隧道洞口段的加固方案设计及稳定性研究

时间：2024-07-28

丁广炜, 欧阳艳, 王起才

(1.陕西铁路工程职业技术学院高铁工程学院, 陕西渭南 714000；2.陕西铁路工程职业技术学院城轨工程学院, 陕西渭南 714000；3.兰州交通大学土木工程学院, 甘肃兰州 730070)

0 引言

川藏线是我国一条极具战略意义的线路工程,受地形地貌条件的限制,隧道工程被广泛应用；同时,该项目在带来巨大利益的同时,其施工过程也面临较多工程问题,如在特殊不良地质条件下,隧道洞口段的设计及施工问题,因此,开展特殊地段条件下的隧道洞口段施工研究具有重要意义[1-4]。目前,在铁路隧道洞口施工方面,已取得了相关研究成果。叶志强等[3]对隧道洞口段初支大变形机理进行研究，并进行治理方案探讨。王雪霁等[6]从多个方面探讨竖直及水平支护方法在风积沙地层中的适用性,得出洞口施工前期宜采用水平旋喷桩加固,后期宜采用竖直旋喷桩加固。李辉[7]、蔡爱萍等[8]研究水平旋喷桩在隧道工程事故处理中的作用,进一步验证该类施工方法在隧道工程中的适用性。韩华轩[9]对软岩隧道的洞口加固问题开展了研究,得出水平旋喷桩的超前支护可很大程度上保证隧道围岩稳定性,是安全施工的重要保障。王伟等[10]也基于隧道变形成果开展隧道洞口边坡的稳定性分析。上述研究虽取得较大的研究成果,但未涉及川藏铁路线的隧道工程,且隧址区地质条件复杂,有必要针对性开展洞口处的加固方案研究。同时,上述研究也仅从施工方面进行研究,未开展加固后的效果研究。

本文以川藏铁路线米林隧道为工程实例背景,对其洞口段的加固方案开展研究,并总结施工过程中的工程问题及处理措施；同时,为评价隧道加固效果,且鉴于尖点突变理论[11-14]在稳定性评价中的有效性,进一步提出以隧道现场监测成果为基础,利用尖点突变理论来分析评价支护结构的稳定性,以期为类似工程积累经验。

1 基本原理

尖点突变理论的应用较为广泛,可较好地评价事物由非平衡状态到平衡状态的改变,且鉴于隧道变形是隧道围岩稳定的直观表现,进而该理论适用于隧道围岩的稳定性评价研究。

结合节点突变理论的基本原理,将该理论在隧道围岩稳定性评价中的应用过程总结如下:基于隧道变形的现场监测成果,利用MATLAB软件实现其变形序列的多项式拟合,求得其拟合函数；利用参数变换,将拟合函数转变为变形函数及标准函数；利用标准函数的突变参数求解突变特征值,并利用该值判断隧道围岩的稳定性。将该理论的具体实施过程分述如下:

根据隧道变形的现场监测项目,确定分析对象,并通过MATLAB软件拟合得到隧道变形序列的四次项式函数，

Ut=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4，

(1)

式中:Ut为拟合函数；a0，a1，…，a4为拟合参数；t为时间变量。

由于拟合函数并非尖点突变理论的标准形式,进而需进行变换处理,即先利用Tschirhaus变换将拟合函数转变为变形函数,得到分析过程中的变形函数为

Ux=b4x4+b2x2+b1x+b0，

(2)

同时,对式(2)进行变化,即在其两侧同除以b4即可得到突变分析的标准形式为

U=x4+μx2+vx+c，

(3)

式中:U为标准函数；μ、υ为突变参数；c为常数。

结合前述变换过程,可得到突变参数与拟合参数间的关系式为

(4)

(5)

最后,以突变参数为基础,可求得突变特征值为

Δ=8μ3+27v2。

(6)

根据突变特征值的正负性即可判断隧道围岩的稳定性,判据为:当Δ=0时,说明隧道围岩处于临界状态；当Δ<0时,说明隧道围岩不稳定状态；反之,说明隧道围岩处于稳定状态。同时,根据突变特征值的大小还可进一步判断围岩稳定性的强弱,即突变特征值越大,稳定性相对越弱[11]。

2 实例分析

2.1 工程概况

米林隧道隶属川藏线,为单线隧道,设计断面面积为73.63 m2,隧道净宽为8.44 m,净高为10.39 m,里程范围为(D2K378+111)～(D2K389+671),全长11 560 m。隧址区位于藏南谷地高山区,间于喜马拉雅山与唐古拉山之间,山脉整体走向呈南北向延展,最高高程为4 230 m,最低高程为2 940 m,高差1 290 m,得出区内地形起伏较大,沟谷切割较深。区内第四系覆土主要为残坡积土及冰水堆积层,其中,残坡积层主要为细砂层和碎石土,而冰水堆积层主要为卵石土；下覆基岩主要以糜棱岩及片麻岩为主,地表出露明显,且受区内构造影响,岩体节理裂隙发育,节理密闭性及延伸性均较好,局部具少量充填。

同时,根据勘察成果,得出出口端洞口段地层主要为沉积砂、块石土,延伸长度可到50 m。其中,沉积砂呈黄褐色、灰黄色,潮湿～饱和,主要以粉、细粒为主,颗粒较为均匀,具连续分布特征；块石土呈黄褐、灰褐色,稍密-密室,潮湿～饱和,成分以片麻岩为主,余为粉土、碎石等,在洞口段也均有分布，因此,得出该隧道洞口段的围岩条件较差,属Ⅵ级围岩。

2.2 加固方案设计

由于该洞口段的围岩自稳能力差,因此管棚、密排小导管及注浆等措施均均难以达到预期效果,施工难度大,但鉴于水平旋喷桩是目前国内处理砂、土层较为成熟的施工方法,其优点如下:

① 该处理方法属超前加固措施,可改善围岩的力学性质,进而提高其自稳能力,可有效控制漏砂、流砂等灾害。

② 通过该处理,可先使围岩周边预成环,进而起到一定的支撑作用,可有效控制围岩变形。

基于上述,确定水平旋喷桩为该隧道洞口围岩超前支护的加固方法。结合工程实际,该方法在应用过程中也面临如下困难:

① 施工地层为砂层、块石土,根据以往类似地层施工经验,钻孔及旋喷过程中易卡钻、抱钻。

② 该工程主要地层以砂层为主,含水量低,自稳性差,设计仅为单排旋喷桩,在施工时如若角度控制不当,易出现平行桩或桩错位搭接较差,进而引发溜塌,增加开挖难度,因此水平旋喷施工角度的控制为本项目施工控制的重点。

鉴于上述施工难点,有必要对洞口段的加固方案进行专项设计,以保证加固效果。

2.2.1 断面布桩及循环设计

结合工程实际,水平旋喷桩采用掌子面周边设计与中部设计相结合的形式,其中,周边旋喷桩桩径设置为500 mm,开孔间距设置为29 cm,终孔间距设置为38 cm,进而得到每个断面的周边旋喷桩总计71根；中部旋喷桩采用梅花形布设,共计3排,且水平间距为1.8 m,竖向间距为1.5 m,共计设置9根。

在纵向循环上,水平旋喷桩的操作平台长度不应小于18 m,每次循环加固长度为15 m,其中,包含5 m的搭接长度和10 m的开挖长度,外插角为3°～5°。同时,水平旋喷桩的施工顺序为先下后上,先施做周边旋喷桩,再施做中部旋喷桩。得到水平旋喷桩的纵断面布设如图1所示。

图1 水平旋喷桩的纵断面布设单位:m

2.2.2 施工工艺流程

结合工程实际,将洞口段加固方案的水平旋喷桩施工工艺流程分述如下:

① 施工前期准备。先对掌子面进行挂网封闭,网格尺寸为25 cm的正方形钢筋网,钢筋尺寸为8 mm,且网喷厚度不应小于30 cm。该工作的主要作用是防止掌子面出现漏砂、流砂现象,进而保证施工过程中的掌子面稳定。

② 孔位的放线定位。以前述断面设计为基础,对各水平旋喷桩的孔位进行放线定位,并同步测定钻孔外插角；同时,在定位过程中,应严格控制放线精度,如钻孔孔位误差不应大于2 cm，外插角偏差不应大于1%。

③ 钻孔施工。按照水平旋喷桩的施工工序,对各钻孔进行逐一施工；同时,在施工过程中,应保证钻孔深度,做好施工记录,并对比分析地层条件与设计条件间的差异,以便更好地指导后续施工。

④ 浆液配制。据设计要求,水平旋喷桩的浆液为P.O42.5的普通硅酸盐水泥浆,水灰比为1∶1,进而按照该要求进行浆液配制,并在实际施工中,可根据地质条件适当优化调整配比,以保证施工质量。

⑤ 水平旋喷桩的施工。将喷射管底放至设计深度,待浆液从孔口流出后,按设计速度及转速进行施工,直至施工至设计终喷位置,且在旋喷过程中,也应做好施工记录,测定浆液凝胶时间及返浆率,及时调整施工参数,以确保注浆效果。

⑥ 喷管冲洗。当一根旋喷桩施做完毕后,需及时冲洗喷管,以防堵塞,并及时进入下一根旋喷桩的施做。

上述为一个纵向循环的施工流程。当一个循环完成后即可进入下一循环,且在每个循环中都应做好相应记录,并根据工程实际实时调整参数,实现动态施工,以保证施工效果。

2.2.3 施工参数设计

结合工程实例及以往经验,将水平旋喷桩的施工参数设计如下:旋喷桩桩径为500 mm，桩间距为35 mm，注浆压力为40～45 MPa，转速为20 r/min，水泥浆液流量为200 L/min，后退速度为0.714 cm/s,其余未尽参数参照相关规范执行。

2.2.4 施工质量评述

结合工程实际,本次洞口加固里程为(D2K389+631)～(D2K389+570),自2016年4月23日开始施工,于2016年8月15日完成,共计加固长度为61 m,纵向循环次数为7次,各次循环的实际参数统计见表1。

表1 洞口加固过程的实际参数统计

在上述各循环的施工过程中,均不同程度的出现了工程问题,具体分述如下:

在施做第1循环过程中,施工队伍还未熟悉地层情况,经验略显不足,主要出现了3个问题,即:

① 水平旋喷桩的错位较大,致使其咬合质量较差；

② 由于开孔孔位离拱架内侧较远,加之钻杆下垂影响,因此旋喷后的内侧开挖断面不足,未到达理想效果,增大了开挖难度,减慢了施工进度；

③ 施工队伍未按设计要求开挖10 m,违规超挖至12 m时,隧道左侧拱部发生塌方,塌方方量约为80 m3,增加了施工风险。

为克服上述困难,在施工过程中,采取了如下解决方法:

① 对旋喷桩进行标记编号处理,其中,每隔5根旋喷桩进行一次编号,记号则是利用水泥钉进行标记,这样可使施工队伍较快地辨识旋喷桩编号,进而避免错位。

② 调整开孔位置与拱架间的距离,将其由20 cm调整至10 cm,进而间断破除旋喷桩的长度,且实际开挖破除旋喷桩的长度间于5～6 m,满足施工要求。

③ 在塌方事故的处理过程中,先对掌子面进行封闭,再对漏点施做8 m长的水平旋喷,并在每根桩内下入直径70 mm管棚以增强旋喷桩的抗剪强度,确保开挖顺利；同时,加强监督,严禁施工队伍超挖,保证每个循环开挖长度不得超过10 m。

鉴于第1循环中的问题改正,在第2循环中的问题相对较少,仅出现一个问题,即第2循环中的外插角仍按5°进行施工,导致实际破除旋喷桩的长度为8 m左右,未能满足设计要求。针对该问题,将后期循环的外插角调整为7°。

在第3循环至第7循环中,未出现明显问题,只是局部出现漏砂现象,为克服该问题,要求施工队伍在施工前准备好网片、棉纱、钢筋及小导管等封堵物资,一旦破环能及时采用上述物资封堵,以避免塌方事故的发生。

综上所述,在施工进度上,本次洞口加固处理基本达到每月完成2个循环的要求,每月加固进尺约20 m,施工进度上满足业主要求；在施工质量上,除因超挖发生一次塌方外,未出现明显质量事故,总体达到设计要求。

2.3 稳定性评价

上述已对隧道洞口段的加固方案及施工质量进行了评述,但多是偏向定性分析,有必要进一步评价隧道围岩的稳定性,以判断加固方案的有效性。同时,鉴于隧道变形是隧道稳定性的直观体现,加之变形监测也是隧道施工过程中的必测项目，因此,该文以现场监测成果为基础,利用尖点突变理论判断隧道围岩的稳定性。

在监测过程中,监测断面的间距为5 m,其中,每隔断面包含拱顶沉降及水平收敛2个必测项目。在所有监测断面中,由于第1个循环中的施工问题较多,加之其隧道埋深相对最浅,进而该循环中的变形量相对最大,因此,该文对该循环前后3个断面进行尖点突变分析,且鉴于2类监测项目的差异,该文对其进行分述和评价。

① 拱顶沉降的稳定性评价

以拱顶沉降的监测成果为基础,利用尖点突变理论进行评价分析,结果见表2。由表可知,3个监测断面的拱顶沉降拟合函数的拟合度均趋近于1,加之均方根误差也较少,说明3个拟合函数的拟合精度较高,为后期分析奠定了基础；同时,3个断面的突变特征值均大于0,得出各断面均处于稳定状态,且以(D2K389+620)断面的突变特征值相对最大,说明其稳定性相对略差,分析其原因应与超挖塌方事故相关。

表2 拱顶沉降的尖点突变分析结果

② 水平收敛的稳定性评价

类比拱顶沉降的分析过程,再对水平收敛进行尖点突变分析,结果见表3。由表可知,在水平收敛变形的尖点突变分析过程中,3个断面的拟合精度也较高,说明3个断面的水平收敛拟合效果较优；同时,3个断面的突变特征值也大于0,进一步验证了3个断面的稳定性,且各断面稳定性的相对大小关系也与拱顶沉降分析结果一致,得出3个断面稳定性分析结果的准确性。

表3 水平收敛的尖点突变分析结果

综上所述,在洞口段的加固过程中,虽出现了各种问题,但经过工艺及参数调整,顺利保质保量的完成了洞口段施工,且经尖点突变分析,得出加固后的洞口段围岩均处于稳定性状态,进一步验证了加固方案的有效性,可为类似工程积累经验。