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崩坡积体浅埋隧道大变形控制技术及效果分析

2024-10-14 13 上传者：管理员

摘要：初期支护大变形是崩坡积体隧道施工常遇的难题之一。文章依托广西某高速公路隧道工程，分析了崩坡积体隧道洞身浅埋段初期支护大变形的原因，提出针对性的控制措施，并采用数值计算和现场监控量测方法对其效果进行分析。结果表明：不良地质、施工不当及降雨入渗等因素是引起隧道初期支护大变形的主要原因；采取临时支撑、径向注浆、锁脚钢管桩等综合措施可有效控制隧道变形。

关键词：
崩坡
支护
施工
积体浅埋
隧道
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我国西部地区地质条件复杂，在隧道建设过程中，初期支护大变形问题时有发生，尤其是在隧道穿越软弱地层时较为普遍[1]。针对此类问题的产生原因及其控制措施，许多学者做了大量研究和总结。戴永浩等[2]在大梁隧道中研究隧道大变形机理，并采用加大预留变形量、拱顶超前注浆及增长拱脚长锚杆等措施，有效解决了软岩大变形控制问题。王志杰等[3]研究了隧道穿越第四系富水红砂岩地层的隧道变形特征，并采用反压回填、加密注浆及降水等措施成功处治了隧道大变形病害。苗景川等[4]分析了粉砂质泥岩浅埋偏压隧道洞口段大变形的原因，提出了超前管棚支护、小导管注浆等综合控制措施。由于地质的复杂及多样性，隧道大变形控制技术没有普适性的应用标准，对于特定工程需要进行针对性的研究。

本文对某崩坡积体隧道初期支护大变形的工程案例进行分析，旨在查明发生大变形的诱因，提出相应的变形控制措施并分析其有效性，以期为类似隧道工程设计和施工提供参考。

1、工程概况

某隧道位于广西来宾市忻城县境内，按设计时速为120 km的高速公路标准建设，设置为上下分离双向四车道，隧道左右洞平均长度为1 620 m,属长隧道。隧道左洞出口段位于巨厚崩坡积体及大型冲沟边缘，钻孔揭示崩坡体局部厚度>50.9 m。崩坡积体主要由第四系残坡积含碎石粉质黏土构成，崩坡积体下伏基岩为中风化灰岩。

2、初期支护大变形过程

2020-09-05,现场发现该隧道左洞洞身浅埋段ZK73+526处初期支护右侧拱腰位置出现一条约长2 m的环向裂缝，局部位置C25喷射混凝土发生剥落现象，该桩号处隧道埋深约为25 m。同时现场地表巡视发现隧道周边地表产生了地裂缝，地表露出为含碎石粉质黏土。对隧道断面净空进行监测，结果表明：ZK73+523～ZK73+532段落隧道初期支护沉降变形>150 mm,出现了不同程度的侵限，且受降雨影响，隧道变形加剧，沉降速率较快。

3、原因分析

根据现场踏勘及相关资料分析，该隧道段落初期支护大变形的原因主要有以下3个方面：

(1)地质复杂。

崩坡积体具有物质组成不均匀、孔隙度大、结构松散等特性。隧道穿越崩坡积体，表现为围岩整体性差、自稳能力低，易受施工开挖爆破等动荷载影响导致失稳，围岩松动圈范围扩大，加大了初期支护背面侧压力。

(2)施工布距不当。

隧道台阶开挖过长，围岩应力一次释放量大，形成较大塑性区。同时上下台阶落底地基不实且未能及时做好锁脚锚管，使应力作用在某一薄弱区域，围岩变形易突变，从而造成初支出现裂缝和剥落现象。

(3)降雨入渗。

隧道邻近冲沟，开挖前未提前做好排水沟，施工期间持续降雨，受雨水入渗影响，黏土质部分围岩吸水软化，抗剪强度降低，承载能力下降，岩土体重度增加导致隧道围压增大，初期支护变形加剧。

4、隧道变形控制措施

4.1设置临时支撑

为控制初期支护变形的进一步发展，在ZK73+523～ZK73+532侵限段对隧道周壁设置临时Ⅰ18工字钢拱形支撑，钢架纵向间距为0.6 m,钢架落底处设置混凝土基础，防止钢架沉降，施工时应尽量保证钢架与初期支护密贴。

4.2径向注浆

完成临时支撑后，采用4.5 m长的ϕ42mm×4mm注浆小导管对隧道周壁进行径向注浆加固，小导管按1.2m×1.2m的梅花形布设。小导管止浆段≥30cm。

4.3换拱并施工初期支护

在隧道进行加固后，拆除临时支撑，接着扩挖隧道，对揭露的岩土面及时喷射混凝土封闭并更换钢拱架。拱架纵向间距为50cm,并采用Ⅰ14工字钢纵向连接。拆除过程中应密切观察临时加固拱架及初期支护的变形和位移情况。

4.4增设锁脚钢管桩

隧道采用三台阶法开挖，架立正钢拱架后及时在开挖台阶两侧拱脚处设置6m长的ϕ108mm×6mm的锁脚钢管桩，下插角度为60°,并与钢拱架实现有效连接。

4.5施工初支仰拱和二次衬砌

适时施工初支仰拱，使初期支护尽早闭合成环，改善初期支护受力。在满足隧道开挖要求及台阶稳定的前提下，缩短上台阶长度，尽快使初期支护封闭成环。仰拱和二次衬砌施工可按每3～5m为一个施工段。

4.6防排水措施

对地表裂缝灌填水泥砂浆或黏土，并在原有冲沟处施工截、排水沟，防止降水下渗至隧道岩土体中。在隧道衬砌背后增设竖向盲管(渗水处),加密隧道环向盲管并及时接通。

5、变形控制效果分析

5.1数值模拟分析

5.1.1模型建立及参数选取

为验证相关控制措施的有效性，本文采用Midas NX软件建立二维平面模型对大变形处治后的隧道进行模拟分析。为降低边界影响，模型中隧道轮廓线距离两侧边及底部各取隧道宽度的3倍左右，底部采用固端约束，两侧水平方向约束，顶面为自由面，荷载释放比设为0.4∶0.6,模型总尺寸为95m(长)×88m(宽),如图1所示。隧道所处地层采用平面应变单元，锚管及锁脚钢管桩均采用桁架单元，结合现场取样试验结果及规范[5]要求，各材料物理力学参数如表1所示。

图1计算模型图

5.1.2数值计算结果分析

5.1.2.1围岩位移

由图2、图3可知，对隧道采取综合控制措施后的围岩最大竖向位移(y向)发生在拱顶偏右侧，其值为41.2mm;隧道水平向最大位移处为隧道右侧拱腰附近，其最大位移为26.7mm,对应的最大水平收敛值为53mm。总体而言，隧道水平向、竖向位移均在围岩稳定的可控范围之内，方案安全。

表1材料物理力学参数表

图2围岩水平位移分布云图

图3围岩竖向位移分布云图

5.1.2.2初期支护应力

对大变形段进行处治后，隧道初期支护最大主应力为1.83MPa(拉应力),最小主应力为-11.2MPa,均小于C25混凝土强度指标，满足规范要求[5],隧道结构安全。见下页图4～5。

图4初期支护最大主应力分布云图

图5初期支护最小主应力分布云图

5.2监控量测结果分析

选取ZK73+530处为典型断面，整理现场对拱顶位移及水平收敛的监测值，结果如图6～7所示：隧道拱顶位移最大沉降为44.1mm,与模拟计算值误差较小；水平收敛监控量测值为41.2mm,低于隧道计算模拟值，其原因在于现场监控量测布设的测点位置与数值计算所得的最大水平收敛值对应的位置有所不同。总体而言，综合现场监控量测和数值计算结果可知，两者数值均在Ⅲ级位移管理范围之内[6],初期支护变形可控，隧道结构安全。

6、结语

本文依托某高速公路隧道工程，对隧道初期支护大变形控制措施及其效果进行分析，得出如下结论：

(1)该隧道初期支护发生大变形主要是受工程特性较差的地质条件、不当的施工工序以及降雨等多因素影响综合引起。针对水文及工程地质复杂的崩坡积体隧道，施工时应坚持短进尺、强支护、早封闭、勤量测等施工原则，以保证隧道结构安全。

图6ZK73+530处拱顶沉降-时间变化曲线图

图7ZK73+530处水平收敛-时间变化曲线图

(2)通过采取临时支撑、径向注浆、增设锁脚钢管桩、逐榀换拱、改善排水设施、仰拱及时封闭等综合措施，崩坡积体浅埋隧道初期支护大变形可得到有效控制。

文章来源:欧阳慕,陈增稳,杨昆光,等.崩坡积体浅埋隧道大变形控制技术及效果分析[J].西部交通科技,2024,(10):126-128.