白 宝
(中铁十五局集团有限公司，河南 洛阳 471000)
0 引言
隧道洞口段地层一般较软弱破碎，多属坡积、堆积、风化严重、节理裂隙发育的地层，稳定性差，且由于隧道洞口段施工工序繁多，围岩多次扰动，其应力及支护受力情况复杂，因此，选择合理的掘进工艺及支护结构形式，充分认识围岩及支护结构的受力特征对保证隧道洞口段安全施工具有重要意义。
文章以连云港北固山隧道为工程背景，根据隧址工程地质、水文地质特征，结合数值仿真分析及现场监控量测，阐述了复杂地质条件下浅埋隧道洞口段施工工艺，研究成果将对同类条件下隧道的设计和施工具有指导意义。
1 工程概况
连云港主体港区北疏港高速公路北固山隧道是连云港疏港道路的重要组成部分，隧道隧址区表层为第四系坡积物，土性主要为可塑～硬塑状粉质粘土层，含少量砾石，局部夹碎石或滚石，薄层状分布。隧址区局部地段见绿片岩，多呈夹层状产出，岩体裂隙发育，岩体破碎，围岩稳定性差，综合评定为Ⅴ级围岩，施工时易坍塌。
2 施工方案及仿真模型的建立
2.1 隧道洞口段掘进及支护工艺
根据隧道进口段地质特征，结合现场勘查初步决定采用拱部环形开挖留核心土法开挖，具体施工工艺为:
1)超前支护;2)上弧导开挖;3)上弧导初期支护;4)核心土开挖;5)下部开挖;6)下部初期支护;7)仰拱开挖;8)施作仰拱;9)施作二衬。
隧道开挖工序示意图如图1所示，具体支护结构设计如图2所示。
图1 上弧形导坑施工工序示意图
2.2 施工方案的动态仿真分析
结合现场施工情况，截至2012年6月，隧道左线并未掘进，右线先行施工，故此处单洞建模，根据隧道现场实际施工情况选定进口段里程桩号为YK3+380作为分析断面。该断面埋深47.54 m，取模型宽Lx=100 m，高Ly=90 m，如图3所示。
图2 Ⅴ级围岩进口浅埋段支护方案
图3 仿真模型
采用平面4节点等参单元模拟围岩体和二衬，初期支护采用梁单元模拟［1］，其计算方法为:
将超前加固范围内的围岩级别提高一级来模拟［2］。锚杆的作用通过ANSYS中杆单元模拟。围岩及支护的力学参数如表1所示。
表1 围岩及支护力学参数
模型建立后，根据文献［3］所提到的方法来模拟隧道开挖与支护的时空效应进行动态施工模拟，模拟采用弹塑性平面模型，根据DP准则可以得到较为精确的结果［4，5］。Drucker-Prager屈服准则表达式为:
3 数值计算结果分析
3.1 位移分析
图4给出了隧道洞口段拱顶和拱底的位移随荷载步的时空曲线。由数值计算结果分析可知，采用弧导法掘进时，洞顶、底位移在弧形导坑开挖时已完成总位移的大部分，分别占到57%和53%，总体来说采用弧导法施工拱底下沉在20 mm以内，处于安全可控的范围，这是因为弧形导坑预留核心土的工法则由于上部预留的核心土可以支挡开挖工作面，增加开挖工作面的稳定，有利于减少拱顶沉降。
图4 拱顶、底位移曲线
3.2 围岩及支护结构受力分析
选取左、右拱腰，拱顶、拱底作为关键点来分析隧道开挖后围岩受力状况，选取围岩扰动区δe/δy来反映土体破坏的情况，表2为控制点应力大小，图5反映了围岩破坏状况，图6为锚杆内力，图7为初期支护内力。
图5 δe/δy计算结果
图6 锚杆内力
图7 初支内力
表2中列出了采用弧导法开挖围岩代表点的最大拉、压应力值，拱腰处开挖后处于受压状态，压应力达到2.801 MPa，从图5可以看出仰拱与边墙交接处有应力集中的现象，初步分析与超前注浆有关。从图6，图7可以看出，采用上弧形导坑法，最大初支轴力为782 kN，出现在拱肩腰，锚杆最大拉力出现在左右边墙，为34 kN，均未超过预警值，说明支护方式是合理的。
表2 围岩代表点应力计算结果 MPa
4 施工方案效果评价
从上述分析可知，按设计的掘进及支护方案进行施工，无论从围岩变形还是支护结构的受力都在合理的范围内。在北固山隧道右洞YK3+380设置了监测断面，进行洞周水平收敛和拱顶下沉监测，测点布置如图8所示，监测结果如图9所示。
图8 测点布置图
图9 断面监测曲线
图9是YK3+380断面的洞周收敛位移和下沉随时间的变化曲线，从图9b)中可看出，测点A，B，C位移发展规律基本一致，在隧道掘进后20 d内基本完成沉降，最大位移测点A＞B＞C，测点A约为3 mm，测点B，C约为2.5 mm。分析表明，结合Ⅴ级围岩进口浅埋段支护设计方案，采用上弧形导坑施工，围岩位移较小，趋于稳定快，说明所选用的施工方案及支护方式是合理的。
5 结语
根据仿真分析结果及现场施工效果的检验，连云港北固山隧道复杂地质条件下浅埋隧道进口段施工工艺采用上弧形导坑开挖配合超前注浆支护的施工方案是可行的，采取超前注浆加固能良好的使围岩最大限度发挥自承能力，洞周位移趋于合理，支护结构发挥到良好的作用，对类似山岭隧道工程的建设具有良好的借鉴意义。
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