前置式洞口法在西施坡隧道工程中的应用实例＊

赵 敏，崔阿能

（西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021）

由于隧道洞口的围岩大多处于浅埋、强风化、破碎、松散的状态，传统的进洞法需要对洞口处边仰坡进行大开挖处理，严重破坏了洞口处的生态环境导致围岩的整体稳定性，并且在后期的运营中存在安全隐患［1］.管棚法是在隧道轮廓线的外围打上一排钢管，并在管内注浆以加强整体刚度，当浆液向管外扩散连成整体，形成管棚架以支撑围岩，具有良好的安全性［2］，但在破碎地段成孔难度系数较大，造价高、工艺复杂、施工周期长.明洞进洞法［3］是先在洞口处进行削坡、洞外拉槽，再进行明洞底板灌注，洞身回填，最后衬砌支护结构.由于明洞进洞修筑了一定长度的棚洞结构，可以起到一定的安全作用，且能够减少隧道开挖，地表覆土回填后还能够恢复一些原生植被，在一定程度上保护了山体的稳定.文献［4］针对洞口处的棚洞结构做了简要的分析，明洞进洞法施做的棚洞结构属于临时支护，支护强度较弱，并且明洞进洞法要先进行削坡处理，对洞口处原生植被和生态环境的破坏无法恢复到原来的状态，在洞口处地形、地质条件较差的情况下，容易引发滑坡、崩塌等地质灾害.预支护拱法是在隧道施工前，先挖掘中央导坑（辅助隧道），从中央导坑开挖，沿着隧道的拱形断面，用水力开挖的方式将曲线钢管压入土中，然后通过钢管向土中灌浆［5］.根据文献［6］的规范要求，这种方法能加固了地基，钢管作为隧道的支撑体系，不需要大型的辅助措施能很好的抑制地表沉降，但对比施工工作量因素，还需要进一步的改进［7］.

因此，文中在汲取采用这些方法的施工经验后，在文献［8］的研究基础上，结合文献［9－10］的相关技术要求，将以零开挖施工理念的前置式洞口法引用到典型的山岭隧道工况中，研究了在洞口浅埋，围岩松散、破碎工况下，采用前置式洞口法施工时围岩的位移场，给出了该施工方法的仿真结果并对其进行分析.

1 西施坡隧道工程实例

1.1 工程概况

西施坡隧道位于基岩低山丘陵区地貌，穿越的地层主要为第三系泥岩、砂岩互层，属于低应力区，是典型的山岭隧道.隧址处植被发育茂盛，山体走向近北西－东南，隧道轴向与山脊斜交.隧道为分离式双向四车道隧道.左线起止桩号K4＋498～K5＋053，设计纵坡为－1.5%，隧道长555m.隧道净空间为9.75m×5.0m.左线最大埋深约87 m，洞口处最小埋深不足2m.隧道洞口处围岩主要由碎石土以及破碎强风化泥岩、砂岩互层组成，属于Ⅴ级围岩.隧道两端均有乡村道路道路从隧道洞门前穿过.

1.2 施工方案与施工难点

前置式洞口法是在洞外不开挖山脚土体的情况下，采用两侧开槽逐榀施作工字钢拱架，随着钢拱架的推进逐步接近山体，拱架间以纵向钢筋连接为整体，浇筑混凝土以形成临时村砌成洞，再进行暗挖施工.

传统的施工方法是在洞口处大挖大刷，当暗洞施工一定距离后再施工明洞.与此相比，前置式洞口法是在进行暗洞施工以前先形成临时村砌作为开挖边仰坡的防护措施，可保全洞口山坡以及原生植被免遭破换，大大减少洞口仰坡开挖及防护工程量，是保证仰坡稳定较为理想的办法.西施坡隧道属于上下行分离式设置的隧道，该法可以保护单个洞口的植被，还可以避免两洞间土埂的开挖，这既可保护两洞间土埂上的原生植被又可以借助土埂维持两洞山体的稳定.

由于隧道进口处地形较陡，山体斜向西，坡角约45°，岩性为破残积土和强风化砂岩、泥岩互层，破残积土疏松杂乱，大部分基岩裸露，坡体风化强烈，岩石产状约为180°∠20°，有明显的塑性流动变形和挤压破换，岩体稳定性不足.为确保隧道安全，进行清理洞顶上部破残积土，适当加长明洞.

1.3 支护、村砌参数、开挖参数

洞口超前支护采用Ø108mm超前大管棚，环距40cm；20a＠750mm工字钢拱架。洞口加强段初期支护喷射260mm的C20混凝土，Ø6.5mm＠150mm×150mm钢筋网，L3.5M＠800mm×750mm隧道系统锚杆；二次村砌喷射500mm的C30混凝土.边仰坡施工自上而下随挖随喷分层进行，仰坡设置Ø22mm砂浆锚杆，锚杆长度350 mm，间距120mm×120mm梅花型布置；并挂钢筋网，钢筋直径Ø6mm，网格间距200mm×200 mm；喷射混凝土强度等级C20，厚度100mm.边坡设置Ø22mm砂浆锚杆，锚杆长度350mm，间距150mm×150mm梅花布置；并挂钢筋网，钢筋直径Ø6mm，网格间距200mm×200mm；喷射混凝土强度等级C20，厚度100mm.

在洞外，截水天沟距边仰坡开挖边缘不小于5 m，沟底至衬砌拱顶外缘的高度不小于1.0m.在洞内，由于洞口处为土质岩体和松软破碎的石质岩体，原则上进入暗洞前5～8m范围内是禁止爆破施工的.洞口开挖采用的是两台阶法，挖深较小段采用人工风镐开挖，以减少对边坡的扰动；挖深较大段配合挖掘机采取2m台阶逐层开挖施工.

2 数值分析模型

采用有限元分析软件3D－Sigma进行数值模拟.采用六面体8节点等参数单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元，钢拱架的作用可采用等效的方法来考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷混凝土.在进行弹性材料模型进行计算时，围岩采用体单元，锚杆采用杆单元，型钢采用梁单元，喷射混凝土衬砌采用壳单元.建模时，为确保计算精度，共分19731个单元，72134个节点，靠近隧道区域网格较密，远离隧道处网格划分较稀疏.

表1 材料力学参数Tab.1 Mechanical parameters of materials

2.1 模拟范围的确定及边界条件

X轴即水平范围：以隧道中心轴线向外各延伸40m，总的水平计算范围为137m；Y轴即隧道纵向范围：自支护起点向洞内延伸50m；Z轴即竖向范围：以隧道中心水平轴为界上下各延伸40m.地表表层土厚约2m，往下是厚约5m的强风化灰岩，再往下是弱风化灰岩.洞口处一衬混凝土厚度30cm，二村混凝土厚度50cm，洞内和施工槽分别采用15cm和20cm厚喷锚支护.

边界条件：模型的X方向，左右边界有横向约束，Y方向只有朝洞内的纵向约束，Z方向只有朝地面以下的竖直方向约束.

2.2 施工步骤和计算工况

按照实际施工过程的各阶段先后顺序进行模拟，共12个施工步骤：①自重应力场计算；②左洞开挖施工槽；③边仰坡锚喷支护；④前置支护施工；⑤洞口回填；⑥前置支护内开挖；⑦～⑫，暗洞内开挖、支护循环施工，暗洞共施工8m.网格划分与前置支护结构如图1～2所示.

图2 前置支护模型Fig.2 The pre－support model

2.3 计算结果与分析

2.3.1 拱 顶

计算结果如图3～4所示，在拱顶处出现最大值，由拱顶朝两侧逐渐减小.由于结构自重影响，当前置支护施作完成时支护边缘处的沉降约2cm，暗洞拱顶沉降最大值约8.4mm，前置支护外端最大值为1.96cm，说明前置支护拱顶沉降受暗洞施工影响很小.外端拱顶沉降比前置支护与暗洞交界处拱顶沉降值大很多，说明前置支护结构承载水平荷载的作用很明显，为确保安前置全支护结构施作完应尽快进行回填.

2.3.2 水平方向

如图5所示，洞口施工槽两侧水平向位移不超过5mm，洞口施工槽开挖仰坡处纵向位移最大约3mm，说明支护结构及两洞间土体对洞口处山体有明显的支撑作用，确保了洞口处仰坡的稳定性.

2.3.3 周边收敛

如图6所示，前置支护与暗洞交界处拱腰收敛相对于边墙收敛值稍大，最大值不超过1.3mm，暗洞开始施工时收敛较明显.说明前置支护与暗洞交界处周边收敛位移受其附近围岩开挖施工影响较大，位移量受后续施工影响逐步减小，暗洞施工6m时，周边收敛位移趋于稳定.

图3 洞口第一断面开挖竖向位移图Fig.3 The vertical displacement diagram of first section of excavation

图4 暗洞拱顶竖向位移变化过程Fig.4 The vertical displacement of dark vault

图5 洞口第一断面水平位移图Fig.5 The horizontal displacement diagram of first section of excavation

3 隧道洞口处施工监测

图6 周边收敛位移随施工过程变化Fig.6 The peripheral convergence displacement changed with the construction process

通过地表下沉、周边收敛、拱顶下沉等变形监测，对可能出现的塌方、失稳、冒顶、大变形等安全事故及时预测及预警，以便及时采取应对措施，防患于未然；通过施工监测数据分析，完善施工方案、优化支护参数和合理预留变形量，实现隧道信息化施工，以保证施工安全和隧道的长期稳定.

由图像时态曲线整体分析得出，地表下沉变形速率、周边收敛变形速率逐步变缓并趋于回归，且符合《公路隧道施工技术规范》（JTG F60－2009）中对最大位移变形的要求.由于入口左洞月初尚处于洞口浅埋段施工，变形量相对较大，随着工程的不断推进，对围岩扰动也相对变小，地表下沉、拱顶下沉和周边收敛总体变形量趋于稳定，并呈现出收敛趋势.从整个进洞阶段位移变化图中可知，围岩整体稳定较好，并未出现变形过大导致失稳的现象，验证了支护方式的合理性、施工参数的有效性和施工方案的可行性.

1）洞口段地表第一断面（离洞口20m）沉降56d的监测结果与模拟结果对比如图7所示.整体上，监测结果与模拟结果基本一致，地表沉降都控制在安全、较为合理范围之内.地表沉降值都是在隧道拱顶处较大朝两边逐渐减小的分布形式，沉降变形主要集中在拱顶处10m的范围内，监测结果显示左洞口里程桩号ZK5＋033处地表变形沉降槽中的最大稳定值为25.01mm，而模拟结果为26.56mm；由于洞口施工期间连续降雨的影响，监测得到远离拱顶部的地表沉降值略大于模拟结果，拱顶最大沉降量相差1mm.在监控量测过程中发现地表沉降主要发生在上台阶开挖的过程中，所以要减少地表沉降应采取超前支护，同时及时加强初期支护.

图7 入口左洞第一断面ZK5＋033地表累计下沉曲线对比图Fig.7 The surface accumulated subsidence curves of first section（ZK5＋033）of left tunnel entrance

2）洞口浅埋段第一断面（距离洞口12m）拱顶下沉35d的观测结果如图8所示.左洞口典型断面ZK5＋041和断面ZK5＋033拱顶下沉变化曲线总体上呈“厂”型，在监测的前10天3个测点变化都比较大，但随着围岩继续加固，3个测点的拱顶下沉变化都得到有效的控制，在监测的第18天，3个测点拱顶下沉变化已基本稳定，最大的变形量为34.33mm，最终最大稳定值为34.15mm.

图8 入口左洞第一断面ZK5＋041拱顶下沉时态曲线图Fig.8 The vault subsidence curves of first section（ZK5＋041）of left tunnel entrance

3）洞口浅埋段第一断面（距离洞口12m）周边收敛26d监测结果如图9所示.在初始阶段围岩周边收敛值变化较快，是因为注浆加固围岩的效果还不明显，但是随着时间的推移此处围岩各个参数得到提高，另外钢拱架本身受力较大拱圈下沉，但拱圈下沉到一定程度后，其承载力得到充分发挥，此时周边收敛逐渐趋于平衡状态.由此可以说明采取的措施是有效及时的.

4 结论

对比分析实际量测与数值模拟结果，主要结论如下：

图9 入口左洞第一断面ZK5＋041周边收敛变化曲线图Fig.9 The peripheral convergence curves of first section（ZK5＋041）of left tunnel entrance

1）前置式洞口法可以显著地减少洞口边仰坡的开挖和有效地保护洞口原生植被，该法能较好地解决长期以来传统洞口施工方法造成的各种边仰坡病害，达到真正意义上的绿色环保.

2）数值模拟和监测施工过程中隧道洞口处各项变形值都在安全范围之内，洞口施工槽两侧及仰坡处的水平向位移均不超过5mm，远小于传统施工方法的沉降值，表明前置洞口法是处理山岭隧道洞口浅埋的有效方法，该方案的前置支护措施可以提高隧道洞口处土体的整体稳定性.数值模拟和实际监测数据显示，用台阶法施工时地表沉降主要发生在上台阶开挖的过程中，所以采用超前支护是减小地表下沉的有效措施.

3）前置支护与暗洞交界处拱顶沉降值远小于外端拱顶沉降，说明前置支护结构受水平荷载的约束作用很明显，因此前置支护结构施作后应尽快进行回填.

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