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摘要：采用玻璃纤维锚杆加固隧道超前核心土以约束掌子面挤出变形是提高隧道整体稳定的有效手段，也是软弱围岩变形控制工法（简称ADECO-RS法）的核心之一。隧道拱顶不同的覆土厚度所产生的纵向土压力差异较大，超前核心土的加固参数需要相应的调整，为了定量分析覆土厚度对超前核心土加固参数的影响程度，以沿海高速公路野猪山隧道为依托，采用数值模拟方法系统分析了Ⅴ级围岩中不同覆土厚度（10~20m）下的隧道掌子面挤出变形、地表及拱顶沉降量、初期支护内力等力学指标。分析表明，覆土厚度对上述指标的量值有直接关系，随着覆土厚度的增加，锚杆长度宜加长、间距宜减小。
关键词：隧道；覆土厚度；变形控制工法；超前核心土；加固
1、引言
新奥法（以下简称NATM法）是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法。NATM法在我国公路、铁路、水力等山岭隧道中普遍采用。但是，在大断面隧道中，由于需要分部开挖，如台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等，对现场施工进度影响较大。20世纪70年代中期，意大利Pietro Lunardi教授在NATM法的基础上提出了岩土控制变形分析法（Analysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils，以下简称ADECO-RS法），在意大利及欧洲其它国家的公路和铁路隧道建设过程中积累了丰富经验，被纳入意大利的隧道设计和施工规范中[1]。我国铁路部门2006年开始在武广客专浏阳河隧道、桃树坪隧道等穿越复杂弱软地层时尝试采用了该工法[2，3]，为有别于“新奥法”而将其地命名为“新意法”。
以这些工程为依托，中铁第一勘察设计院、中铁隧道洛阳科学技术研究所、西南交通大学、北京交通大学等科研院针对隧道施工开展了大量研究。本文在上述基础上主要研究隧道拱顶覆土对核心土加固参数的影响。
沿海高速工程野猪山隧道右线出口穿越复杂弱软地层，共计40m设计采用了ADECO-RS法，我们以本项目为依托开展了对其变形机理、设计、施工、监测、定额等方面的研究，本文主要介绍拱顶覆土厚度对ADECO-RS法超前核心土加固参数影响的相关研究情况。
2、依托工程
野猪山隧道为4车道分离式隧道，设计行车速度为100km/h，单洞建筑界限总宽为10.75m。出口段（YK60+224～YK60+329）浅部为残坡积层，隧道所处地层以碎块石和含碎石粉质黏土为主，渗透性好，地下水埋深1.2～1.6m，地下水丰富，隧道施工时可能发生淋雨状或涌泉状出水。总体评定为V级围岩。
为了对比两种施工方法的力学特性，对左线隧道仍采用NATM法，并采用环形开挖预留核心土的开挖方法；右线隧道YK60+255～YK60+295共计40m作为ADECO-RS工法试验段，以12m为一个开挖步距、6m为搭接长度设置3个循环，每循环采用82根长度为18m、间距为1.2m×1.2m的Φ32mm玻璃纤维锚杆进行掌子面前方所谓超前核心土的全断面加固。就隧道覆土厚度而言，试验段长度范围内，覆土厚度从5m到15m不等，因此，隧道纵向的土压力变化幅度比较大，有必要研究不同覆土厚度与ADECO-RS法超前核心土加固参数之间的关系。
图2 三维有限元模型
为了提高数值分析的准确性，在隧道掌子面提取了土样开展土工试验，并结合《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）及玻璃纤维锚杆产品技术资料，选取野猪山隧道围岩及初期支护结构物理力学参数（表1）和玻纤锚杆物理力学参数（表2）。
表1计算材料本构模型力学参数表
3.2 隧道掌子面挤出变形
图3为不同覆土厚度下、隧道掌子面挤出变形沿掌子面高度分布情况。可见，随着覆土厚度的增加，掌子面挤出变形量几乎呈线性增加，覆土厚度20m时挤出变形量是覆土厚度10m时的2倍左右，达到24mm。
3.3 地表沉降量
图4为不同覆土厚度下的地表沉降量。可见，随着覆土厚度的增加，地表沉降量几乎呈指数倍增加，覆土厚度20m时的沉降量是覆土厚度10m时的4倍左右，达到11.5mm。
3.4 拱顶沉降量
图5 拱顶下沉变形全过程曲线
拱顶沉降量在实际施工监测中往往是判断隧道稳定性的重要指标，国内外学者关于围岩变形时空效应进行了大量研究，提出围岩变形全过程曲线。所谓空间效应指的是隧洞掘进过程中，由于受到开挖面的约束，使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部瞬时弹性位移。这是开挖面推进过程中，由于空间变化所引起的一种围岩变形特性。时间效应则主要表现为变形空间效应结束后，围岩变形随时间而改变的性质，这是围岩具有流变性的体现。图5为不同覆土厚度下计算得到的隧道拱顶沉降量。可见，无论覆土厚度多少，当掌子面接近监测断面时，拱顶沉降量变化最为剧烈，这是在施工监测中需要加密、重点监测的时间段。而且，由于空间效应存在，施工中实际能监测到拱顶沉降不足50%。从总沉降量来看，随着覆土厚度的增加，拱顶沉降量也相应增加，覆土厚度20m时的沉降量接近覆土厚度10m时的2倍左右，达到40mm左右。
3.5 初期支护内力
表3为不同埋深下初期支护结构内力计算值，以及基于衬砌轴力和弯矩分布，根据《公路隧道设计规范》中的计算公式对隧道衬砌按破坏阶段进行强度验算得到的抗压（或抗拉）安全系数。结果显示，随着隧道覆土厚度的增加，竖向、横向及纵向的土压力增加，初期支护轴力和弯矩显著增大，安全系数显著降低。
表3 不同覆土厚度下初期支护内力值
4、结语
以野猪山隧道为依托，以长度18m、间距1.2m×1.2m、搭接长度6m的Φ32mm玻璃纤维锚杆为基本加固参数，采用数值分析结合现场实测的方法，分析了Ⅴ级围岩覆土厚度分别为10m、15m、20m情况下隧道掌子面挤出变形、地表沉降量、隧道纵向变形、初期支护内力等力学反应指标。分析表明：
（1）隧道掌子面挤出变形、地表沉降量、隧道纵向变形以及初期支护内力均呈现出随覆土厚度的增加而增大的趋势，而安全系数随之减小。因此，覆土厚度对超前核心土加固参数的采用有很多的关系。
（2）覆土厚度增加引起的位移增长率要显著大于内力增长率，对位移进行监测以判断隧道的稳定性比对支护结构内力监测更有效。
（3）目前的加固参数对野猪山隧道的地质条件和覆土厚度是适用的，但是随着埋深的增加，核心土支护参数应适当加强，建议当埋深大于20m时，玻纤锚杆间距取1.0m×1.0m，长度取18m，搭接长度取6m。
施工过程中，对掌子面纵向挤出变形量测、地表及拱顶沉降、纤维锚杆轴力等项目进行了监测，实测结果与数值计算结果较好地吻合，综合判定隧道掌子面及围岩处于稳定状态。同时，试验段施工历时40d，也体现了良好的工效优势。
参考文献
[1]肖广智，魏祥龙.意大利岩土控制变形（ADECO-RS）工法简介[J].现代隧道技术，2007，44（3）：11-15
[2]李斌，漆泰岳，旷文涛，等.新意法在浏阳河隧道参数设计中的应用[J].现代隧道技术，2009，46（4）：83-88
[3]关岩鹏，黄明利，彭峰.大断面软岩隧道新意法加固参数研究[J].公路交通科技，2013，30（3）：105-110
论文作者:欧阳勇华,徐建辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/29
标签：隧道论文; 厚度论文; 围岩论文; 覆土论文; 拱顶论文; 参数论文; 核心论文; 《建筑学研究前沿》2018年第27期论文;