西峡隧道安全工程稳定性研究

李 慧 刘文涛

（北京信息科技大学，北京 102200）

中国西部地区山岭环绕，复杂的地质条件和环境对隧道工程建设设计人员来说是一项挑战。根据工业工程专业领域中安全工程的专业知识，结合目前大数据时代数值模拟的围岩稳定性分析方法，同时根据施工过程中得到的监控测量数据对西峡隧道洞口段围岩稳定性研究进行深入分析。

1 西峡隧道工程地质条件

隧道起点位于双龙镇南侧的柳树沟口附近，终点在刘庄西设双喇叭型立交与沪陕高速连接。隧道进洞段属于中低山丘陵地貌，地势的起伏比较小，隧道的小里程端比较高，大里程比较低，坡面的植被很茂盛。根据区域地质资料，经过地调复核及1∶2000工程地质调绘，隧道出口离断层较近，对隧道稳定性有一定影响，故隧址区为区域地质基本稳定区。地面标高为305.1m～378.8m，相对高差约73.7m。西峡隧道进洞段地形均为比较缓，坡角约为15°～25°，出洞段地形较陡，坡角约25°～30°。左线最大埋深74.602m，右线最大埋深78.013m。隧道净宽为10.25m，净高为5.0m。

2 隧道进洞段围岩变形特征

该隧道左线西峡端洞口（桩号：ZK137+729）围岩特征为全风化至强风化石英片岩，节理裂隙发育，碎石状，层间结合差，稳定性极差，为Ⅴ级围岩。

隧道右线双龙端洞口（桩号：K137+101）围岩特征为全风化至强风化石英片岩，节理裂隙发育，碎石状，层间结合差，稳定性极差，定为Ⅴ级围岩。

隧道右线西峡端洞口（桩号：K137+689）围岩特征为全风化至强风化石英片岩，节理裂隙发育，碎石状，层间结合差，稳定性极差，为Ⅴ级围岩。

根据《中国地震动参数区划图》（GB202003-2015），抗震设防烈度为7度，鉴于项目特点，建议隧道抗震设计适当提高设防标准及必要的抗震措施，地震作用应按本地区抗震设防等级确定。

在隧道区内主要出现的不良地质现象主要为山体大里程侧岩体破碎带。根据现场调查，在隧道大里程K138+200 处存在断层构造，受断层地质作用影响，出口端岩体破碎，对隧道的稳定性存在不良影响。

3 隧道安全工程加固

3.1 隧道安全工程加固措施选择

西峡地区高速隧道进洞段埋深浅，围岩状态比较破碎，易风化。应选择适合其工程地质条件的加固方案对其进行加固。基于对公路隧道工程的常用围岩加固措施的分析，位于双西高速的隧道进洞口的围岩支护方法是进行管棚支护加固。超前大管棚支护长度为洞口端30m范围，管棚施工工艺流程（图1）：首先，在进行施工前准备物料，提前进行测量放样。管棚的钻孔工作要在隧道洞口的护拱混凝土的强度达到可以施加管棚支护加固的要求后进行。隧道洞口的开挖面边线与管棚的中心位置的距离约为40cm，管棚钢管是热轧无缝钢管，钢管的外径为108mm，钢管壁厚度为6mm，长度有3m和6m两种。环向上，钢管之间的距离设置为0.4m，钢管的仰角为1°～2°（不包括线路纵坡），钢管仰角方向与隧道线路的中线平行，安插钢管的施工误差径向控制小于20cm。在隧道的纵方向上，同一断面内的管棚接头数要小于1/2，相邻的钢导管之间的接头要互相错开至少1m。钢管接头是丝扣相连接的，丝扣的长度为15cm。相邻的钻孔如果相连，会造成坍塌，所以成孔质量是需要严格控制的，钻孔工作应该奇数孔和偶数孔间隔进行。先钻奇数孔，后钻偶数孔，成孔直径为127mm，这个成孔尺寸有利于安装φ108×6mm的钢导管。奇数孔成孔后应该及时安装有孔的钢导管，向钢导管孔内注入水泥浆。偶数孔钻成后立即安装无孔的钢花管，控制偶数孔的形状，防止塌孔。隧道管棚加固施工过程中，无论是奇数孔还是偶数孔，每钻完一个孔就要立即用无孔钢管支撑。钻一孔、注一孔，浆液扩散半径不小于0.5m，注浆压力为0.5MPa～1.0MPa。注浆的同时要实时监测地表发生的位移变化，一旦地表变形量过大要分析原因，然后采取针对性的控制措施。

图1 隧道左线进洞段管棚施工工艺流程图

3.2 隧道左线进洞段施工注意事项

洞口管棚加固施工前注意检查管棚钻机和注浆机的性能，钻机位置与钻孔口的距离不能大于4 m。

注浆前要先检查注浆设备的注浆效果。管棚注浆的原则为“从上往下、跳孔注浆”。注浆浆液按水灰比为1∶1制作水泥浆。钻一孔、注一孔，浆液扩散半径不小于0.5m，注浆压力为0.5MPa～1.0MPa。注浆的同时要实时监测地表发生的位移变化，一旦地表变形量过大要分析原因，然后采取针对性的控制措施，如停止注浆，限制注浆压力与泵量，或调整水泥浆液的混合比例等。

严格掌握注浆结束的标准：达到设计要求的注浆量或注浆压力达到2 MPa，注浆时间大于10 min。

隧道开挖后，对掌子面进行加固也是非常必要的。喷射混凝土就能很好地起到保护掌子面不被风化的作用，加固隧道围岩的整体稳定性。

4 隧道安全工程数值模拟与施工监测数据分析

4.1 隧道安全工程有限元数值模拟

有限单元法是将复杂的工程问题拆分为一个又一个的单元体分析实际工程中的受力问题，模拟现实中岩土体的实际情况。

高速公路隧道工程比较常用的数值模拟软件有MIDAS、FLAC 3D以及ABAQUS等，每种类型的有限元软件都有其优点及缺点，适用范围不同，不同的隧道工程项目选用合适的软件，该文采用的就是ABAQUS有限元数值模拟软件对西峡隧道进洞段围岩加固情况进行模拟分析。计算参数如下。根据现场Ⅴ级围岩的标准，开挖初期衬砌采用C30模筑防水混凝土，厚度为60cm。隧道上表面距离地表的距离为20m，隧道模型的边界尺寸取隧道半径为6m。这里取长60m，宽60m的正方形二维模型。根据工地勘察数据，寨子沟隧道左线双龙段洞口围岩为全风化至强风化石英片岩，节理裂隙发育，碎石状，层间结合差，稳定性极差，围岩等级为Ⅴ级，弹性模量为200MPa，泊松比为0.2。在数值模拟过程中，采用以下材料参数，得到位移矢量图（图2），隧道在进行开挖施工前的状态是受重力并处于相对平衡的状态，由于开挖施工打破了这一平衡状态，因此会引起隧道的变形，变形到隧道达到新的平衡状态。在进行模拟隧道开挖前，先进行地层的地应力平衡计算。首先计算模型仅在自重荷载作用下的围岩应力，并将围岩应力加入模型，作为初始应力，再按照施工工序进行隧道开挖。

计算参数如下。根据现场Ⅴ级围岩的标准，开挖初期衬砌采用C30模筑防水混凝土，厚度为60cm。在数值模拟过程中，采用以下材料参数，见表1。

表1 材料参数表

由图2分析可得，观察隧道的上方部位水平方向上的位移为0，而越接近隧道的两侧，水平方向上的位移就越大，达到隧道的峰值后，水平方向上的位移越来越小。隧道顶部的竖直方向上的位移（沉降量）是最大的，越向隧道的两边，竖直方向上的位移（沉降量）越小。隧道上方发生沉降，隧道底部回弹。这是因为隧道土体的变形引起掌子面底部的部分土体受到拉应力的作用，位于隧道中间部分的土体则会受到围岩的压应力作用。

图2 总位移矢量图

4.2 隧道安全工程施工监测布置

对西峡地区双西高速的隧道有左线和右线2条线路，4个洞口，分别是左线双龙端洞口（桩号：ZK137+092）；左线西峡端洞口（桩号：ZK137+729）；右线双龙端洞口（桩号：K137+101）；右线西峡端洞口（桩号：ZK137+689）对寨子沟隧道进洞段的拱顶沉降及围岩变形特征的进行监测。监测由点到线再到面展开，寨子沟隧道左线全长637m，起始桩号为双龙端的ZK137+092，终止桩号为西峡端的ZK137+729，隧道右线全长588 m，起始桩号为双龙端的K137+101，终止桩号为西峡端的K137+689，每隔1m有一桩，每个桩号所在的横截面为1个监测面，每个监测面上都有拱顶沉降监测和2条测线监测围岩的变形程度。拱顶沉降的监测点贴反光片，使用全站仪观测监测点的高程，读取高程差。测线上观察测线2点之间的距离，判断围岩的变形程度。其中选取左线西峡端洞口的具体监测数据进行详细分析。

4.3 隧道安全工程施工监测结果分析

从图3中可知，前一个星期的A测线累计位移值由10月31日2 mm左右变化到11月6日的10 mm左右，累计位移值变化很大，11月中旬后周边收敛位移值的变化不再那么剧烈，到一月两个月的时间累计位移值的变化量为5 mm左右。从A测线周边位移这条曲线中可以看出曲线的斜率在变小，这个曲线斜率代表隧道周边位移的变化速率，说明周边位移的变化是放缓的。

图3 隧道左线ZK137+729断面A测线周边位移时态曲线图

从图4中可以看出，隧道左线ZK137+729断面的B测线累计位移值从12月开始测量，前七天的累计位移值变化非常明显，新布的测点刚开始变化量会比较大。12月11日后周边收敛位移值的变化就不再那么剧烈，位移值变化在1 mm左右，从B测线周边位移这条曲线中可以看出曲线的斜率在变小，这个曲线斜率代表隧道周边位移的变化速率，说明周边位移的变化是放缓的，而且在后来的周边位移的监控量测中位移变化曲线的斜率趋于零，相对稳定。

图4 左线ZK137+729断面B测线周边位移时态曲线图

5 结论

该文以西峡隧道进洞段的实地地质概况为工程背景，采用ABAQUS有限元分析模拟软件进行建模，对隧道进洞段的开挖进程和围岩支护措施进行数值模拟分析，给出隧道进洞段围岩支护的合适方案。

详细介绍了隧道左线进洞段管棚施工工艺流程及施工注意事项。简述隧道安全工程施工监测布置方案，对监测得到的结果进行位移时态分析。

对隧道施工现场进行监控量测实现现代数字化信息化施工，为开挖方法的选择提供数据支持，保障现场施工安全，防止不良事故的发生，可以节约工程投资。