浏阳河隧道过风化槽段施工安全性评估
黄戡1, 2，丁国华2，彭立敏1，彭建国2，安永林1，冯德山3
(1. 中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙，410075；
2. 湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙，410008；
3. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083)
摘要：针对浏阳河隧道过风化槽地段施工过程中遇到的易坍塌等问题，分析其主要原因，据现场情况修正原方案，提出施工应对措施，如加强超前地质预报和初期支护，采用“台阶法+竖向钢支撑”的开挖方法，进而应用数值模拟和现场监测分析其安全性，并基于强度折减法研究隧道整体稳定性。研究结果表明：竖向支撑可以很好地减少拱顶沉降；隧道安全系数为1.8，且应以拱顶沉降作为围岩失稳的主要指标。其研究成果可为同类隧道工程过风化槽等地段施工提供参考。
关键词：
中图分类号：U459.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)03-0803-07
Safety accessment of Liuyanghe tunnel construction through weathered slot
HUANG Kan1, 2, DING Guo-hua2, PENG Li-min1, PENG Jian-guo2, AN Yong-lin1, FENG De-shan3
(1. School of Civil Engineering and Architecture, Central South University, Changsha 410075, China;
2. Hunan Provincial Communication Planning Survey and Design Institute; Changsha 410008; China;
3. School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha 410083, China)
Abstract: The causes of the problem such as collapse encountered during Liuyanghe tunnel construction in the weathered slot were analyzed. Based on geology condition, the original design was modified and some countermeasures were put forward, such as reinforcement geology forecast and preliminary support, setting vertical temporary steel support. Construction safety was adjusted using simulation software and in-site monitoring. The tunnel stability was analyzed by strength reduction method. The results show that vertical steel support can effectively reduce crown displacement. Tunnel safety factor is 1.8 based on strength reduce method, and the main indicators of rock failure is crown displacement. The research can give a reference for similar tunnel projects.
Key words: tunnel engineering; trough slot; strength reduction method; safety factor
武广(武汉-广州)客运专线曾为当时我国在建线路最长、技术标准最高、投资规模最大的客运专线，其穿过的浏阳河隧道也是当时国内首座穿越城市、河流、高速公路的铁路隧道，属于国内特长、特大断面隧道。该隧道位于湖南省长沙市东部，起于长沙市开福区捞刀河镇，止于雨花区黎托乡，进口里程为DIIK1560+550 km，出口里程为DIIK1570+670 km，全长为10.120 km。浏阳河隧道在DⅡK1565+120~ DⅡK1565+250 km段出现风化槽谷，强风化最大深度达53.6 m，已深入至隧道开挖底部，若技术措施不当极易发生坍塌事故；因此，对于该风化槽地段隧道施工安全的研究具有十分重要的意义。目前，关于隧道施工安全的研究较多[1-2]，但对过风化槽特殊地段的研究较少，目前文献报道的只有关于厦门海底隧道过风化槽地段的稳定性和施工技术研究[3-4]、利用范例推理方法评价浏阳河隧道过该风化槽地段的坍方风险[5-7]。在此，本文作者分析浏阳河隧道过风化槽地段存在的问题及其原因，及时修正施工方案，并结合数值仿真和现场监测研究施工方案的安全性。
1 风化槽地段地质情况与原设计方案
1.1 地质情况
浏阳河隧道在DⅡK1565+120~DⅡK1565+250 km段出现风化槽谷，强风化最大深度达53.6 m，已深入至隧道开挖底部，地质纵断面如图1所示。隧道主要穿越强至弱风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，夹薄层状石膏和泥灰岩均为软岩，岩体完整性差，易风化、软化，且岩溶较发育，岩层破碎，节理发育不均，裂隙水发育，岩层风化极不均匀。
1.2 原设计方案
隧道原设计施工方法为三台阶临时仰拱法，如图2所示。超前支护采用直径为108 cm的大管棚套打 42 cm的超前小导管，在隧道拱部从隧道中线分别向左、右两则各约108°范围内设置管棚长度为18 m，搭接6 m，每12 m施作1环。初期支护设计参数为：全环设置I 20工字钢架，间距为60 cm/榀；采用掺用改
图1 风化槽谷段地质纵断面
Fig.1 Longitudinal geological distribution in weathered trough slot
图2 过风化槽谷隧道断面设计图
Fig.2 Design of tunnel cross section for trough slot
性聚酯纤维混凝土，强度等级为C25；拱墙初期支护设置钢筋网，钢筋直径为8 cm，网格为20 cm×20 cm；拱部系统锚杆采用带排气装置的中空注浆锚杆，边墙采用普通砂浆锚杆，锚杆长3.5 m，锚杆环向间距×纵向间距为1.0 m×1.0 m。
2 施工过程中遇到的问题与施工方案修正
2.1 施工过程中遇到的问题及原因
(1) 地质条件差。隧道穿越地层多为泥岩、泥质砂岩和砂质泥岩等Ⅴ级至Ⅵ级软弱围岩，且风化不均匀，地下水丰富，开挖断面大，在施工中易失稳，难以控制隧道的沉降变形。
(2) 地表上方为水塘洼地回填，回填土深度为8~12 m，隧道沉降容易引起地表结构物变形或破坏。受地形和建筑物影响，前期地质钻孔选位困难，设计地质勘测资料的精度不够。
2.2 新施工方案的确定
经过现场勘察，结合风化槽谷围岩的实际地质情况，从多方面综合考虑，从以下几方面进行改进和 优化[6-8]：
(1) 加强超前地质预报。风化槽谷处于不均匀风化带上，且地表上方为密集工业园区，大型厂房、建筑物繁多，受地形和地理位置条件限制，前期设计地质钻探资料不够详细、准确，施工时存在不确定因素。采取TSP203隧道地质超前预报系统、红外探水、超前水平钻孔长短结合等超前预报方法进一步探明前方地质变化情况和地下水位情况。
(2) 加强超前支护。将与水平面呈12°斜插直径为108 cm的超前长管棚优化为水平超前管棚，管棚长度
由原设计12 m/环调整为40 m/环，管棚搭接长度仍为6 m，并加强超前注浆，以减少管棚施作次数，缩短管棚施作时间，以避免斜插管棚易造成拱部超挖，增强风化段围岩的整体稳定性。
(3) 改进开挖工法。根据实际地质情况，围岩上软下硬，采用三台阶临时仰拱加设竖向钢支撑的动态分部开挖工法施工。开挖时严格遵循“弱爆破、短进尺、快封闭”原则，严防出现坍塌，上台阶拱部采用机械进行开挖，人工加以修边。中、下台阶采用弱松动爆破，通过人工或机械出碴，每次开挖进尺不大于一榀钢架间距60 cm。
1) 上台阶开挖。采用环形预留核心土的开挖方法。为增加临时仰拱的刚度，临时仰拱工字钢由原设计的Ⅰ18轻型工字钢加大为Ⅰ20工字钢，临时仰拱喷射混凝土厚度由18 cm调整为20 cm。上台阶临时仰拱封闭后，立即在初支拱顶和临时仰拱间增设竖向Ⅰ20工字钢支撑，以减少初支拱顶围岩顶部压力，如图3所示。上台阶竖向钢支撑间距与初支钢架间距相同，每榀60 cm，通过连接钢板和螺栓进行连接。
2) 中台阶开挖。在中台阶与上台阶之间采用短台阶法施工，台阶长度控制在5~8 m，以便挖掘机进行出碴作业和快速封闭。中台阶1次开挖进尺1榀钢架间距，迅速支立边墙钢架和安装中台阶临时仰拱，快速喷混凝土封闭成环。由于中台阶开挖跨度最大，开挖宽达15.12 m，且地质松软，为增强中台阶稳定性，中台阶临时仰拱亦设置Ⅰ20工字钢支撑并喷射厚为20 cm的混凝土进行封闭。根据监控量测信息，初支沉降变形仍然较大，中台阶临时仰拱封闭后，故上台阶临时仰拱及竖向支撑仍然保留。若初支仍然继续沉降，则将上台阶竖向支撑加长至中台阶仰拱底。
图3 上台阶临时仰拱、竖向支撑设计示意图
Fig.3 Diagram of temporary vertical support and invert in up-bench
3) 下台阶与仰拱快速紧跟。下台阶开挖时，左右侧应错开开挖，每次开挖进尺不得大于2榀钢架间距。仰拱开挖进入强风化软弱围岩时，1次进尺不得大于2 m，初支快速封闭，及时施作仰拱填充和拱墙衬砌。
3 新施工方案的数值分析
3.1 数值模型的建立
采用FLACE 3D 分析计算软件，数值模型如图4所示，计算参数如表1所示(其中：围岩平面采用平面应变单元模拟，而喷射混凝土和二次衬砌用梁单元进行模拟，锁脚锚杆采用杆单元模拟，模型共分3 037个单元，2 807个节点)。围岩稳定性采用莫尔库仑屈服准则分析。模型的左右边界和底边界被约束，顶面可自由移动[7]。
3.2 围岩沉降分析
为了与现场监测的位移进行分析对比，下面仅以围岩沉降进行研究。图5所示为各施工工序下的围岩竖向位移分布情况。从图5可知：对于围岩整体竖向位移，在各台阶开挖底板出现隆起，而在拱顶附近出
图4 计算模型的网格划分
Fig.4 Calculation model and grids division
表1 数值模型计算参数
Table 1 Calculation parameters of numerical model
现沉降；最大隆起量随着开挖的进行，整体上呈减小的趋势；最大沉降位移发生在中台阶开挖阶段，达到170 mm；对于拱顶沉降，其大部分沉降发生在上台阶开挖阶段，而当设置临时竖向支撑后，沉降位移的梯度减小，中台阶开挖后，拱顶又有所沉降；在下台阶开挖时，拱顶略微发生隆起，沉降减小，最终沉降位移为156 mm。因此，隧道施工的关键步为上台阶开挖，设置临时竖向工字钢支撑有利于控制围岩的沉降。
4 围岩稳定的整体性分析
在台阶法施工中，隧道的关键步骤一般是上台阶开挖，而隧道的风险事故也大多发生在上台阶，特别是在掌子面附近；因此，应用强度折减法，首先对上述风化槽地段DIIK1565+120断面上台阶开挖时横向的稳定性进行分析，并以特征部位拱顶沉降位移、地表中线点沉降位移、最大塑性应变、最大主应力(主拉应力)的突变性或不收敛性、塑性区是否贯通及计算是否收敛作为隧道失稳的判据[6-7, 9-16]。
图6所示为拱顶沉降位移、地表中线点沉降位移、最大塑性应变、最大主应力(以压为负)随折减系数的变化曲线。从图6可知：
(1) 整体上，拱顶沉降位移和地表中线点沉降位移都随着折减系数的增加而增大，但各自增加的梯度不一样，拱顶沉降位移梯度要比地表梯度增加得较快；当折减系数大于1.8时，拱顶沉降位移梯度显著上升，可以判断隧道的横向稳定系数为1.8，而地表的沉降位移梯度则出现抖动状态，这与此处为深埋、洞内沉降不宜波及到地表有关。
图5 围岩竖向位移分布云图
Fig.5 Vertical displacement contours
图6 不同指标与折减系数的关系
Fig.6 Relationship between different indexes and reduction factor
(2) 最大塑性应变随折减系数的增加而增大，最大主应力随折减系数的增加先增加而后趋于平缓，这与随着折减系数的增加、塑性区越来越大，围岩应力将不断进行降低、重新分布有关。
综上所述，判断软弱围岩深埋隧道是否失稳应以拱顶沉降位移为主要指标，而其他指标表现不明显；隧道上台阶开挖时的稳定系数约为1.8。
5 实施效果分析
根据选定的以动态分部台阶法为主选施工方案组织施工。在施工过程中采用地质分析法、隧道地质超前预报预报系统(TSP)、水平钻孔等综合预报方法，分中、长、短距离相结合的方法准确地探测前方围岩的地质状况，并不断对施工方案加以优化和动态调整；同时，采用精密电子水准仪、高精度全站仪无尺量测系统对初支拱顶下沉、收敛及地表沉降位移、建筑等进行实时监控。
图7所示为断面DIIK1565+165的拱顶沉降时程曲线。从图7可知：变形总体呈台阶状，安设竖向钢支撑后，拱顶沉降速率变缓；当中台阶的掌子面开挖到此断面时，由于此时要拆除临时竖向钢支撑，拱顶又出现一定下沉。由此可见：竖向钢支撑对于控制拱顶沉降位移的效果是非常明显的，也表明提出的风险应对措施是合理、可行的。对比围岩沉降分析结果可知：数值模拟的拱顶沉降位移较现场监测值小，这可能与模型中未考虑围岩的节理及地下水的作用有关。
图7 断面DIIK1565+165 m拱顶沉降监测结果
Fig.7 Crown settlements in section of DIIK1565+165 m
经过分析研究，采取相应的措施有利地保证了隧道安全、顺利地穿过风化槽谷地段。在整个风化槽谷施工过程中，取得了日平均进尺为1.2 m的较好成绩，拱顶沉降也得到了很好控制。这说明过风化槽谷施工方案是合理的，从而保证了隧道及地表建筑物的安全。
6 结论
(1) 对隧道风化槽地段施工时，应加强地质超前预报，特别是采取多种方法进行地质预报，如采用TSP超前地质预报和水平钻芯取样试验相结合的方法探明风化槽段的地质分布情况；同时加强初期支护强度，并打设锁脚锚杆。
(2) 隧道风化槽地段开挖方法宜采用台阶法+竖向工字钢支撑的施工方案，根据地质情况决定竖向工字钢是否向中、下台阶延伸。
(3) 本文所提出的施工方案是合理、可行的，竖向工字钢支撑能有效控制围岩变形。强度折减法表明：隧道的整体稳定系数为1.8，且应以拱顶沉降位移作为围岩失稳的主要指标。
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收稿日期：2010-05-15；修回日期：2010-08-03
基金项目：湖南省研究生创新基金资助项目(3340-74236000004)；西部交通建设科技项目(20033179802)；博士后科学基金资助项目(20090461021)
通信作者：黄戡(1979-)，男，湖南永州人，博士研究生，工程师，从事桥梁与隧道工程研究；电话：13875801586；E-mail: hk_616@sina.com
