深圳LNG工艺隧道出洞安全性分析

【摘 要】隧道出洞是隧道施工工况最复杂、质量及安全隐患最多的地段之一。合理选择出洞方案及辅助措施能有效地保证出洞安全，并大大降低工程费用。深圳LNG工艺隧道出洞存在诸多风险，本文采用数值计算的方法对影响出洞安全的因素及采取的措施进行了计算分析。结果表明，锚固技术是处理岩质边坡的有效措施；减少施工扰动、加强支护是保证隧道出洞安全的关键；小导洞施工符合力学原理，优势明显，是安全有效的出洞方式。

【关键词】隧道出洞；边坡稳定性；下穿公路；小导洞；数值模拟

【Abstract】Tunnel unkennel construction have most complex conditions， maximum quality and safety problems. Reasonable tunnel construction scheme and complementary measures can effectively guarantee the safety of its hole， and greatly reduce the cost of the project. There are many risks in Shenzhen LNG technology tunnel hole construction. In this paper， the method of numerical is used to calculate the factors affecting the safety of the hole and measures ， The results showed that anchoring technique is an effective measure of dealing with rock slope； reduce construction disturbance ， reinforced support is key to ensuring the safety of the tunnel hole； small guide hole construction in line with the principles of mechanics， have obvious advantages ， is a safe and effective way out of the hole .

【Key words】tunnel unkennel construction； slope stability； beneath the road； small guide hole； Numerical Simulation.

一、引言

卸料管線是LNG接收站非常重要的组成部分，受环境、地形等条件的限制，经常将管线至于隧道中来穿越海洋、山岭等[1，2]。由于LNG工艺隧道功能要求，隧道断面尺寸通常较大，且断面形式也与常规山岭隧道有较大不同。深圳LNG工艺隧道出洞位置位于大鹏湾，出洞仰坡属于高陡仰坡，岩性较差，夏季施工降水量较大，受扰动极易发生破坏。隧道洞口下穿葵鹏公路，重载LNG罐车在此经过，隧道的开挖扰动将会影响行车安全。综上所述，深圳LNG工艺隧道出洞面临着大断面、浅埋、下穿公路、高陡边坡等难题，出洞安全性要求高，施工难度大。

目前，工程中对于边坡的处理措施主要包括优化边坡体型、设置支挡结构、改变土质、锚固技术等[3]。对于隧道下穿公路通常采用加强洞内支护、控制爆破等措施来控制公路沉降[4，5]。本文利用FLAC3D数值计算软件对隧道出洞进行了模拟，并将模拟结果与实测结果进行对比，分析了支护措施的效果，以期对工程施工人员起到一定的指导作用。

二、工程概况

深圳LNG工艺隧道为山岭隧道，隧道进口位于大鹏湾海边，地形为陡崖。洞口以中、微风化岩为主，进洞口边坡分布有松散堆积物，基岩出露，中等风化岩裂隙发育。洞身位于地下水位以下，主要为基岩裂隙水，中风化岩层具一定富水性，淋雨状出水，单位出水量<10L/min·m。隧道出洞洞口情况如图1所示。

隧道初期支护由30cm厚、C25早强喷射混凝土，直径8mm、间距200mm×200mm钢筋网，直径25mm、长3.5m，环向1.5m×1.5m梅花型布置的系统锚杆，间距为50cm的型钢钢架组成。

隧道拱部120o范围设置直径42超前小导管43根/环，2m/环设置，小导管长度为4m，间距40cm并注浆。隧道出洞段采用大管棚超前支护，大管棚采用直径108钢管，间距40cm。大管棚采用地质钻机成孔，注浆泵注浆，外插为1o～3o。

洞口仰坡采用挂网喷射15cm厚C20混凝土加固边坡，垂直于仰坡方向施工长12m锚杆，锚杆锚孔孔径为200mm，锚杆材料采用HRB400直径28钢筋，锚孔内灌注M30水泥（砂）浆。

隧道Ⅲ级围岩采用上下台阶法开挖，周边采用光面爆破减少对围岩的震动以控制成形，开挖进尺控制在1±0.2m范围内。当隧道掘进距离洞口25m时，停止掘进，采用从洞内挖掘小导洞的方式出洞。小导洞段采用弱爆破法，人工配合开挖。在接近贯通8m时每循环打超前探孔以探明前方距明洞距离。小导洞出洞方案如图2所示。

3计算模型

模型不考虑裂隙影响，采用均质模型，不考虑构造应力，以围岩自重应力场为主。模型左右、前后边界为水平法向约束，下边界为竖向约束，地表及边坡为自由面。围岩采用实体单元模拟，本构模型采用摩尔-库伦模型，初期支护采用弹性模型，空模型模拟开挖；锚杆采用锚索结构单元模拟，小导管、管棚采用梁结构单元进行模拟[6，7]。计算模型如图3所示。

模型长、宽各80m，左右边界距隧道各33.55m。由于上下台阶距离较远，建模时只考虑上台阶开挖影响，每1m开挖一步，超前小导管超前掌子面3m，掌子面后方径向注浆、锚杆落后掌子面一步，初支落后两步，不考虑二衬影响。

隧道洞口仰坡段15m范围内为Ⅳ级围岩，其余为Ⅲ级围岩。地层参数如表1所示。

FLAC3D模拟中将钢架和钢筋网按刚度等效进初支中，注浆强化围岩采用等效方法进行模拟，注浆加固圈厚度由式（1）确定，折算弹性模量可以按式（2）计算选取[8，9]。

式中：R——浆液的扩散半径，m；

S——相邻两注浆孔间距，m；

E——折算后地层的弹性模量，GPa；

E0——原地层的弹性模量，GPa；

Eg——钢管的弹性模量，GPa；

Sg——钢管支护等效截面积，m2；

SC——支护断面截面积，m2。

四、结果分析

4.1仰坡稳定性分析

岩体中结构面的存在，降低了岩体的整体强度，增大了岩体的变形性能，是影响岩质边坡稳定性的重要因素之一。大量的岩质边坡工程失事证明，不稳定岩体往往是沿着一个适宜的结构面或多个结构面的组合边界的剪切滑移，张拉破裂和错动变形等而造成边坡岩体的失稳[10]。锚杆能使岩体中裂隙、破裂面得以连接，会增大结构面摩阻力、提高节理面抗剪强度；注浆更会增强岩体强度（即c、φ值）[11]。因此锚固技术是防止岩质边坡破坏的有效措施。

《铁路隧道设计规范（TB10003-2005）》中对Ⅳ级围岩边坡高度、坡度都给出了设计参照值。本工程受当地地形限制无法对仰坡进行刷坡处理，而且过度刷坡会导致仰坡失稳。因此仅对仰坡表层浮土、危石进行清理整修，分层进行喷锚挂网防护，并施工锚杆、注浆加固仰坡岩体。仰坡加固效果如图4、5所示。

从进行仰坡加固前后沿隧道方向（Y）位移来看，加固后最大位移值明显减小；从发生位置来看加固之后，最大位移位置较未加固时上移，发生位移的岩体体积减小，仰坡稳定性提高。

隧道洞口仰坡的稳定性在本质上是隧道工程和边坡工程在洞口这个特殊位置上的相互稳定性问题，而不是一般意义上的边坡稳定性问题。隧道开挖后，在应力释放和应力重分布过程中，围岩向洞内产生变形，并可能发生围岩的局部破坏，导致围岩发生严重松驰。对于隧道洞口仰坡，局部的围岩松弛破坏可能改变其应力场环境和水文地质环境，从而引起变形和破坏[12]。而且，对于矿山法施工的隧道，爆炸荷载会使围岩裂隙增大、增多，岩体更加破碎，仰坡更易发生破坏。隧道开挖过程中位移变化如图6所示。监测点位置为图5最大位移处。

从图6可以看出，隧道开挖至仰坡位置时，隧道开挖的扰动使仰坡位移急剧增大，可见开挖过程对于仰坡稳定性影响较大。由于在开挖过程中采用了控制爆破、减小开挖进尺、减小扰动、加强边坡及隧道内支护等措施，仰坡位移量较小，仰坡仍处于稳定状态。

4.2隧道下穿公路安全性分析

深圳LNG工艺隧道正交穿过葵鹏公路，拱顶至路面距离为16.9m，围岩等级以Ⅲ级为主，公路上常年行驶100t重型罐车。浅埋隧道下穿公路时会引起路面下沉，影响行车安全，给施工造成困难，同时公路上重型车辆荷载会使隧道内位移增大，影响施工安全。工程中常采取减少施工扰动、加强支护等手段来保证下穿段的施工安全[13，14]。

施工中严格贯彻执行“短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”方针，为保证上方公路通行安全采用超前大管棚对下穿段进行超前支护，Ⅲ级围岩采用上下台阶法开挖，增加临空面，减少一次爆破装药量，爆破采用低药量、弱振动的微差控制爆破，加强爆破监测和隧道的监控量测，确保洞内施工及公路安全。

数值模拟中将重车荷载简化为重车范围内均布荷载作用于隧道正上方公路中央（y坐标为27～29）。重车荷载对隧道拱顶下沉影响如图7所示。

从图7可以看出拱顶沉降于40～60m处发生急剧变化，说明重车荷载在此段对隧道围岩变形影响较大，根据重车荷载位置判断，其对隧道变形影响范围约为作用位置两侧各10m，考虑到车辆荷载位置的变化，应在公路下方提前10m加强支护。

取隧道拱顶正上方葵鹏公路中间位置对拱顶下沉、公路下沉进行分析，结果如图8、图9所示。

图8、图9中小导洞开挖阶段（开挖步46～73）隧道拱顶及公路均产生了小量下沉，隧道开挖后下沉量迅速增大，最终趋于稳定。隧道拱顶下沉实测值为3mm，公路下沉值为2mm，数值模拟结果与实测结果均较小。

五、结论

深圳LNG工艺隧道出洞面临着大断面、高陡仰坡、下穿公路等诸多难题，施工难度大，施工安全性要求高。本文采用数值模拟的手段，结合实际施工中采用的措施对该隧道出洞安全性进行了分析，得到以下结论：

1）岩体中结构面是影响岩质边坡稳定性的重要因素之一，锚固技术是处理岩质边坡的有效措施。

2）隧道的开挖对边坡的稳定性影响显著，施工中应注意减少扰动、加强支护，以确保边坡的稳定。

3）重车荷载对隧道围岩变形影响明显，应在其影响范围内采取措施加强支护。

4）小导洞施工从小的掌子面扩大到大的作业面，能够释放一定的位移，在力学上讲比较合理，对控制位移有着明显的优势，且小导洞的开挖能够探明前方的地质情况，加快出洞，改善洞内环境，具有明显的优势。

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作者简介：程永，2002年毕业于长安大学公路工程专业，现在就职于中铁大桥局，从事隧道施工管理和技术管理8年，现任深圳LNG工艺隧道工程项目经理。