风积沙地层明挖隧道支护优化及围岩压力研究

时间：2024-07-28

杨志君

西藏铁路建设有限公司，拉萨 850000

风积沙地层黏聚力低甚至无黏聚力，具有自稳性差、颗粒小、渗透性强等工程特点［1-2］。穿越风积沙地层的隧道进出口段埋深浅，围岩结构松散，施工时极易出现坍塌、失稳破坏等［3］。针对隧道穿越风积沙地层已有一些研究。文献［4］在风积沙隧道明挖段采用坡率法和喷锚支护联合防护措施，应用效果良好。文献［5］以榆神高速公路神木一号隧道为工程背景，在隧道出口风积沙段采用水平旋喷桩超前支护方案，发现水平旋喷桩加固体系能够较好地控制围岩的变形。文献［6］提出采用导向水平旋喷桩结合先行施工仰拱边墙结合部预留核心土台阶法的施工方法。文献［7］通过数值模拟和监控量测的方法对小导管+上下台阶临时仰拱法、水平旋喷桩+三台阶临时仰拱法和大管棚+上下台阶临时仰拱法3种施工方案进行比选，并给出3 种施工方案的适用范围。文献［8］对蒙华铁路王家湾隧道开展现场量测试验，并与数值模拟对比得到了到深埋风积沙隧道的围岩压力计算模式。文献［9］采用数值计算与现场实测结合的方式，探究了风积沙地层隧道在开挖过程中围岩压力的变化形态等。

隧道穿越风积沙地层施工难度大，且相关研究成果较少，支护手段单一，施工成本较高。因此，本文依托拉林铁路嘎拉山隧道，对隧道进口段采用明挖方式，通过对比分析进口段基坑不同支护参数下的支护效果，结合风积沙的特性得到较优的支护设计参数，为风积沙隧道的设计与施工提供经验。

1 工程概况

嘎拉山隧道位于拉萨市曲水县、山南市贡嘎县境内，是拉林铁路的第一座隧道，全长4 373 m，最大埋深674 m，平均海拔3 600 m。隧道进口DK35+205—DK35+472 段位于粉砂段地层中，采用明挖方式施作隧道进口段，施作完成后再进行回填（图1）。

图1 DK35+300—DK35+345基坑支护设计（单位：cm）

其中DK35+300—DK35+345 段基坑最大开挖深度为21.3 m，在边坡开挖至垂直基坑顶部平台时采用护桩支挡（钻孔桩）。钻孔灌注桩直径1.25 m，桩长20 m，间距1.4 m，材料采用C30 钢筋混凝土，桩间采用φ500 旋喷桩进行止砂。混凝土横向支撑截面60 cm（宽）×80 cm（高）。

2 基坑支护结构优化分析

通过建立三维仿真模型计算不同工况下支撑体系的位移及受力情况，并对其进行优化。

2.1 计算工况

结合其他工程施工经验及现场实际施工情况，将“钻孔灌注桩+旋喷桩”简化成类似地下连续墙的板面结构，通过等体积强度换算方法得到围护结构的强度。围护结构和横向支撑计算工况见表1。其中，工况6—工况9 是在最优围护结构情况下计算不同横向支撑间距。

表1 围护结构和横向支撑计算工况

2.2 计算参数

风积沙的物理力学指标参照地勘资料、GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》选取，见表2；支护材料的重度、弹性模量等参数按DB J08-61—97《基坑工程设计规程》、JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》选取，见表3。

表2 围岩物理力学指标

表3 建筑材料力学指标

2.3 计算模型

采用FLAC3D有限差分通用程序建立模型。为反映实际情况，模型沿基坑横向的宽度取基坑跨度的3.6倍，沿隧道纵向的宽度取隧道跨度的3.5倍。基坑连续墙采用弹性实体单元模拟，地层采用弹塑性实体单元模拟，横向支撑及围护结构均采用实体单元模拟，见图2。

图2 数值计算三维模型

2.4 计算结果分析

2.4.1 最优围护结构厚度

以工况1 为例进行分析，计算结果见图3。可知：采用0.5 m 厚的围护结构支护后，基坑周边最大水平位移为15.3 mm，最大竖向位移为3.1 mm；连续墙作为基坑的围护结构，与基坑协同变形，水平、竖向最大位移与基坑相同。另外，基坑横向支撑轴向最大压应力为3.46 MPa，在材料容许应力（14.3 MPa）范围内。

图3 工况1计算结果

提取工况1—工况5的计算结果，绘制不同围护结构厚度与其水平位移、横向支撑最大轴向压应力关系曲线，见图4。可知，随着围护结构的厚度逐渐增加，围护结构的水平位移及横向支撑最大轴向压应力逐渐减小。当围护结构厚度为0.5 m 时，基坑最大水平位移为15.93 mm，小于GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》要求的深基坑最大水平位移30.0 mm，横支撑最大轴向压应力为3.46 MPa，远小于横向支撑的极限抗压强度，满足变形及安全要求。另外，围护结构厚度越小，横向支撑的最大轴向压应力越大，表明其支撑作用越明显。

图4 围护结构厚度与其水平位移、横向支撑轴向压应力关系曲线

风积沙压缩模量大，压实后具有较好的稳定性和较高的强度。在基坑施工过程中，由于围护结构为预支护结构，能够提高基坑开挖过程中风积沙的密实度，因此在围护结构厚度较小的情况下就能保证基坑的稳定。考虑风积沙的流动特性，施作围护结构时应保证其相互咬合，避免出现漏沙、涌沙，因此厚度不能过小。综合考虑，本工程风积沙地层中最优基坑围护结构厚度为1.00～1.25 m。

2.4.2 最优横梁间距

以工况6 为例进行分析，计算结果见图5。可知，采用4 m 横向支撑间距支护后，基坑周边土体最大水平位移为10.46 mm，最大竖向位移为1.72 mm。另外，基坑横向支撑的最大轴向压应力为3.02 MPa，在材料应力容许范围内。

图5 工况6计算结果

提取工况6—工况9的计算结果，绘制不同横向支撑间距与最大轴向压应力、水平位移的关系曲线，见图6。可知，随着横向支撑间距的逐渐增加，其最大轴向压应力和围护结构水平位移均线性增加。说明横梁和围护结构共同组成的承载体系中，当横向支撑间距增大时，围护结构承受了更多的变形压力。当横向支撑间距为7 m 时，基坑最大水平位移为13.93 mm，小于GB 50497—2019 中规定的深基坑最大水平位移30 mm，横向支撑最大轴向压应力为4.71 MPa，远小于横向支撑的极限抗压强度，能够保证基坑施工安全。

图6 横向支撑间距与围护结构水平位移、横支撑最大轴向压应力曲线

合理的横向支撑间距不仅能够保证基坑施工安全，还能预留足够施工空间保证后续施工进度。综合考虑，建议最佳横支撑间距取7 m。

3 风积沙明挖回填段围岩压力测试

在传统的超浅埋隧道中，围岩压力可用上覆岩土体重力等效计算，即Q=γH。其中，Q为围岩压力；γ为土体重度；H为覆土高度。在明挖风积沙隧道中，该公式的适用性还有待考究。因此，本文采用现场测试的方法对围岩压力进行监测并分析测试数据，以期得到明挖风积沙隧道围岩压力的计算公式。

3.1 测试方案

为了测量回填过程中明挖断面衬砌的围岩压力，选取4个断面测试拱顶部位所受围岩压力。现场测量仪器布置见图7。

图7 现场测量仪器布置（单位：m）

3.2 测试结果

经试验可知，衬砌拱顶所受围岩压力随回填高度的增加而增加，当回填高度不再增加时，围岩压力趋于稳定。回填高度约16 m，回填风积沙重度取1.9 g∕cm3，按照Q=γH计算得到回填压力为0.304 MPa。围岩压力时程曲线见图8。可知，由于512813 测点处于仰坡的坡脚，该处出现应力集中，测得最终围岩压力为0.420 MPa，大于0.304 MPa。513493、513468、515483测点最终围岩压力分别为0.294、0.196、0.167 MPa。显然，各测点的围岩压力均在γH的数值上下波动。因此，在实际应用中可采用该公式计算围岩压力。

图8 围岩压力时程曲线