席亚滨

中铁十二局集团股份有限公司

摘 要： 后安山隧道进口段长约900 m均为残坡积的粉质黏土和粗角砾土，下伏砂岩、砂质泥岩，全-强风化呈硬土状及半岩半土状，该类岩土具有中-强膨胀性，遇水易软化坍塌。该段隧道受水浸泡后易造成掌子面坍塌、初支变形、开裂、剥落等问题。施工过程发生大变形，严重侵限。提出隧道暗洞开挖前在地表采用高压旋喷桩进行预加固处理，加大预留变形量，洞内隧道拱顶采用ϕ108 mm管棚结合ϕ42 mm小导管进行超前支护，洞内采用三台阶七步开挖工法等措施。通过数值计算对上述施工措施进行施工过程模拟，表明浅埋膨胀岩隧道掌子面开挖达到监测断面前，已发生总变形量的80%。经计算分析验证，提出的洞外预加固、洞内超前支护，可以有效控制隧道大变形。

关键词： 隧道施工;膨胀岩;浅埋;高压旋喷桩;数值分析;

1 概述

我国在膨胀岩土中修建了较多公路、铁路隧道、引水管道、煤矿巷道等，如襄渝线董家沟隧道、梅七线崔家沟隧道、七里沟隧道、大秦线西坪隧道、陇海线吴庄隧道等，上述隧道修建过程中都遇到过膨胀岩土施工难题。张万志等[1]应用FISH语言改进FLAC3D软件的非饱和渗流计算功能，同时等效模拟渗流过程中土体强度折减和膨胀力增加的力学特性，提出降雨入渗下膨胀性黄土隧道围岩大变形破坏数值演化分析方法。曾仲毅等[2]针对小河沟膨胀性黄土铁路隧道浅埋段大管棚施工工艺，分析了大管棚受力状态和对围岩的加固效果。试验分析表明，管棚有效抑制了掌子面前方软弱围岩的塑性流动，增加了围岩稳定性。刘建国等[3]通过呈贡铁路隧道现场测试，掌握了高烈度地震区浅埋大跨强膨胀土围岩条件下隧道开挖后洞周变形规律，并根据变形监测分析进行了施工组织优化，达到了控制变形的目的。崔蓬勃等[4]为分析膨胀岩对隧道工程造成的影响程度，综合分析膨胀岩细观机理和宏观膨胀性，确定膨胀发生的主客观因素，通过对膨胀岩试验结果的归纳，提出一种膨胀岩综合分级标准。何毅等[5]通过全面分析膨胀性隧道围岩在振动力作用下的变化规律，采用隧道围岩夯实注浆加固技术改善隧道围岩的三向应力状态并大大提高围岩的承载能力。杨秀竹等[6]通过数值方法计算分析验证了隧道上覆土层采用旋喷桩加固后，可以有效控制围岩变形。本文在上述研究基础上，结合后安山膨胀岩隧道变形过大问题，从工程实际出发，提出地表采用高压旋喷桩预加固、洞内大管棚超前支护，并通过数值计算分析，验证了措施的可行性。

2 工程背景

后安山隧道是吉图珲客运专线中线路最长隧道，该隧道地质复杂，气候环境恶劣，大部分穿越膨胀岩地层。隧道位于吉林图们东嘎呀河东岸，毗邻中朝边境，为双线隧道，起讫里程GDK306+029～GDK312+580,全长6 551 m。隧道进口段长约900 m均为残坡积的粉质黏土和粗角砾土，下伏砂岩、砂质泥岩，全-强风化呈硬土状及半岩半土状，该类岩土具有中-强膨胀性，并遇水易软化坍塌，埋深7～39 m, 围岩级别为V级。该段隧道受水浸泡后围岩工程性质急剧恶化，易造成掌子面坍塌、初支变形、开裂、剥落等问题。

2013年5月17日，施工至GDK306+346.5,掌子面揭示围岩为：黄褐色、灰黑色全风化泥岩、砂质泥岩，受地下水入渗影响，呈软塑状黏性土及饱和砂土状，掌子面开挖坍塌不断，已完成的初支多处开裂并出现较大变形，仅5月18日一天沉降量就达33 cm, 至6月3日，累计沉降达125.3 cm, 拱脚累计收敛38 cm。洞内变形情况见图1。

图1 洞内初期支护变形情况 *载下**原图

经建设单位、设计单位、监理单位、施工单位对现场进行了察看，对出现的问题进行了分析研究，为保证施工安全与质量，确定对本段进行变更设计，变更原因为工程地质条件恶性变化，造成初支多处开裂并出现较大变形。主要采用如下技术措施控制隧道变形：埋深小于20 m地段，预留变形量调整至60 cm, 隧道暗洞开挖前在地表采用高压旋喷桩进行预加固处理。

(1)隧道暗洞开挖前在地表采用高压旋喷桩进行预加固处理，见图2。

图2 地表旋喷加固补强示意 *载下**原图

①隧道边墙开挖线外左右侧各设置2排ϕ60 cm高压旋喷桩，间距40 cm×40 cm, 桩底至隧道仰拱开挖底面，重点对初支拱脚部位进行加固。

②隧道边墙开挖线以内范围设置ϕ60 cm高压旋喷桩进行加固，间距80 cm×80 cm, 梅花型布置，旋喷加固范围为拱顶6 m以上至上台阶底部。

③旋喷桩施工采用单重管法；浆液材料采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为1～1.5。

(2) 隧道拱部设置ϕ89管棚进行超前支护，每次循环长10 m, 搭接不小于3 m, 环向间距40 cm。

(3) 将原设计I22a型钢钢架调整为I25b型钢钢架，钢架间距维持原设计50 cm/榀，初喷混凝土厚度由28 cm调整至32 cm。

(4) 拱脚上40 cm处，设置I16型钢进行纵向连结以增强拱脚处纵向连接强度。

(5) 初支完毕后及时进行初支背后充填注浆，浆液采用1∶1水泥浆。

(6) 二次衬砌采用原设计Vc衬砌，拱墙厚度55 cm, 仰拱厚度65 cm, 采用C40混凝土。

3 数值计算

通过数值计算方法，对上述加固补强后隧道变形情况进行分析，验证加固措施可行性。本次数值模拟将GDK306+425～GDK306+721不良地质段隧道作为研究对象，隧道断面为马蹄形。

3.1计算模型

考虑模型的边界效应，在选取模型边界时，隧道左右边界和下边界一般取隧道边线加3～5倍开挖洞径，模型上边界一般取地表面。模型尺寸为100 m×80 m×50 m, 模型单元为八节点六面体单元，共计58 100个单元体，包含62 322个网格节点，见图3。计算模型的边界条件为4个侧面及1个底面方向位移约束，顶面为自由面，见图4。侧压力系数取0.5。土体采用8节点六面体实体单元模拟，土体结构计算采用莫尔-库伦模型。超前小导管和管棚预支护结构采用桩单元模拟，见图5(a)和图5(b)。大管棚注浆加固作用通过加强围岩参数的方法用实体单元模拟，采用莫尔-库伦模型，加固范围为2 m。喷射混凝土和型钢支护采用等效壳单元模拟，见图5(c)。在数值计算中旋喷桩采用实体单元等效，见图5(d)。

图3 隧道网格 *载下**原图

图4 边界条件 *载下**原图

图5 各种支护计算模型 *载下**原图

3.2隧道施工过程

模拟隧道施工拱顶沉降规律，验证施工的合理性。隧道开挖进尺1 m, 模型长度50 m, 共开挖50次。每进行一个开挖进尺，施工2次型钢支护和1次喷射混凝土支护。为消除边界效应，仅提取15 m～27 m段计算结果进行分析，见图6。

3.3计算参数

研究区域为膨胀性围岩，围岩物理力学参数见表1。隧道开挖前地表旋喷桩采用实体单元等效模拟，等效后的参数见表2。

管棚外径108 mm, 壁厚6 mm, 其密度采用等效方法获取。管棚弹性模量采用抗弯刚度等效的方法换算得到，计算见式(1):

EI = E 1 I 1+ E 2 I 2 (1)

图6 隧道施工过程数值模拟计算流程 *载下**原图

表1 围岩物理力学参数 导出到EXCEL

表2 地表旋喷桩加固参数 导出到EXCEL

式中： E 为等效后管棚弹性模量； E 1为钢管弹性模量； E 2为混凝土弹性模量； I 为等效后管棚抗弯惯性矩； I 1为原设计钢管抗弯惯性矩； I 2为原设计混凝土抗弯惯性矩。等效后管棚的计算参数见表3。

表3 管棚参数 导出到EXCEL

壳单元弹性模量采用抗压刚度等效的方法换算得到，计算见式(2):

EA = E 1 A 1+ E 2 A 2 (2)

式中： E 为等效后壳单元弹性模量； E 1为型钢弹性模量； E 2为混凝土弹性模量； A 为等效后壳单元横截面积； A 1为原设计型钢横截面积； A 2为原设计混凝土横截面积。等效后壳单元计算参数见表4。

表4 壳单元参数 导出到EXCEL

4 结果分析

4.1沉降变形分析

隧道在不采取任何支护措施条件下，围岩自身不能承受因开挖卸荷引起的应力释放荷载，隧道将产生较大变形。因此，采用超前小导管预支护措施及注浆加固，提高隧洞开挖期间的自稳能力，隧道开挖后采取挂网喷混凝土和型钢支护等措施保证隧道的稳定。

采集拱顶沉降、洞周收敛，监测点见图7。变更支护方案后，经计算分析，隧道位移云图见图8。由图8可以看出，累计沉降55.5 mm, 隆起65.8 mm, 侧墙收敛值73.6 mm。喷射混凝土支护结构表面位移在26.7 mm之内。根据《铁路隧洞设计规范》(TB 10204-2002),喷层表面起伏差控制在0.15 m之内，隧道围岩和喷射混凝土变形均满足收敛变形要求。

图7 拱顶与侧墙观测点示意 *载下**原图

4.2支护结构受力分析

(1)施工支护完成后，小导管内力见图9。

由图9可以看出，小导管最大轴力24.6 kN,最大剪力244.5 N,最大弯矩150.1 kN·m。喷射混凝土后，最大弯矩42.5 kN·m。

(2)管棚轴力、剪力和弯矩见图10。

由图10可以看出，管棚最大轴力156 kN,最大剪力15 kN,最大弯矩8.7 kN·m。

图8 隧道位移云图 *载下**原图

图9 小导管内力 *载下**原图

由图10可以看出，隧道开挖后围岩释放荷载一部分由管棚承担并传递给掌子面前方土体，控制了隧道掌子面前方塑性区的发展，保证了掌子面稳定性。

4.3变形过程分析

隧道开挖至20 m、22 m、24 m、26 m时沿隧道轴线方向的隧道拱顶沉降曲线，见图11。曲线上的竖线表示掌子面位置。掌子面开挖至监测断面时，已发生约40 mm拱顶沉降变形，达到总变形量的近80%。及时支护可有效约束变形发展，最终变形为55.5 mm。通过数值计算分析，预留变形量为60 mm, 按上述措施施工，能够满足变形控制要求。

图10 管棚内力 *载下**原图

图11 不同开挖进度对应隧道沉降曲线 *载下**原图

5 结语

(1)后安山隧道进口段地层具有中-强膨胀性，并遇水易软化坍塌。为有效解决浅埋膨胀岩隧道施工混凝土衬砌开裂，型钢、坍塌和大变形侵限问题，推荐隧道暗洞开挖前在地表采用高压旋喷桩进行预加固处理，洞内隧道拱部采用ϕ108 mm管棚结合ϕ42 mm小导管进行超前支护，加大预留变形量，洞内采用三台阶七步开挖工法等措施。

(2)通过数值计算分析，采用推荐的变更支护方案后，相关变形均满足收敛变形要求，并且保证了掌子面稳定性，可以有效控制隧道大变形。

(3)通过数值计算对上述施工措施进行施工过程模拟，表面浅埋膨胀岩隧道掌子面开挖达到监测断面前，已发生总变形量的80%,及时支护可有效约束变形发展，推荐拱顶预留变形量为60 mm。

参考文献

[1] 张万志，徐帮树，曾仲毅，田斌华，石伟航.降雨入渗下膨胀性黄土隧道围岩破坏演化[J].东南大学学报：自然科学版，2018,48(4):736-744.

[2] 曾仲毅，春军伟.浅埋偏压膨胀土隧道大管棚预加固效果分析[J].交通科技，2015,(1):107-110.

[3] 刘建国，王春明，薛宁鸿，白伟伟.强膨胀岩浅埋富水隧道变形分析及施工控制[J].高速铁路技术，2018,(9).

[4] 崔蓬勃，朱永全，高焱，白洋.铁路膨胀岩隧道支护结构稳定性与注浆范围分析[J].铁道标准设计2017,61(10):118-124.

[5] 何毅，李本奎，郑俊伟，刘晓强，等.某膨胀性软岩隧道围岩注浆加固规律研究[J].现代矿业，2016,32(10):42-44.

[6] 杨秀竹，黄建陵，赵建群，雷金山，成多智.旋喷桩在偏压隧道围岩加固中的数值分析及应用[J].铁道科学与工程学报，2011,8(1):73-76.

声明： 我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。