所示。

图4 不同位置处的竖向位移监测结果

根据图4监测结果可知，在本文介绍的偏压处理支护策略应用下，南寨隧道进口端左洞左拱腰和右拱腰竖向位移变化值明显下降，说明提出的处理方案能够控制进口端左洞竖向位移。隧道进口端左洞竖向位移的平均值见表1。

根据表1的计算结果可知，在此次偏压处理支护策略的应用下，隧道进口端左洞偏压的竖向位移得到了控制。

表1 进口端左洞竖向位移(单位：mm)

2.3 进口端左洞偏压监测点围岩应力监测

实验的第二阶段，对南寨隧道进口端左洞偏压监测点的围岩应力进行监测，监测结果如图5所示。

图5 不同位置处的围岩应力监测结果

根据图5的监测结果可知，在35d的测试周期内采用本文介绍的处理方案后，进口端左洞处的围岩应力更大，表明其抗压能力更强。根据本文介绍的岩石蠕变模型公式，计算三个位置处的围岩平均应力值，比较方案应用下的处理前后的差距(表2)。

根据表2可知，左拱腰、右拱腰以及拱顶的围岩应力均得到较大的提升，表明该处理方案是有效的。

表2 围岩平均应力值对比(单位：kPa)

2.4 进口端左洞钢拱架应力监测

实验的第三阶段，对南寨隧道进口端左洞钢拱架应力进行监测，监测结果如图6所示。

图6 不同位置处的钢拱架应力监测结果

计算图6中不同位置处钢拱架应力的平均值，分析处理方案对钢拱架应力的应用效果，分析结果见表3。

表3 钢拱架应力平均值(单位：MPa)

根据表3的计算结果可知，应用本文介绍的处理方案后，钢拱架的应力得到了提高，对于进口端左洞起到了更好的支护作用。通过上述三组测试结果可知，南寨隧道进口端左洞偏压处理方案可以应用于隧洞偏压处理。

3 结语

针对南寨隧道设计的偏压支护策略，在充分了解施工技术的前提下，提出了对应的隧洞偏压处理方法。根据隧道的岩石蠕变模型鉴别南寨隧道左洞偏压的类型，采用三台阶七步开挖施工工序，制定进口端左洞偏压支护策略。实践表明，所设计的偏压支护策略能够提升进口端左洞处的围岩应力，减小进口端左洞竖向位移，为南寨隧道进口端左洞的施工及运营安全提供了技术支持。