浅埋弃渣堆积体影响下的隧道支护技术研究

李波 何涛 中交第二公路勘察设计研究院有限公司

1.工程概况

保康至神农架高速公路路线里程全长约43.259km，分5个施工标段，全线桥梁总长10615.8m/27座，隧道总长26258.6m/11座，桥隧比例85.24%，另有60m的引水洞一座。是湖北省“十二五”规划中“九纵五横三环”高速公路网规划以及“鄂西生态文化旅游圈”建设的重要组成部分，同时也是神农架林区同外界沟通联系的第一条高速公路。针对隧道工程可能出现的施工风险，提出针对性预防措施，从超前地质预报、涌水帷幕注浆及监测数据动态调整施工工法等有效手段，保证了隧道施工的安全。

2.隧道工程地质概况

隧道采用上下行分离式设计的四车道隧道，隧址区地貌为构造剥蚀中低山区。山体地形被切割较为强烈，山顶线多为圆锥状，山脊为波状起伏状。根据地质调绘、钻探及物探等相关勘察资料，隧址区出露地层主要为第四系更新统残坡积粘土，泥盆系中统跳马涧组强～中风化砂质页岩等组成。隧址区内因地质构造影响，受燕山期花岗岩侵入，岩层受到强烈挤压，局部有方解石脉和石英脉穿插。

隧道岩性为中风化砂质页岩，节理裂隙较发育，岩体呈破碎—较破碎，围岩自稳性较差，侧壁易发生掉块现象或致失稳，拱部由于无支护同样易引发掉块，爆破震动过大时易导致塌方问题，从而使得初期支护变形严重，下沉变形而严重侵入建筑限界。此外，工程施工过程中下穿弃渣场和一条乡村公路（现为施工便道，载重货车较多），弃渣场内拟弃渣高度约为20m。弃渣场原为山体冲沟，经现场复测数据显示冲沟底原地表处最小高程为754.884m，该处隧道埋深约为22.69m，弃渣场内弃渣对隧道形成较大的土体压力。

本项目隧道围岩强度较低，开挖后不具备良好的自稳能力，同时在隧道上方还有22m厚的弃渣场，为确保工程的长期运行安全，需要对该段隧道结构的安全性进行系统的校核和工程处置，才能保证隧道运行期安全。

3.弃渣堆积体下隧道工程支护参数研究

3.1 边界条件及参数

首先采用地层结构法对结构的受力特征进行数值仿真分析，复合式衬砌设计时，V级围岩中二衬作为主要承载结构。此处假设开挖后围岩应力释放20%，初衬与围岩承担40%围岩压力，二衬承担40%围岩压力。

计算时首施加初始地应力场，对于浅埋隧道工程，只考虑自重应力，数值计算时，开挖时先释放20%的围岩荷载，初期支护喷射混凝土承担40%的荷载，永久支护二衬钢筋混凝土承担40%的剩余荷载。

采用FLAC 3D软件开展数值计算，模型尺寸为：竖向取80m，水平向取50m。

隧道围岩采用Mohr-Coulomb屈服准则进行非线性弹塑性分析。将围岩划分为四边形等参单元法模拟，采用Liner element模拟隧道初衬和二衬。围岩和衬砌结构的具体几何参数按照设计参数设定，其物理力学参考相关规范指标进行取经验值，初衬中钢拱架采用等效方法模拟，将钢拱架弹性模量按照体积含量与喷射混凝土进行折算后获取计算值。

对于弃渣场弃渣荷载，采用等效荷载方法进行施加。数值模拟计算时，在隧道开挖及支护完成后，将弃渣堆以均布荷载方式施加于地表，重新进行计算至平衡。

3.2 数值计算结果

相关计算结果表明，弃渣堆载前后洞内外变形及支护结构受力变化幅度较大。堆载前，围岩变形范围主要集中在隧道开挖轮廓附近，隧道上方围岩向下沉降，隧道底板附近围岩略微有些隆起，两侧围岩具体表现为向隧道内收敛状态，且变形值不是很大，围岩最大位移矢量为7.8mm。堆载后，围岩在水平方向上位移略有增大，但最大值仅为3mm，而在竖直方向上则表现为整体向下沉降趋势，自下至上沉降值逐渐增大，且隧道开挖范围以上部分围岩沉降值较大，最大沉降出现在隧道拱顶对应的地表位置，最大位移矢量达30.2mm。此外，衬砌结构内力在堆载前后变化也很大，隧道初衬和二衬结构的内力均增大较多，而初衬和二衬内力增幅差异较大。对于衬砌结构，堆载后的内力约为堆载前的2倍，而对于二衬结构，堆载后的内力达到堆载前的3.5倍。由此可见弃渣堆载对隧道二衬结构安全影响较大，现对其安全性进行验算。

3.3 结构安全系数的校核

根据现行标准《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018），公路隧道衬砌数值计算验算构件截面强度时，根据不同荷载组合时，采用不同的安全系数。

混凝土衬砌结构内力检算是按破损阶段法进行的，具体作如下分析：

当e0≤0.2h时（e0为截面轴向力偏心距，e0=M/N，其中M、N为作用于检算截面的弯矩和轴向力，kN），对于隧道钢筋混凝土衬砌，其承载能力是受抗压强度所控制，应由抗压强度进行检算，计算公式如下式（1）所示：

式（1）中，K—混凝土和石砌结构安全系数；φ—构件的纵向弯曲系数（拱圈及墙背回填密实可靠的边墙，φ=1）；α—轴向力偏心影响系数；Ra—混凝土或砌体的抗压极限强度，MPa；b、h—截面的宽度和厚度，m。

当e0＞0.2h时，从抗裂要求出发，由截面抗拉强度控制承载能力，其计算公式见式（2）：

式（2）中，Rl—混凝土的抗拉极限强度，MPa。

结合现场施工设计相关图纸资料，对于C25混凝土而言，取抗压极限强度Ra=19MPa，抗拉极限强度Rl=2.0MPa，厚度h=0.45m，由公式（1）、（2）可以计算出二衬各截面位置的安全系数。弃渣堆载前二衬各截面安全系数平均值大于10，规范规定安全系数最小值为3.6，能够满足规范要求。

弃渣堆载后，二衬安全系数普遍减小，安全系数平均值约为4，且边墙和仰拱部位的安全系数普遍小于3.6。

上述安全系数的计算并未考虑配筋，结合衬砌受力状态分析，受力不利的位置均位于边墙和仰拱交接的范围，受力特点是衬砌偏向围岩一侧的受拉。考虑到受拉侧在内部，受到围岩的抗力约束作用，因此对结构的影响相对较小。因此实际上二衬的结构安全性能得到保证。

初期支护的受力情况与二衬类似，其受力薄弱位置也处于边墙和仰拱交接范围。如前所述，考虑到仰拱回填、初支与围岩接触良好等因素，边墙和仰拱交接范围初支安全性可得到保证。

3.4 工程现场处理效果

针对隧道穿越弃渣场沟底后，初期支护发生钢支撑压弯及下沉量侵入建筑限界的实际情况。提出了控制涌水、反压回填及加固围岩与优化施工工法的措施。根据现场观察及对量测数据的分析，左、右洞施工正常，左、右洞掌子面按上下两台阶法开挖，由监测数据可以得到，靠近近掌子面的监测点，由于受工程开挖扰动等影响，导致沉降和收敛值稍大，但各项监测数据均正常，正常施工日均拱顶沉降和水平收敛变形都已在0.20mm/d以下，符合监控量测规范变形稳定要求。由于隧道浅埋并有弃渣覆盖，施工期间对多个断面进行了长期变形现场监测，监测结果表明工后处理效果非常好。

4.结束语

本文结合隧道工程的建设，考虑施工堆载影响的结构设计方法，主要结论如下：

（1）隧道下穿弃渣场段在弃渣堆载前后变形和受力变化较大，弃渣堆载使围岩竖向位移大幅增大，初支和二衬结构的受力大幅增加，对隧道结构有明显的影响。

（2）除边墙和仰拱交接范围外，弃渣堆载前和堆载后隧道的二衬结构安全系数均能满足规范要求。尽管堆载后二衬受力增加导致安全系数降低，特别边墙和仰拱部位安全系数较小，但考虑到仰拱回填、支护结构和围岩接触良好等因素，在衬砌结构变形过程中可提供抗力约束，实际上边墙和仰拱交接范围结构安全性可得到保证。