黎家湾隧道不良地质段施工控制技术研究

程 佳 战启芳 刘训臣

(石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041)

1 引言

随着我国经济的快速发展，对交通运输有了更大的需求，然而我我国山地面积广泛，约占全国总面积的 60%，因此隧道建设显得极为重要。由于对环境的保护要求和施工技术不断提升，隧道建设不可避免地要穿越富水、偏压、浅埋、破碎围岩等不良地质段，给项目施工带来了极大的挑战。本文依托巴达铁路黎家湾隧道工程，针对其不良地质段提出相应的施工控制措施，并对其施工效果进行数值模拟分析，从而评价控制措施，可为类似工程提供参考意义。

2 工程概况

黎家湾隧道位于丘陵地区，地貌受到侵蚀，地形起伏小，地面标高在386～430 m之间。坡脚和山坡处基岩被侵蚀特征明显，山顶呈现马鞍形。隧道出口处通过202省道，交通较便利。隧道范围内上覆坡残积粉质粘土、坡洪积粉质粘土、坡崩积粉质粘土夹块石，隧道以下土质为上沙庙组砂岩夹泥岩，隧道洞口范围内有薄层黄土，基岩面起伏及风化不均。通过物探和地表测绘发现隧道通过范围内存在两处断裂构造，分别位于：X2DK0+280和X2DK0+510附近。同时发现存在含泥质极软岩夹层，岩体破碎严重，位于X2DK0+530～X2DK0+660段。场地地下水为为基岩裂隙水，最大单位长度涌水量4.61 m3/d，属于中等富水区。因此本隧道地质条件复杂，施工难度较大。

3 不良地质段施工控制措施

由于黎家湾隧道围岩含泥质极软岩夹层，容易引起塌方，且为中等富水区，因此采用拱墙格栅及拱部超前砂浆锚杆加强支护，开挖方式为台阶法，通过锚、网、喷进行初期支护，然后进行拱墙一次衬砌。考虑到遂址范围内存在断层和软弱破碎带，为保证隧道施工安全，防止涌水、突泥和坍塌事故的出现，隧道开挖过程中要严格进行监控量测，随时根据监测结果进行后续施工方案调整。

3.1 预加固措施

在分析预测结果与地勘资料的基础上，采用TSP对隧道前方100～200 m范围内的围岩进行判释。如果遇到溶洞时，需要应用地质雷达进行探测。全线隧道用Φ22的砂浆锚杆和中空锚杆进行支护，但针对Ⅴ级围岩，必须提前施作Φ42超前小导管进行预加固，全环格栅钢架。施工过程中加强监控，注意通风。

3.2 注浆堵水加固

根据现场施工实际情况，在分析超前探水钻孔与超前地质预报的基础上，确定注浆堵水方案。注浆方式包括开挖后周边注浆、3 m径向注浆、局部断面注浆，有效的将地下水封堵在围岩内，从而保证施工安全。有效加固范围为开挖轮廓线以外5 m范围内，注浆孔分布方式为梅花形，环向、纵向间距均为1.5 m，孔底间距不大于3 m，注浆孔直径为46 mm，孔深4.5 m，与隧道轴线呈60°夹角，孔口需要设置孔口管，孔口管为0.5 m的热轧无缝钢管。根据不同范围内的具体地质情况，注浆材料不同，如以加固为主采用纯水泥浆，以堵水为主采用双液浆，注浆压力为静水压力的(2～3)倍，。在同一个注浆段范围内，从两侧到中间注浆，间隔施工，对于同一排孔注按从上往下的顺序注浆。开挖时，一个注浆段范围内需保留5 m范围不开挖，作为下一个注浆段的止浆岩盘。浆液浓度以现场实际情况进行调整，注浆压力初步定为0.5～1.5 MPa。

3.3 开挖方法

隧道开挖方法采用台阶法，分为上下两个台阶。上部台阶先开挖，开挖完成后及时施作初期支护，即初喷4 cm厚混凝土，再进行混凝土喷射直至设计厚度，为保证围岩和初期支护变形满足设计要求，在施工钢架时一般采用锁脚小导管作为控制措施。下台阶进行开挖时(上台阶喷射混凝强度达到设计的70%以上)，采用两边开挖中间拉槽的方式，从而方便机械出渣和其他施工作业。待下台阶法开挖完成后，及时浇筑底板混凝土。

图1 网格图

4 数值模拟分析

为验证支护方案的可行性，对隧道支护方案进行数值模拟分析，计算软件采用 MIDAS公司的GTS软件。建立的模型隧道埋深60 m，隧洞高度为9.7 m，下部宽度为7.5 m。支护锚杆及混凝土厚度按设计要求布置，开挖方式分两步开挖。在隧道开挖分析中，共设置五种工况，即上部土体开挖、上部锚杆支护、下部土体开挖、下部锚杆支护、混凝土硬化。模型采用四边形单元，土层单元体网格大小为2 m，隧道单元体网格大小为0.2 m；总共划分4 251个单元，计算参数见表1，模型如图1所示。

（1）水平位移分析（图2所示）

图2 隧道水平位移图

通过数值模拟，可以得出隧道水平位移在开挖过程中沿中心线大致呈现对称分布，最大水平位移值为 22.9 mm，其位置出现在左侧拱脚。开挖初期水平位移较大，但施作锚杆后能有效的减小水平位移，然而随着下部土体开挖，水平位移会继续增大。当全部混凝土硬化完成后，隧道位移场达到稳定。因此，本工程施工方案能够有效的控制围岩变形，防止隧道出现坍塌事故。

（2）拱顶沉降分析（图3所示）

图3 隧道竖向位移图

通过数值模拟竖向云图，得出开挖初期拱顶沉降增大，但施作锚杆后能有效的减小拱顶位移，然而随着下部土体开挖，拱顶位移会继续增大。当全部混凝土硬化完成后，隧道变形达到稳定，沉降值最终得到控制。

通过对隧洞的数值模拟分析可以预测隧道在当前施工条件下的稳定性，为设计院提供参考依据，为下一步施工做准备。

5 结论

本文以黎家湾隧道为工程依托，深分析其不良地质灾害特性，有针对地制定灾害控制措施，并通过数值模拟分析对其控制效果进行评价，得出以下几点结论。

（1）黎家湾隧道不良地质段施工控制措施主要包括预加固措施、注浆堵水加固及开挖方法，其中预加固措施主要包括超前小导管注浆，开挖方法主要是台阶分部开挖法。

（2）对数值模拟得到的隧道水平位移及竖向位移可知，采用上述施工控制措施，其初期支护状况良好，可初步判定该施工控制措施取得了良好的效果，隧道围岩及支护结构变形方面得到了有效控制，保证了施工安全，达到了预计目标。