隧道洞口施工结构及地层预加固技术研究

1、隧道洞口施工结构及地层预加固技术研究谢廷雷 (重庆交通大学，重庆40070）摘要：隧道洞口结构及地层通常具有稳定性较差、受力特性复杂、施工技术难度高和支护工程量大等特点，因此隧道洞口结构及地层易发生坍塌、滑坡等灾害。为控制隧道洞口变形量，提高隧道洞口整体稳定性，预加固技术在工程实践中较为常用。综合贵州石家坡隧道洞口地质状况，利用数值分析和模型试验研究和验证预加固技术对控制地层及结构变形量的重要作用和保证隧道洞口稳定的关键性，同时结合具体工程实际状况提出预加固多种结构形式及各自用途，以此为基础再提出隧道洞口结构及地层预加固桩施工设计技术方案和具体施工工艺流程，以期相关领域发展有所裨益。关键词：隧

2、道洞口；结构；地层；预加固；稳定性控制The key techniques of tunnel portal construction stability controlXie Tinglei(The Southern Engineering of the Chinese RoadBridge ,LTD,Beijing 101121,China)Abstract: Affected by the influence of engineering geologic condition, hydrogeological condition and artificial factor, the tu

3、nnel portal often occurs such as landslide, landslide disasters at the time of construction. Tunnel portal mainly has bad rock stability, complex structure system, construction of the supporting great quantities. Based on the geological situation of Shi Jiapo tunnel entrance of the Guizhou, we have

4、researched the tunnel entrance slope, surrounding rock and supporting structure stability and deformation control technology, and researched through the reasonable geostress release and the main problem with constraints effectively balance. It was proposed the reserved deformation, the reasonable ex

5、cavation method, the key parts of the primary support and reliable anchor strengthening injection, the key of control technology dynamic supporting stability such as reinforcement. Enhancing the stability of tunnel structure and formation not only can effectively solve the safety problems of tunnel

6、portal construction, also has immeasurable benefits on improving the construction progress of indirect.Key words: the tunnel portal；modified control；stability 引 言 隧道洞口段地质条件复杂，岩层软弱破碎，节理发育差，洞口施工是隧道施工中最为困难的地段之一，结构及地层稳定性差是关键问题，常见灾害为塌方、开裂和滑坡等。事故发生不仅会延误工期、提高工程造价，甚至会造成人身伤害，如果处治不当，还可能影响后续施工，遗留工程质量隐患。控制隧道洞口结

7、构及地层变形量，提高隧道洞口稳定性，保证施工安全和进度，因此有必要研究洞口的预加固技术措施。地层及结构常用的预加固措施为：预加固桩、地表砂浆锚杆、超前管棚、预注浆、超前锚杆、挡土墙、锚索等。既有隧道为例，分析预加固桩与套拱、仰拱、管棚整体受力体系，根据受力特点研究预加固桩作用机理。通过建立有限元数值模型和具体分析计算模型，对不同施工方案中隧道洞口预加固桩的受力机理分析，证明预加固机理的可靠性和有效性，进而有效控制洞口稳定性，完成预加固桩的结构形式设计和施工方案设计。1 预加固桩的理论研究根据弹塑性力学可知，将隧道洞口结构及地层看成各向同性且均质的弹塑性连续体，定义隧道洞口的初始应力，隧道半径为

8、，则根据摩尔-库伦塑性屈服准则可得隧道结构及地层的径向位移和径向应力、切向应力之间的关系表达式： (1) (2) (3) 上述式子中，、分别表示岩土体的粘聚力和摩擦力；为塑性区半径；为均匀的初始地应力。根据上述公式可知，隧道洞口结构及地层的应力取值、位移变形值、最终沉降值等均主要与周围岩土体的摩擦角、粘聚力等物理力学参数相关。控制隧道洞口地层及结构的稳定，主要取决于位移变形的控制，采用预加固措施，改善和保证、等物理力学参数取值，间接地降低了塑性区范围，提高隧道自稳性能。除此之外，在降低地层及结构的变形收敛值的同时，使作用在隧道洞口的长期或者短期荷载减少，极大的改变了衬砌结构的应力-应变状态。

9、目前采用较多预加固措施为洞口岩体注浆加固，但隧道洞口的地质条件复杂，工程量极难控制，尤其是注浆位置选取和注浆量取值控制尤为为困难，意外因素较多，可能发生大面积滑坡、崩塌。基于这种情况，研究另一种预加固理论（预加固桩理论），在满足同等预加固的技术作用条件下，以实现更为经济、安全、可靠的预加固目的，保证隧道洞口地层及结构的稳定性，同时也提高隧道洞口的施工和运营安全。1.1预加固桩的作用机理研究隧道洞口开挖前在隧道明挖和暗挖分界处的左右两边分别布置1根预加固桩，如下图所示。 图1 隧道洞口预加固桩布置示意图隧道洞口在施工过程中，围岩、边坡均会受到多次扰动，且每次扰动较大，再加上通常隧道洞口边坡较高，

10、偏压厉害，因此在坡脚极易产生应力集中等现象，边坡则滑坡的概率非常大。对坡脚采取预加固措施，提高坡脚的承载力，保证边坡的稳定性，常用的措施则有抗滑桩、预应力锚索抗滑桩。这种预加固技术施工是在开挖之前进行的，预加固桩施工完成且有一定的强度后再对坡脚岩土体进行开挖，此时预加固桩会极大地减少开挖对地层结构的扰动，结构及地层的变形也会相对减少，保证隧道洞口的安全稳定。根据预加固桩在坡脚的位置不同可分成两种，一种是平台桩，锚固桩的位置布设在一级平台上，桩不外露，通常适用于地质条件较好且边坡高度不高的情况中。另一种是锚固桩布置在路堑边坡坡脚与边沟外侧边缘之间碎落台边上，各桩之间设置挡土墙。坡脚桩一般用于一些

11、地质条件较差的高边坡处理，设计上采用分级设桩支挡加固，在施工过程中也必须保证边坡安全稳定性。1.2预加固桩技术的试验验证 隧道洞口边坡岩体在长期表生地质作用下处于平衡状态，隧道施工破坏了地质环境原有平衡，隧道洞口仰坡开挖后，仰坡由三维受力状态变为二维受力状态，因此仰坡容易出现片落现象。隧道洞口开挖后，仰坡与隧道顶板的交叉部位处于一维受力状态，受力条件十分不利，如不及时进行维护，该部位容易产生坍塌。其次是洞口处顶板一端由工作面支撑，另一端处于悬空状态，属悬臂梁结构，其稳定性较差。另外，隧道洞口处常常还会有一些明挖路堑，其边坡也处于二维受力状态。随着洞口段的开挖和支护，该段将重复进行应力释放与重新

12、分布，因此，往往会引起洞口地表滑坡、坡面坍塌、偏压及塌方事故发生。1.3预加固桩的数值模拟分析隧道洞口边仰坡进洞开挖，使山体原有的平衡状态遭到破坏，如不及时采取加固措施，极易产生坍塌、顺层滑移、古滑坡复活等现象。在开挖过程中，必须要对隧道洞口路堑边坡，洞口及洞顶以上仰坡进行喷锚预加固处理；进洞前采取超前锚杆、超前小导管周边注浆、设置大管棚等超前预支护技术；开挖后及时喷射混凝土和仰拱紧跟形成封闭受力环。2 隧道洞口变形控制关键技术 2.1隧道洞口变形控制基准的建立实践证明，根据隧道周边位移变化来推测隧道稳定性变化是可行的，对隧道周边围岩的监控量测在隧道施工中也较为常见。采用位移作为隧道稳定性的判

13、别准则，从隧道周边结构出现的极限情况研究，运用尖点突变理论，采用软件分析，得出各控制点在极限状态下的位移，在考虑一定安全系数后位移便可作为稳定性的基准，即极限状态为基准的判断准则。同时制定安全可靠的控制基准应满足以下原则：（1） 变性控制基准一定要在现场监控量测实施前，由相关部门，根据施工现场条件、特点具体确定，并且写入监控量测实施方案。（2） 具体控制基准值必须满足设计计算要求，一般情况下不得大于设计值。（3） 变性控制基准必须要有工程施工的可行性，在满足施工安全的条件下应考虑如何提高工程进度和减少业主的施工费用。（4） 变形控制基准应该是对现行的相关设计、施工法规、规范和规程的补充和完善。

14、 （5）对于某些到目前为止还未明确规定变性控制值的量测项目，可参考相似工程的量测资料来确定其变形控制值，当有具体监控量测值超越基准值时，必须结合实际工程情况等因素，与施工、设计、监理等有关部门共同研究分析，必要时可对变形控制值进行调整。2.2 隧道洞口结构及地层变形控制关键技术 控制隧道洞口稳定性主要是通过控制隧道结构和地层的变形，将边坡、围岩、衬砌、掌子面等所有的变形控制在允许范围内，既满足：；为隧道结构的变形量，为隧道结构的允许变形量。在研究清楚隧道洞口结构、地层变形发生、发展规律和各种影响因素相互作用关系的基础上，提出变形系统控制技术措施，以提高隧道施工水平。研究隧道洞口施工方案对隧道稳

15、定性的影响，本质上就是研究小断面一长进尺、大断面一短进尺两类开挖方案对围岩、支护系统稳定性的影响。通过有限元软件对隧道施工过程中围岩力学行为进行三维模拟，揭示地层在施工过程中的时间效应和空间效应,并建立起开挖迹面与施工过程中围岩稳定性的关系，对结果分析表明：(l)短掘、短砌台阶法施工优于较大进尺上台阶CD法。采用大断面短掘、短砌施工方法，既能保证施工安全，又能满足机械化施工要求。短掘、短砌台阶法应为今后超大跨隧道施工的优选方法，具有广泛的适应性。(2)定性建立了开挖迹面与围岩支护结构主要力学指标最大值、最终值之间的关系。结果表明，开挖迹面越小，围岩支护结构越安全，结合施工水平，提出隧道开挖循环

16、进尺以1m左右为宜。 因此，隧道洞口结构及地层稳定性控制研究主要包括下列技术体系研究：开发技术、支护技术、掌子面稳定技术、拱脚稳定技术、支护补强技术、超前支护技术、空间变形监测和反馈技术等。伴随着隧道洞口地层的实践，国内外相继提出了若干隧道预加固技术措施，以以期达到控制地层的稳定性。隧道洞口施工常用的预加固技术，常用主要包括:锚杆、管棚、小导管、水平旋转注浆、机械预切槽衬砌法。2.3 隧道洞口施工对边坡稳定性的影响 隧道洞口开挖是影响山区滑坡、崩塌等地质灾害发生的一个重要原因。国内外学者多年一直致力于边坡地质灾害的研究和治理，也取得了极大的技术进步，但边坡问题特别是山区边坡问题依然是影响基础建

17、设、社会、科技进步与经济发展的重大地质灾害问题。在边坡稳定性研究方面，如何结合岩土真实物理力学特征进行定性、定量和非确定性分析是边坡工程研究中的热点。传统的岩土体破坏准则方面，除了应用最为广泛的线性Mohr-Coulomb准则外，现已发展出：Coulomb-Navier强度理论、Hoek-Brown强度理论、Griffith强度理论、双减强度理论等。但如何考虑岩土体材料的真实破坏准则进行岩土构筑物稳定性状态评价的思路实际上已成为目前研究的最前沿方向。 钟浩基于FLAC3D数值模拟，结合现场监测动态的分析地下开挖过程中边坡变形规律及其边坡稳定性的影响。因此在隧道开挖过程中，可以利用计算的位移进行

18、预测，并对施工进行指导，以便更好的信息化施工。缪荣辉对某隧道口山体蠕滑的预应力锚杆加固进行了三维弹塑性有限元分析；朱合华利用三维有限元计算了隧道施工中洞口边仰坡的稳定性，分析了边坡的破坏失稳机理，提出需加强隧道口边坡现场监测的建议。归纳起来，边坡稳定性控制方法主要是沿着三种途径进行：第一，以极限平衡理论为基础，考虑岩土体中断裂结构面的控制因素，利用图解法或数学计算分析法，最后求得“安全系数”或类似“安全系数的概念”；第二，以数值分析近似地分析计算边坡岩土体的变性特征和应力状态；第三，其他方法，如利用概率理论分析岩土体结构面和岩土体强度的测试数据，分析各种可能破坏形式的不稳定概率，以不稳定概率来

19、评价边坡的稳定性。3 工程实例3.1隧道洞口地质条件及环境石家坡隧道为贵州省道真至新寨高速公路和溪至流河渡段中的一座上下行分离隧道。隧道进出口处为斜坡地貌，地形较平缓，地面标高一般940980m，相对高差约40m，自然边坡坡向约100150º，坡度1025º，路线出露地层为第四系全新统残坡积粉质黏土、碎石，奥陶统桐梓红花园组灰岩，寒武统娄山关群白云岩。隧址区出口处紧靠一季节性冲沟，水位受季节影响较为明显。地下水主要为第四系松散孔隙水、岩溶孔隙裂隙水、断层破碎带孔隙裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水。根据国家地震局发布的中国地震烈度区划，区内地震烈度6度。隧道进口处，层理面、节理面与

20、坡向关系均有利于边坡稳定，隧道进口处整体稳定性较好。但隧道进口处发育一断层，受断层影响，岩体破碎，隧道洞口开挖时，可能沿断层面或其次生结构面产生坍塌。隧道出口处，层理面、节理面与坡向关系相对不利于边坡稳定，但岩层为较硬岩，层间结合好，整体稳定。隧道出口处地形略有起伏，隧道洞口边坡开挖后，受垂直节理面切割影响，处理不当时可能产生局部浅层崩塌。3.2隧道洞口施工对边坡生态环境影响评价 隧道洞口的施工建设对边坡环境的影响主要有三个方面：（1）洞口削坡可能对地质环境破坏；（2）隧道弃碴堆放不当会诱发新的地质灾害；（3）隧道成洞后可能导致山体地下水平衡破坏。因此，主要从以下三个方面进行评价。（1）洞口削

21、坡对环境影响的评价：进、出洞口自稳性较好，洞口削坡少，对自然环境影响很小，且容易防护和恢复。（2）隧道弃碴影响评价：本隧道属长隧道，弃渣量较大，隧道进出洞口离乡村道路较远，处理不方便；然而，进洞口位于冲沟地带，弃渣不能置于冲沟附近及冲沟内，在选定的弃渣场前修筑挡墙。（3）施工后对山体地下水影响的评价：隧道选址处不具备汇水条件，隧道施工后，对地下水影响较小，不可能会造成山体地下水均衡的破坏。3.3隧道洞口施工采用的控制稳定性关键技术3.3.1施工准备 隧道进洞施工前，进行边仰坡防护和加固，平整洞顶地表，作好洞顶防排水工程。3.3.2加强环保、减少边坡开挖量隧道进洞施工满足安全性、经济性,同时保护

22、好环境，尽量减少原始山体和植被的破坏。3.3.3选择合理的进洞掘进方案 选用合理的进洞方案，隧道大跨施工应选择变大跨为小跨的施工方法，如CD法、双CD法、CRD法、双侧壁导坑法；同时选择适宜的辅助施工工法，如环形开挖预留核心土法、前置式洞口工法等。3.3.4采用控制爆破技术，严格控制爆破震动 在进行洞口开挖时，选择适当的爆破方案和方法，采用微震动控制爆破技术，既有利于快速进洞，又可确保进洞安全。3.3.5加强监控量测及动态施工 对隧道洞口段围岩进行监控量测、地表的沉降观测和地质超前预报等工作，及时施作隧道洞门和二次衬砌，坚持动态设计、动态施工、动态管理，严格尊重施工信息，必要时及时修改设计图纸

23、，确保信息化施工。3.3.6隧道洞口接长明洞进洞 当隧道洞口有塌方落石的可能性或仰坡不甚稳定，可采用接长明洞的方式进洞，即在洞口处先做一段明洞拱圈，拱圈抵紧仰坡坡脚，在明洞拱圈上及时进行回填可以起到加固仰坡作用。3.3.7加强初期支护及二次衬砌 隧道洞口段受力体系与洞内不同，施工所承受的荷载很大。虽然其荷载在开挖后初期已形成，但随着时间的推移其荷载还将继续加大。因此，必须加强初期支护及二次衬砌，保证隧道初期支护必须紧跟掌子面，减少围岩暴露时间，控制围岩变形，及时施作仰拱封闭成环，并尽早施作二次衬砌混凝土。4 结论和展望（1）针对石家坡隧道的实际情况，考虑洞口围岩的特殊性，可考虑洞内加固和同步注

24、浆加固以及开挖控制的综合处理措施，并对后期隧道洞口结构及边坡稳定性进行监测。（2）隧道洞口边坡的常用的支护方案包括锚固技术、抗滑桩、抗滑挡土墙、灌浆加固及削方减载，防护方法包括绿色生态防护、工程防护、综合防护及排水措施，但目前较常用的是将几种支护及防护方法相结合。（3）采用快封闭、快支护、设置临时横撑、长锚杆、大管棚、分层加强初期支护以及早施工并适当加强二次衬砌等措施可以有效的控制并稳定隧道大变形，在构造复杂多变变质岩地层隧道设计、施工中有较广泛的应用价值。（4）隧道洞口地层稳定性的影响因素很多，可归纳为6个因素，即:边坡结构特征、地质环境、地层与岩性、地表水及地下水、震动效应及时间效应、边坡植被及工作条件。（5）地层预加固的实施是应用隧道洞口开挖的关键,而地层预加固参数的确定取决于地层参数和隧道参数，因此浅埋暗挖法有其独特的内涵，远不是目前模糊界定的新奥法推广或矿山法，给设计和施工带来了误区。为适应今后解决洞口施工难题的需要，有必要对洞口施工所有变形控制的整个理论框架做深入研究。（6）隧道洞口围岩的变形具有时空特性，传统上分析围岩特征曲线时，仅进行了二维弹-塑性有限元计算，这与实际空间变形并不相符，因此，在后续的