浅埋卵石土层隧道超前支护措施研究

邓祥辉, 刘锦涛, 王 睿

(1. 西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021；2. 西安市军民两用土木工程测试技术与毁损分析重点实验室，陕西 西安 710021)

0 引言

我国幅员辽阔，隧道在修建中将穿越多种多样的地质条件，其中，浅埋卵石土层就属于较为特殊的地层。隧道穿越浅埋卵石土层时，容易出现隧道掌子面失稳、拱顶局部失稳、甚至坍塌等工程问题[1-2]。因此，在开挖前需要采取合理的超前支护并加固地层，开挖施工中需要严格按照规范施工，才能有效保证施工安全。鉴于此，对于浅埋卵石土层隧道，超前支护措施的选取将直接影响该类隧道的施工质量和安全。

浅埋隧道在施工中常用的超前加固措施包括超前小导管、地表注浆、超前锚杆等方法[3-4]。从目前的研究情况来看，众多学者对各种超前支护措施、施工方法、支护效果等方面进行了研究[5-7]。如黄旭[8]采用现场监控量测与数值模拟相结合的方法验证了超前小导管注浆在浅埋软弱围岩隧道中的可行性。崔颖哲等[9]对富水砂卵石地层的浅埋暗挖施工进行了研究，提出隧道开挖采用台阶法，并配以超前小导管的支护方式可有效控制隧道变形。唐国荣、张建斌等[10-11]对北京城市富水砂卵石隧道的浅埋施工进行了研究，主要对CRD法+超前小导管与洞桩法+超前小导管进行了对比分析，得出洞桩法+超前小导管可以更好地控制沉降，减少对周边环境的影响。汪洋等[12]以成都市北延线隧道为工程背景，就富水砂卵石地层隧道施工开展了研究，提出在施作超前小导管、降低水位等支护措施后，采用浅埋暗挖的方法可有效控制隧道变形。刘魁刚等[13]对砂卵石地层隧道浅埋段超前小导管支护进行了研究，提出在该类型隧道中，合理选择小管径的超前注浆小导管可大幅提升施工效率。魏龙海[14]采用离散元法对砂卵石隧道浅埋段施工进行了模拟，提出采取设置管棚支护、小导管预支护或锚杆预支护措施可有效控制变形；但由于地质条件限制，施作超前管棚比较困难，建议采取小导管超前预支护措施。王余富等[15]对水下隧道穿越浅埋富水河漫滩砂卵石层的地表注浆方案进行了研究，认为地表注浆可有效降低地层的透水性，满足渗透系数的设计要求。随着研究的深入，一些专家发现：在浅埋段，卵石土层隧道的超前支护措施与地表注浆相结合，可有效改善围岩力学参数以达到控制变形的效果。胡鑫等[16]以邓家湾隧道为工程依托，提出了一种浅埋软弱地层隧道施工的地表注浆方法，采用竹管注浆与钢管注浆相结合，可保证施工安全和节约施工成本。张明[17]对马鞍梁隧道中浅埋砂卵石段采用的地表注浆加固工艺进行了研究，提出约束-发散型的注浆模式能有效限制浆液外扩，达到导水、挤压密实地层的效果。龙凯等[18]针对卵石土层隧道围岩自稳能力差、在浅埋段开挖后易发生坍塌、地表沉陷等问题，采用先地表注浆加固围岩，然后三台阶开挖；从结果来看，能有效提高围岩强度和减小隧道变形。

上述学者对砂卵石土层隧道浅埋暗挖施工所采用的超前支护方法做了很多研究，但一般采用单一支护措施，很少对比分析综合措施。本研究以青海省石羊岭隧道浅埋卵石土层段为研究对象，对该浅埋段分别以无支护措施、超前小导管、地表注浆以及超前小导管+地表注浆联合支护的支护方法进行模拟，并将模拟结果与现场实测数据进行对比分析，以期能达到对该类型隧道施工的指导作用。

1 工程概况

石羊岭隧道位于青海省互助土族自治县，左、右线隧道长度分别为1 822 m和1 796 m，其中左线ZK0+975至ZK1+150、右线YK0+965至YK1+155穿越卵石土层，最浅埋深不足25 m，其围岩等级划分为V级，且上述里程为浅埋段。在实际施工中采用环形预留核心土开挖法，如图1所示。

图1 环形开挖预留核心土开挖法示意图Fig.1 Schematic diagram of annular excavation reserved core soil excavation method

该段隧道在施工中采用了超前小导管与地表注浆两种超前支护措施。小导管采用外径42 mm、壁厚4.0 mm、长400 cm的热轧无缝钢花管。钢花管环向间距约40～50 cm，外插角控制在10°～15°左右，设置于衬砌拱部约130°范围内，具体布置详见图2。地表注浆范围内竖向加固范围为地表至设计高程以下3 m，横向加固范围为内轮廓左侧8 m至右侧8 m。地表注浆孔采用梅花形布置，布孔间距为1.5 m×1.5 m，注浆时，先行钻孔，钻孔孔径不小于φ110 mm，之后在孔内放入φ50×5 mm的钢管，注浆区段内钢管按15 cm间距、梅花形设置注浆孔，地表注浆示意图见图2。

图2 超前小导管及地表注浆示意图Fig.2 Schematic diagrams of advanced small pipe and surface grouting

2 模型建立及模拟结果分析

2.1 模型建立

本模型均采用Midas GTS NX有限元处理软件进行分析。模型选取浅埋段YK0+975至YK1+035，共60 m。其中，隧道开挖拱顶上部土层为卵石土层，洞身周边围岩为片岩。由于隧道的开挖会对一定范围内的岩体造成扰动，一般为3～5倍的洞径。因此根据实际地质勘察结果，计算模型左右各取75 m，工程中浅埋段最大埋深为24.3 m，本模型上部浅埋卵石土层设置为24 m，下部片岩取70 m。以水平向为X向，隧道掘进方向为Y向，竖直方向为Z向，模拟隧道开挖顺序，严格按照图1所示进行。

(1)计算假定

模型中卵石土层与片岩均选用莫尔-库伦模型，锚杆则采用杆单元模型。同时，由于只模拟浅埋段，地应力计算时仅考虑自重应力。此外，二次衬砌一般作为安全储备，在隧道结构分析时受力较小甚至不受力，因此在模拟时也不做考虑。

(2)模型选择

模型以等效小导管加固区来表示小导管与喷射混凝土的共同作用，以等效喷混来替代初支中钢架、喷射混凝土等的共同作用。为保证模拟结果具有对比性，4种模拟都采用相同的工程参数，如表1所示，相关模拟参数根据隧道施工设计图与现场试验测试选取。

表1 数值模拟参数Tab.1 Numerical simulation parameters

2.2 模拟结果分析对比分析

2.2.1 Z向位移对比分析

隧道在施工过程中，主要通过控制围岩的变形来保证施工安全。本研究将对该浅埋卵石土层段隧道分别以无超前支护、超前小导管、地表注浆模拟以及超前小导管+地表注浆联合支护这4种方式进行模拟。对上述4种模型进行模拟分析，得到隧道开挖后的Z向位移，如图3所示。

图3 四种支护方式模拟的Z向位移(单位:mm)Fig.3 Displacement in Z-direction simulated by 4 support modes(unit:mm)

由图3可见，无任何超前支护措施的隧道Z向位移为105.4 mm，采用地表注浆的Z向位移为56.9 mm，采用超前小导管支护的Z向位移为81.2 mm，采用联合支护的Z向位移为52.4 mm。从Z向位移结果可见，采用4种方式的排序为：联合支护最好，地表注浆次之，超前小导管第3，无超前支护措施最差。同时，单独采用地表注浆、超前小导管支护时，与无超前支护措施相比，Z向位移分别减小了46.1%和23.1%，因此单一支护方式中，采用地表注浆比采用超前小导管更为有效。

2.2.2 X向位移对比分析

通常，支护措施的效果通过隧道围岩的竖向和水平向位移值来评价。对上述无超前支护措施、超前小导管、地表注浆以及超前小导管+地表注浆联合支护这4种情况进行数值模拟，得到X向位移，如图4所示。

图4 四种支护方式模拟的X向位移(单位:mm)Fig.4 Displacement in X-direction simulated by 4 support modes(unit:mm)

从以上模拟结果可见，浅埋卵石土层隧道开挖过程中，在无超前支护措施情况下围岩X向位移值为58.6 mm，采用地表注浆措施的位移值为40.7 mm，采用超前小导管支护措施的位移值为47.6 mm，采用联合支护措施的位移值为36.8 mm。与无超前支护的变形值相比，地表注浆降低了30.5%，超前小导管降低了18.8%，联合支护降低了32.1%，说明联合支护方式在控制X向变形方面更好。同时，对比地表注浆和超前小导管，采用地表注浆支护变形更小，这与Z向位移的结论一致，即地表注浆的效果要优于超前小导管。综合4种支护方式的X向、Y向的数值分析结果可见，4种支护方式的排序为：联合支护最好，地表注浆次之，超前小导管第3，无超前支护措施最差。

3 模拟结果与实测结果对比分析

3.1 监控量测方案

本隧道监控量测使用PENTAX R-422NM全站仪，仪器精度为1 mm+1 ppm与JTM-J7100系列收敛计，精度为0.01 mm，监测方案严格按照《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660—2020)[19]的要求进行。沉降观测点选取拱顶、拱顶偏左与拱顶偏右共3个测点，水平收敛测线布置在跨度最大的拱腰部位，监测点布置如图5所示。

图5 监测点布置Fig.5 Layout of monitoring points

3.2 典型断面实测位移分析

根据上述数值模拟结论，现场隧道施工方案采用地表注浆+超前小导管联合支护方式，并对现场隧道变形进行了监测。由于监测结果规律比较一致，变形数值相差不大，因此对右洞监测断面中的典型断面进行分析，监测结果如图6所示。

由图6可以看出，4个典型断面隧道的拱顶沉降和周边收敛在开挖后10 d左右急剧增加，在15 d左右达到峰值。在YK0+976至YK1+032近60 m的监测区段中，拱顶最大沉降达到50.9 mm，而采用共同支护情况下模拟的最大沉降为52.4 mm，误差仅为2.9%；最大收敛值发生在YK0+976断面，数值为29.3 mm，而采用共同支护情况下模拟的最大收敛值为36.8 mm，模拟值与实测值误差为25.5%，模拟值与实测值较为接近。因此，采用本研究建立的数值模拟方法模拟浅埋卵石土层隧道变形是比较合理的。

图6 典型断面位移-时间曲线Fig.6 Displacement-time curves of typical section

3.3 数值模拟结果与实测结果对比分析

实际监测区段为YK0+976至YK1+032，近60 m，浅埋卵石土层隧道模型为YK0+975至YK1+035，共60 m。因此实际监测区段变形监测结果可与数值模拟结果进行对比分析。现取模型中与典型断面位置一致的断面进行对比分析，详见表2和表3。

表2 典型断面Z向位移对比Tab.2 Comparison of displacements of typical section in Z-direction

由表2和表3可见，隧道开挖后Z向、X向数值模拟位移和实测位移数值相差较小，且数值模拟的各断面位移值变化趋势与实测断面的变化趋势大致相同。从图6和表2、表3可以看出，随着隧道的开挖，数值模拟的变形率和实测的变形率逐渐减小，呈现出变形逐渐趋于稳定的趋势和规律。但对比开挖过程中的位移可以看出：在Z向与X向位移中，实测值与模拟值的最终变形相差略大，最大偏差达到26%，主要原因是在实际施工中，施工人员可根据监测数据对施工方案进行优化，如在位移变形较大时，可调整施工参数(如控制隧道的开挖进尺、调整二衬支护时机等)。而模型在模拟计算过程中，难以对施工步骤进行调整和优化，因此呈现出模拟值比实测值略大的情况。综上所述，本研究建立的联合支护模型可以较好地反映隧道地层参数、施工开挖过程以及支护情况。

表3 典型断面X向位移对比Tab.3 Comparison of displacements of typical section in X-direction

4 结论

本研究以青海省石羊岭隧道为工程依托，采用数值模拟的方法对无超前支护措施、超前小导管、地表注浆以及超前小导管+地表注浆联合支护措施分别建立了模型，并对模型模拟的结果进行了对比分析。在此基础上，通过对比数值模拟和实测的位移值，确定了浅埋卵石土层隧道的超前支护方式，得出的主要结论如下：

(1)从该隧道典型断面对比结果中可以得出，模拟结果的变形趋势与实测值的变形趋势较为吻合，且各开挖部分的模拟结果也与实测值相近。因此，本研究建立的数值分析模型是合理和可行的。

(2)从数值模拟结果可见，与无超前支护措施相比，采用地表注浆的超前支护方式，X,Z向的变形分别减小了30.5%和46.1%；采用超前小导管的支护方式，在X,Z向的变形分别减小了18.8%和 23.1%；在超前小导管+地表注浆联合支护作用下，X,Z向的变形分别减小了32.1%和50.3%。因此，在相同施工条件下，采用地表注浆+超前小导管联合支护的效果明显优于单一支护方式。

(3)从数值模拟结果来看，单独采用地表注浆、超前小导管支护时，与无超前支护措施相比，Z向位移分别减小了46.1%和23.1%，X向位移分别减小了30.5%和18.8%。因此在两种单一支护方式控制变形方面，采用地表注浆比超前小导管更为有效。