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隧道洞口施工结构及地层预加固技术研究
谢廷雷
(重庆交通大学，重庆40070）
摘要：隧道洞口结构及地层通常具有稳定性较差、受力特性复杂、施工技术难度高和支护工程量大等特点，因此隧道洞口结构及地层易发生坍塌、滑坡等灾害。为控制隧道洞口变形量，提高隧道洞口整体稳定性，预加固技术在工程实践中较为常用。综合贵州石家坡隧道洞口地质状况，利用数值分析和模型试验研究和验证预加固技术对控制地层及结构变形量的重要作用和保证隧道洞口稳定的关键性，同时结合具体工程实际状况提出预加固多种结构形式及各自用途，以此为基础再提出隧道洞口结构及地层预加固桩施工设计技术方案和具体施工工艺流程，以期相关领域发展有所裨益。
关键词：隧道洞口；结构；地层；预加固；稳定性控制
The key techniques of tunnel portal construction stability control
Xie Tinglei
(The Southern Engineering of the Chinese RoadBridge ,LTD,Beijing 101121,China)
Abstract: Affected by the influence of engineering geologic condition, hydrogeological condition and artificial factor, the tunnel portal often occurs such as landslide, landslide disasters at the time of construction. Tunnel portal mainly has bad rock stability, complex structure system, construction of the supporting great quantities. Based on the geological situation of Shi Jiapo tunnel entrance of the Guizhou, we have researched the tunnel entrance slope, surrounding rock and supporting structure stability and deformation control technology, and researched through the reasonable geostress release and the main problem with constraints effectively balance. It was proposed the reserved deformation, the reasonable excavation method, the key parts of the primary support and reliable anchor strengthening injection, the key of control technology dynamic supporting stability such as reinforcement. Enhancing the stability of tunnel structure and formation not only can effectively solve the safety problems of tunnel portal construction, also has immeasurable benefits on improving the construction progress of indirect. Key
words:
the
tunnel
portal
；
modified
control
；
stability
引 言
隧道洞口段地质条件复杂，岩层软弱破碎，节理发育差，洞口施工是隧道施工中最为困难的地段之一，结构及地层稳定性差是关键问题，常见灾害为塌方、开裂和滑坡等。事故发生不仅会延误工期、提高工程造价，甚至会造成人身伤害，如果处治不当，还可能影响后续施工，遗留工程质量隐患。控制隧道洞口结构及地层变形量，提高隧道洞口稳定性，保证施工安全和进度，因此有必要研究洞口的预加固技术措施。地层及结构常用的预加固措施为：预加固桩、地表砂浆锚
杆、超前管棚、预注浆、超前锚杆、挡土墙、锚索等。既有隧道为例，分析预加固桩与套拱、仰拱、管棚整体受力体系，根据受力特点研究预加固桩作用机理。通过建立有限元数值模型和具体分析计算模型，对不同施工方案中隧道洞口预加固桩的受力机理分析，证明预加固机理的可靠性和有效性，进而有效控制洞口稳定性，完成预加固桩的结构形式设计和施工方案设计。
1 预加固桩的理论研究
根据弹塑性力学可知，将隧道洞口结构及地层看成各向同性且均质的弹塑性连续体，定义隧道洞口的初始应力P0，隧道半径
为R0，则根据摩尔-库伦塑性屈服准则可得隧道结构及地层的径向位移和径向应力、切向应力之间的关系表达式：
?c?ctg?[(r2sin??1?sin?rpR)?1] (1)
01?sin?r2sin??ctg?[1?sin??p?c?1?sin?(R)?1] (2)
0u?1??R2pRp0E[P0?c?ctg?(R?1)] (3)
0R0 上述式子中，c、?分别表示岩土体的粘聚力和摩擦力；RP为塑性区半径；P0为均匀的初始地应力。
根据上述公式可知，隧道洞口结构及地层的应力取值、位移变形值、最终沉降值等均主要与周围岩土体的摩擦角、粘聚力等物理力学参数相关。控制隧道洞口地层及结构的稳定，主要取决于位移变形的控制，采用预加固措施，改善和保证c、?等物理力学参数取值，间接地降低了塑性区范围，提高隧道自稳性能。除此之外，在降低地层及结构的变形收敛值的同时，使作用在隧道洞口的长期或者短期荷载减少，极大的改变了衬砌结构的应力-应变状态。
目前采用较多预加固措施为洞口岩体注浆加固，但隧道洞口的地质条件复杂，工程量极难控制，尤其是注浆位置选取和注浆量取值控制尤为为困难，意外因素较多，可能发生大面积滑坡、崩塌。基于这种情况，研究另一种预加固理论（预加固桩理论），在满足同等预加固的技术作用条件下，以实现更为经济、安全、可靠的预加固目的，保证隧道洞口地层及结构的稳定性，同时也提高隧道洞口的施工和运营安全。 1.1预加固桩的作用机理研究
隧道洞口开挖前在隧道明挖和暗挖分界处的左右两边分别布置1根预加固桩，如下图所示。
图1 隧道洞口预加固桩布置示意图
隧道洞口在施工过程中，围岩、边坡均会受到多次扰动，且每次扰动较大，再加上通常隧道洞口边坡较高，偏压厉害，因此在坡脚极易产生应力集中等现象，边坡则滑坡的概率非常大。对坡脚采取预加固措施，提高坡脚的承载力，保证边坡的稳定性，常用的措施则有抗滑桩、预应力锚索抗滑桩。这种预加固技术施工是在开挖之前进行的，预加固桩施工完成且有一定的强度后再对坡脚岩土体进行开挖，此时预加固桩会极大地减少开挖对地层结构的扰动，结构及地层的变形也会相对减少，保证隧道洞口的安全稳定。
根据预加固桩在坡脚的位置不同可分成两种，一种是平台桩，锚固桩的位置布设在一级平台上，桩不外露，通常适用于地质条件较好且边坡高度不高的情况中。另一种是锚固桩布置在路堑边坡坡脚与边沟外侧边缘之间碎落台边上，各桩之间设置挡土墙。坡脚桩一般用于一些地质条件较差的高边坡处理，设计上采用分级设桩支挡加固，在施工过程中也必须保证边坡安全稳定性。 1.2预加固桩技术的试验验证
隧道洞口边坡岩体在长期表生地质作用下处于平衡状态，隧道施工破坏了地质环境原有平衡，隧道洞口仰坡开挖后，仰坡由三维受力状态变为二维受力状态，因此仰坡容易出现片落现象。隧道洞口开挖后，仰坡与隧道顶板的交叉部位处于一维受力状态，
受力条件十分不利，如不及时进行维护，该部位容易产生坍塌。其次是洞口处顶板一端由工作面支撑，另一端处于悬空状态，属悬臂梁结构，其稳定性较差。另外，隧道洞口处常常还会有一些明挖路堑，其边坡也处于二维受力状态。随着洞口段的开挖和支护，该段将重复进行应力释放与重新分布，因此，往往会引起洞口地表滑坡、坡面坍塌、偏压及塌方事故发生。 1.3预加固桩的数值模拟分析
隧道洞口边仰坡进洞开挖，使山体原有的平衡状态遭到破坏，如不及时采取加固措施，极易产生坍塌、顺层滑移、古滑坡复活等现象。在开挖过程中，必须要对隧道洞口路堑边坡，洞口及洞顶以上仰坡进行喷锚预加固处理；进洞前采取超前锚杆、超前小导管周边注浆、设置大管棚等超前预支护技术；开挖后及时喷射混凝土和仰拱紧跟形成封闭受力环。
2 隧道洞口变形控制关键技术
2.1隧道洞口变形控制基准的建立
实践证明，根据隧道周边位移变化来推测隧道稳定性变化是可行的，对隧道周边围岩的监控量测在隧道施工中也较为常见。采用位移作为隧道稳定性的判别准则，从隧道周边结构出现的极限情况研究，运用尖点突变理论，采用软件分析，得出各控制点在极限状态下的位移，在考虑一定安全系数后位移便可作为稳定性的基准，即极限状态为基准的判断准则。同时制定安全可靠的控制基准应满足以下原则：
（1）变性控制基准一定要在现场监控量测实施前，由相关部门，根据施工现场条件、特点具体确定，并且写入监控量测实施方案。
（2）具体控制基准值必须满足设计计算要求，一般情况下不得大于设计值。
（3）变性控制基准必须要有工程施工
的可行性，在满足施工安全的条件下应考虑如何提高工程进度和减少业主的施工费用。
（4）变形控制基准应该是对现行的相关设计、施工法规、规范和规程的补充和完善。
（5）对于某些到目前为止还未明确规定变性控制值的量测项目，可参考相似工程的量测资料来确定其变形控制值，当有具体监控量测值超越基准值时，必须结合实际工程情况等因素，与施工、设计、监理等有关部门共同研究分析，必要时可对变形控制值进行调整。
2.2 隧道洞口结构及地层变形控制关键技术
控制隧道洞口稳定性主要是通过控制隧道结构和地层的变形，将边坡、围岩、衬砌、掌子面等所有的变形控制在允许范围内，既满足：???s；?为隧道结构的变形量，?s为隧道结构的允许变形量。在研究清楚隧道洞口结构、地层变形发生、发展规律和各种影响因素相互作用关系的基础上，提出变形系统控制技术措施，以提高隧道施工水平。
研究隧道洞口施工方案对隧道稳定性的影响，本质上就是研究小断面一长进尺、大断面一短进尺两类开挖方案对围岩、支护系统稳定性的影响。通过有限元软件对隧道施工过程中围岩力学行为进行三维模拟，揭示地层在施工过程中的时间效应和空间效应,并建立起开挖迹面与施工过程中围岩稳定性的关系，对结果分析表明：
(l)短掘、短砌台阶法施工优于较大进尺上台阶CD法。采用大断面短掘、短砌施工方法，既能保证施工安全，又能满足机械化施工要求。短掘、短砌台阶法应为今后超大跨隧道施工的优选方法，具有广泛的适应性。
(2)定性建立了开挖迹面与围岩支护结
构主要力学指标最大值、最终值之间的关系。结果表明，开挖迹面越小，围岩支护结构越安全，结合施工水平，提出隧道开挖循环进尺以1m左右为宜。
因此，隧道洞口结构及地层稳定性控制研究主要包括下列技术体系研究：开发技术、支护技术、掌子面稳定技术、拱脚稳定技术、支护补强技术、超前支护技术、空间变形监测和反馈技术等。伴随着隧道洞口地层的实践，国内外相继提出了若干隧道预加固技术措施，以以期达到控制地层的稳定性。隧道洞口施工常用的预加固技术，常用主要包括:锚杆、管棚、小导管、水平旋转注浆、机械预切槽衬砌法。
2.3 隧道洞口施工对边坡稳定性的影响 隧道洞口开挖是影响山区滑坡、崩塌等地质灾害发生的一个重要原因。国内外学者多年一直致力于边坡地质灾害的研究和治理，也取得了极大的技术进步，但边坡问题特别是山区边坡问题依然是影响基础建设、社会、科技进步与经济发展的重大地质灾害问题。在边坡稳定性研究方面，如何结合岩土真实物理力学特征进行定性、定量和非确定性分析是边坡工程研究中的热点。传统的岩土体破坏准则方面，除了应用最为广泛的线性Mohr-Coulomb准则外，现已发展出：Coulomb-Navier强度理论、Hoek-Brown强度理论、Griffith强度理论、双减强度理论等。但如何考虑岩土体材料的真实破坏准则进行岩土构筑物稳定性状态评价的思路实际上已成为目前研究的最前沿方向。 钟浩基于FLAC3D数值模拟，结合现场监测动态的分析地下开挖过程中边坡变形规律及其边坡稳定性的影响。因此在隧道开挖过程中，可以利用计算的位移进行预测，并对施工进行指导，以便更好的信息化施工。缪荣辉对某隧道口山体蠕滑的预应力锚杆加固进行了三维弹塑性有限元分析；朱
合华利用三维有限元计算了隧道施工中洞口边仰坡的稳定性，分析了边坡的破坏失稳机理，提出需加强隧道口边坡现场监测的建议。
归纳起来，边坡稳定性控制方法主要是沿着三种途径进行：第一，以极限平衡理论为基础，考虑岩土体中断裂结构面的控制因素，利用图解法或数学计算分析法，最后求得“安全系数”或类似“安全系数的概念”；第二，以数值分析近似地分析计算边坡岩土体的变性特征和应力状态；第三，其他方法，如利用概率理论分析岩土体结构面和岩土体强度的测试数据，分析各种可能破坏形式的不稳定概率，以不稳定概率来评价边坡的稳定性。
3 工程实例
3.1隧道洞口地质条件及环境
石家坡隧道为贵州省道真至新寨高速公路和溪至流河渡段中的一座上下行分离隧道。隧道进出口处为斜坡地貌，地形较平缓，地面标高一般940～980m，相对高差约40m，自然边坡坡向约100～150o，坡度10～25o，路线出露地层为第四系全新统残坡积粉质黏土、碎石，奥陶统桐梓—红花园组灰岩，寒武统娄山关群白云岩。隧址区出口处紧靠一季节性冲沟，水位受季节影响较为明显。地下水主要为第四系松散孔隙水、岩溶孔隙裂隙水、断层破碎带孔隙裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水。根据国家地震局发布的中国地震烈度区划，区内地震烈度6度。
隧道进口处，层理面、节理面与坡向关系均有利于边坡稳定，隧道进口处整体稳定性较好。但隧道进口处发育一断层，受断层影响，岩体破碎，隧道洞口开挖时，可能沿断层面或其次生结构面产生坍塌。
隧道出口处，层理面、节理面与坡向关系相对不利于边坡稳定，但岩层为较硬岩，层间结合好，整体稳定。隧道出口处地形略