隧道浅埋段地表高压旋喷加固分析及现场监测

蔡 敏，徐 华，韩富庆，娄 健，杨明兴

(1. 广东云茂高速公路有限公司，广东 广州 510623；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

隧道浅埋段受地表环境影响大，其覆盖层通常软弱富水，开挖时易发生涌水、突泥及坍塌冒顶等地质灾害。采用高压旋喷的方式对浅埋隧道进行地表预加固，能够有效降低岩土体的渗透性，增强上覆围岩体强度，对隧道上覆围岩体的整体性有较大改善[1-2]，有效解决了隧道浅埋段修建时所遇到的难题。其在我国铁路、公路以及地铁中均有应用，如共玉高速公路通天河隧道[3]、吕梁环城高速公路梨树塔隧道[4]、茶卡至格尔木高速公路脱土山隧道[5]、厦门翔安海底隧道[6-7]等，但高压旋喷多用于地基处理，应用于隧道浅埋段地表预加固的案例还较少，隧道围岩地表高压旋喷预加固的加固机理、设计方法及加固效果等尚不明确，需要进行进一步的分析论证。

以广东省云茂高速公路新屋隧道浅埋段软弱围岩加固为例，利用数值模拟分析地表高压旋喷桩对软弱围岩的加固作用及形成的“土拱效应”；通过对加固后的地表沉降、孔隙水压、拱顶下沉、边墙收敛和围岩接触压力等现场监测数据的分析，论证了地表高压旋喷对隧道浅埋段围岩加固的可行性和效果，为加固设计和施工提供参考。

1 工程概况

新屋隧道为分离式隧道，隧道洞身穿越两处浅埋段，浅埋段地层软弱、埋深浅，其中第1段为左线隧道ZK84+579～ZK84+859，位于“U”形山谷处，且部分段落有露顶现象，第2段为右线隧道K84+606～K84+795，隧道上覆围岩体最小厚度约5.0 m。两处浅埋段地表汇水面积大，雨季为泄洪通道，部分区域发育有雨源性冲沟，围岩为V级，浅埋段基岩为变质砂岩。隧道上覆软弱岩土体主要为耕植土、粉质及淤泥粉质黏土，洞身处围岩体主要为强～中风化变质砂岩。采用地表高压旋喷对隧道浅埋段进行预加固，加固具体方案为：三角形布桩，旋喷直径0.6 m，间距1.2 m，双管旋喷施工，水灰比1∶1，注浆压力20～24 MPa，气流压力0.7 MPa。竖向加固至中风化变质砂岩层0.5 m，横向加固至隧道轮廓线外3 m处，桩长范围为6.5～18.0 m。

2 隧道浅埋段地表高压旋喷加固作用分析

隧道地表高压旋喷预加固的作用主要体现在对围岩的整体性改善和受力模式改变[8-10]，开挖后隧道上部围岩体形成“土拱效应”，保证围岩的稳定性。以高压旋喷的方式对上覆软弱围岩体进行预加固，开挖后桩体与土体之间的摩擦效应、上覆围岩体的变形以及应力分布状态难以被直接观察到，故以数值模拟的方式分析浅埋段开挖后围岩的应力、位移以及桩体与土体之间的相互作用，进而阐明高压旋喷桩对隧道浅埋段的整体加固作用。

2.1 数值模型建构

地层参数参考ZK84+670典型断面，围岩级别为V级，隧道埋深、跨度及洞高分别为15，12.62，10.32 m，桩长为15.4～18.0 m(加固至中风化变质砂岩层0.5 m)，桩径0.6 m，桩间距1.2 m，三角形布桩。隧道周边设置25 m长延伸区域，横断面尺寸为62.62 m× 55.32 m。隧道纵向总长为36 m，为弱化边界效应，旋喷加固段设置于模型中部，加固段总长为18 m，加固区后方为已开挖支护段。本次模拟旨在研究高压旋喷预加固隧道开挖后的受力模式，为减少其他加固因素对应力分析的干扰，仅考虑初期支护措施，采用三台阶法开挖，上台阶掘进至20 m，三台阶同时开挖，每循环进尺为1 m，每次开挖后激活初期支护结构。通过加强桩周岩土体的强度来等效替代浆液对桩周土体的挤压渗透作用。参考杨志全等[11]对高压旋喷渗透充填作用影响范围的研究，将桩周受到高压旋喷挤压渗透作用影响的1.2D范围设置为加强圈。模拟时支护结构与桩体采用弹性本构模型，岩土体与加强圈土体采用摩尔库伦模型，桩体与土体的接触面采用库伦剪切模型[12-14]。根据勘察资料，土层和岩层参数采用其加权平均值；“加强圈”参数通过加固后桩周土钻孔取芯直剪试验测得，旋喷桩体参数通过桩体取芯无侧限抗压试验测得；初支相关参数通过设计资料进行折算获得[15]；接触面单元所需的法相刚度kn和切向刚度ks等参数参照《FLAC/FLAC3D基础与工程实例》[12]确定。各材料具体参数见表1，数值模型如图1所示。

表1 各材料计算参数Tab.1 Calculation parameters of each material

图1 模型尺寸(单位:m)Fig.1 Model dimensions(unit:m)

2.2 计算结果分析

2.2.1 隧道加固横断面作用分析

掌子面附近因受开挖的影响，纵向应力较为复杂，为减小纵向应力对横向应力分析的干扰，以模型纵向距离前边界面23 m处一排旋喷桩及其周围岩土体作为分析微段，在桩周受到高压旋喷挤压渗透影响范围(0.6D～1.2D)的围岩选取多个测点，监测隧道开挖后围岩的竖向和水平位移，测点分布如图2所示。

图2 各测点分布位置Fig.2 Distribution of different measuring points

桩土界面摩擦效应、围岩横断面应力矢量、水平及竖向位移值如图3～图6所示。

图3 桩土界面摩擦作用(单位:Pa)Fig.3 Friction of pile-soil interface(unit:Pa)

图4 加固区围岩横断面应力矢量(单位:Pa)Fig.4 Cross-sectional stress vector of surrounding rock in reinforcement area(unit:Pa)

图5 各测点处围岩竖向位移Fig.5 Vertical displacement of surrounding rock at each measuring point

图6 各测点处围岩水平位移Fig.6 Horizontal displacement of surrounding rock at each measuring point

参照贾海莉等[16]关于土拱效应形成因素的研究，高压旋喷地表加固后隧道上覆围岩体在暗挖过程中产生“土拱效应”应具备3大条件：(1)土颗粒间具有足够的黏结力与摩擦力；(2)土体内部产生不均匀位移；(3)存在支撑拱脚。

结合数值模拟中摩阻力分布规律及位移数据，由图3可知，高压旋喷加固地层后，由于高压浆液的挤压渗透作用，使得加固区土层具有足够的黏结力与摩擦力，上覆围岩体的自重应力可通过摩阻力传递至边桩处，摩擦应力具有明显的拱形分布特征，如图3标注区域，围岩应力通过桩体的作用逐步传递到边桩处，边桩底部应力较为集中，如图4所示，满足土拱形成条件(1)；由图5可知，隧道施工后，上台阶上部围岩产生沉降，这部分沉降带动两侧围岩沉降，且拱顶沉降大于两侧边墙沉降，隧道上覆围岩体产生了不均匀沉降，满足土拱形成条件(2)；边墙处旋喷桩加固至基岩层，边桩处围岩竖向位移较小，稳定的基岩层作为支撑拱脚发挥承力作用，满足土拱形成条件(3)。

除此之外，由图5、图6可知，围岩竖向位移最大值发生在拱顶中心线处，仅为5.3 cm，且围岩水平位移值、竖向位移值均在较小范围内，表明高压旋喷桩对围岩整体改善作用明显，围岩强度有较大提升。

综上所述，经地表高压旋喷加固后，围岩整体性及强度有较大提升，隧道上覆岩土体的变形及受力特征符合土拱形成条件，最终形成稳定土拱，增强了围岩的自稳能力。

2.2.2 隧道纵断面加固作用分析

高压旋喷桩在隧道纵向的加固作用主要体现在掌子面附近上台阶桩体的支挡作用。为明确高压旋喷对隧道纵断面应力状态的改善作用，在隧道上台阶掌子面中心处设置监测点位，开展隧道开挖及初支施作数值模拟，上台阶开挖后开始进行掌子面中心点位移监测，记录上台阶开挖支护以及中下台阶开挖支护过程中掌子面累积塑性挤出位移变化，待位移稳定后结束计算，以监测点收敛稳定位移作为最终位移值。

模型监测位置和掌子面塑性挤出位移发展如图7、图8所示，从上台阶开挖支护开始(第1步)到下台阶开挖支护完成期间以及监测点位移稳定后，单个循环掌子面沿隧道向外塑性挤出位移稳定值仅为2.5 mm，表明桩体很好地限制了上台阶掌子面塑性挤出位移。

图7 掌子面位移监测点Fig.7 Monitoring point of tunnel face displacement

图8 掌子面塑性挤出位移Fig.8 Plastic extrusion displacement of tunnel face

3 加固后现场监测研究

3.1 现场监测方案

为验证隧道浅埋段地表高压旋喷预加固的加固作用和效果，地表施工完成后，在洞内开挖至浅埋段ZK84+670断面开展现场监测，监测项目包括：地表沉降、围岩-初支接触压力、拱顶下沉及边墙收敛、掌子面塑性挤出位移及孔隙水压等，仪器布置及安装情况如图9～图12所示。地表沉降计、土压力盒及孔隙水压力计均在初支施作前和过程中安装，并持续监测至数据稳定；上台阶开挖后，通过全站仪等仪器对上台阶掌子面变形、拱顶下沉及边墙收敛进行监测。

图9 监测断面仪器布置Fig.9 Layout of monitoring section instruments

图10 孔隙水压计布设示意图Fig.10 Schematic diagram of layout of pore water pressure gauges

图11 地表沉降计安装Fig.11 Installation of surface settlement gauge

图12 土压力盒安装Fig.12 Installation of earth pressure box

各监测项目所采用仪器、测点位置、测量周期[17-19]见表2。

表2 隧道现场监控量测项目及布置情况Tab.2 Tunnel on-site monitoring items and layout

3.2 现场监测分析

3.2.1 地表沉降分析

新屋隧道浅埋段加固后开挖至ZK84+670断面，对该断面地表沉降进行了为期60 d的监测，监测间隔为1 d，地表沉降量随时间变化曲线如图13所示。

图13 地表沉降-时间曲线Fig.13 Surface settlement-time curve

随着隧道开挖，拱顶上方地表沉降先迅速增加后逐渐趋于稳定。在开挖30 d左右，沉降速率基本稳定，接近0.2 mm/d，最终沉降值稳定在56 mm，数值模拟中心位置14号点模拟沉降值为53 mm(见图5)，较理论值误差为5.3%，模拟值与实测值基本一致，且沉降值均小于《公路隧道施工技术规范》(JTG F60—2009)[20]中对浅埋隧道地表沉降的规定。这表明在隧道浅埋软弱围岩段采用高压旋喷进行地表预加固，可有效控制地表沉降量。

3.2.2 围岩初支接触压力分析

隧道开挖后，对拱顶、左右边墙、左右拱腰进行了近3个月的初支与围岩接触压力监测，相关监测数据结果如图14所示。

图14 初支与围岩接触压力-时间曲线Fig.14 Curves of contact pressure between initial support and surrounding rock vs. time

由图14可知，围岩压力稳定在12～40 kPa之间，拱顶、左右拱腰、左右边墙最终围岩压力值分别为12，18，20，40，30 kPa，各测点压力随时间推移而减小，表明围岩的自承能力不断发挥，与“新奥法”所认为的压力变化趋势是一致的，表明地表高压旋喷预加固改善了围岩整体性及强度，提高了围岩稳定性，地表预加固设计参数、施工工艺及施工措施是合理的。根据《公路隧道设计规范 第二册 交通工程与附属设施》(JTG D70/2—2014)[21]，该断面围岩压力计算值约为160 kPa左右，现场监测围岩压力明显小于计算值，表明高压旋喷有效地改善了围岩整体性，桩与桩间土形成的土拱效应提高了围岩自承能力，且围岩压力通过桩侧摩阻力传递到周边围岩和边墙下部基岩，保证了隧道开挖过程中围岩的稳定性。

3.2.3 拱顶下沉及边墙收敛分析

隧道上台阶开挖后，对拱顶下沉及左右边墙收敛进行了为期100 d的洞内量测，拱顶下沉及边墙收敛随时间变化曲线如图15所示。

由图15可知，拱顶下沉、左右边墙收敛在30 d左右达到稳定，此时掌子面已开挖经过量测断面约30 m。拱顶下沉最终稳定在4.6 cm，图5中数值计算测点5的拱顶下沉值为5.0 cm，测量值与理论值误差为8.3%；左右边墙收敛最终稳定在2.8 cm，图6中数值计算测点3，7的数值模拟值为2.5，2.7 cm，较理论误差为10.7%，6.8%，拱顶下沉与边墙收敛数值的模拟值与实测值基本一致。边墙收敛值小于一般暗挖隧道平均值，表明隧道边墙两侧的高压旋喷桩有效限制了左右两侧围岩大变形，减小了边墙收敛。同时，隧道拱顶下沉与地表沉降曲线变化趋势基本一致，且拱顶下沉数值较小，表明隧道拱顶围岩整体性及强度得到了明显提升，印证了土拱效应的存在。

3.2.4 孔隙水压力分析

对加固区隧道周边不同部位围岩采用地表钻孔的方式安装孔隙水压计(见图10)，进行了60 d的孔隙水压力监测，孔隙水压力监测曲线如图16所示。

图16 孔隙水压力监测曲线Fig.16 Pore water pressure monitoring curves

由图16可知，拱顶、右拱腰、右拱腰上部孔隙水压稳定值为4.5，5.1，15.5 kPa，加固区外侧测点由于受到地表降水影响，使该区域孔隙水压力变化幅度较大，且孔隙水压力(50～70 kPa)远大于加固区内监测值。地表高压旋喷加固区内孔隙水压相较于未加固区降幅为70%～90%。这表明高压水泥浆液通过挤压、渗透和充填作用有效减小了桩间土的孔隙，大大降低了桩间土的渗透性，围岩整体性得到改善，使得整个加固区形成了低渗透性的桩土复合区域，地下水向加固区内的渗流受到阻滞，大大降低了隧道浅埋段软弱围岩开挖施工中的涌水突泥风险。

3.2.5 掌子面位移分析

隧道上台阶开挖后，利用全站仪对掌子面上台阶中心点进行位移观测，观测至下一个循环断面开挖。上台阶中心点掌子面现场观测位移值为2.8 mm，图8中数值模拟掌子面上台阶中心点位移值为2.4 mm，两者基本一致，可认为掌子面在整个开挖循环中处于稳定状态，表明在高压旋喷桩加固作用下，掌子面前方岩土体强度及稳定性得到较大提升，高压旋喷桩的存在，很好地限制了开挖过程中掌子面的塑性挤出变形，有效地防止了上台阶围岩溜坍，确保了隧道开挖安全。

4 结论

通过数值模拟分析了地表高压旋喷对软弱围岩的加固作用及形成的“土拱效应”，结合现场监测分析，论证了地表高压旋喷对隧道浅埋段软弱围岩的加固作用和效果，得出的主要结论如下：

(1)数值模拟结果表明，高压旋喷提高了土体的黏聚力，增强了围岩的整体性和自稳能力，满足土拱形成的3大条件，通过桩土相互作用在隧道开挖后桩土复合体形成了“土拱效应”。加固后隧道地表沉降、拱顶下沉和围岩接触压力最大值分别为5.6，4.6 cm和40 kPa，与数值模拟基本吻合，且均小于规范要求数值。开挖过程中围岩稳定性较好，未出现大变形和塌方等地质灾害，印证了“土拱效应”的存在，保障了新屋隧道浅埋软弱围岩段的施工安全。

(2)现场监测表明，加固后隧道拱顶、右拱腰、右拱腰上部孔隙水压力稳定值为4.5，5.1，15.5 kPa，远小于加固区外侧孔隙水压力(50～70 kPa)，降幅为70%～90%；表明高压水泥浆液通过挤压、渗透和充填作用，使整个加固区形成了低渗透性的桩土复合体。

(3)依据现场监测及数值模拟，隧道边墙收敛最大值分别为2.8 cm和2.7 cm，表明隧道边墙两侧多排高压旋喷桩有效地限制了左右两侧围岩大变形，减小了边墙收敛。掌子面上台阶中心点现场观测位移值仅为2.8 mm，掌子面前方高压旋喷桩的支挡作用很好地限制了掌子面的塑性挤出，有效地防止了上台阶围岩溜坍。