复杂环境地质条件下隧洞进口段支护设计

刘岭楠，王晗

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州311122）

1 项目简介

长九（神山）灰岩矿项目位于安徽省池州市，矿区矿种为灰岩，毗邻长江，砂石骨料从矿区利用带式输送机运至专用码头，输送距离约13km。

带式输送机轴线从矿山加工生产区至码头混合堆料区需穿越水库、湖泊、铁路、公路、矿区、山脉等。其中，4 号隧洞下穿姥山矿区，位于小河王金矿矿区范围内。

该隧洞进口地质、环境条件复杂，洞口大开挖布置方案受限，小开口方案开挖支护难度很大，需要论证可行的开挖支护方法，以确保隧洞安全顺利建成。

2 环境条件及工程地质

2.1 环境条件

该隧洞进口西侧为小河王金矿尾矿沉淀池，主要为小河王金矿开矿后废弃的矿渣和开矿剥离的坡积土和风化砂岩，稳定性差，弃渣场表层的沉淀池依然在使用，隧洞进口土方开挖后，开挖边界距离弃渣场较近，对隧洞进口边坡存在滑坡隐患；隧洞进口东侧为弃渣的坡积土，稳定性差，且分布有容积较大的废水池。因此，洞口地层及周围环境对边坡开挖面的稳定均不利。在人工开挖边坡情况下，洞口引坡面易发生坍塌，同时可能引发周边弃渣场、坡积土的次生滑坡[1]。

2.2 地质条件

本工程岩土工程勘察等级为甲级，原场区复杂程度按二级中等复杂场地考虑，根据勘察报告显示，素填土层和全风化石英闪长岩层较厚，基岩面起伏较大。

1）①层素填土堆积年代大于30a，其中上部0～11m 段呈灰褐色、黄褐色，碎、块石含量较高，约30%～40%，遇水易坍塌；下段11～23.4m 段基本不含碎、块石，褐黄色、棕红，土质粉粒含量高，层理明显，遇水易崩解，下限埋深约23.4m。

2）②层崩坡积块石及碎石土：黄褐色，稍密～中密，碎、块石含量约15%～20%，黏性土充填，层厚3～5m。

3）③层全风化石英闪长岩：褐黄色，原岩结构已经破坏，主要矿物成分为长石、石英，长石、云母已风化成土状，粉粒含量稍高，遇水易软化崩解，层厚约8～10m。

4）④层强风化石英闪长岩网状裂隙发育，岩芯呈碎块状及碎块夹砂砾状，层厚约2～3m。④层和⑤层中风化石英闪长岩起伏变化大，沿物流廊道轴线80m 范围内基岩面高程起伏约20～25m[2]。

根据地勘钻孔揭露，隧洞进洞口处素填土厚约23m，堆积时间久远。下伏基岩为燕山回旋早期石英闪长岩，强风化石英闪长岩岩芯呈破碎块状，碎块加沙砾状，轻击可碎，强风化下限埋深37.7m，隧洞进口位于素填土中，地质条件差。

3 地下连续墙设计

根据场区地层条件和水文特征，结合连续墙围护范围和征地范围，隧洞不可避免地在全风化岩层中进洞，该层岩土体工程性能较差，且地下水丰富。经多方案论证，4#隧洞进口开挖支护形式拟采用地下连续墙围护结构+钢筋混凝土明洞形式。

3.1 地下连续墙嵌固深度

地下连续墙作为一种开挖技术，已在地下工程及深基坑支护中被广泛应用。本工程设计中，在4 号隧洞进口段布置连续墙（见图1）。连续墙在岩层嵌固深度对后期隧洞成洞及开挖边坡的稳定性有较大影响。根据规范要求，连续墙嵌固深度需满足构造要求，嵌固深度不小于0.2 倍基坑深度。隧洞进口附近，基岩位置较浅，远离隧洞进口，基岩位置较深，对此2 种情况，分别讨论嵌固深度对隧洞稳定的影响[3]。

连续墙布置形式见图1。断面基岩位置较浅位置段为A段，较深位置为B 段，在地下连续墙嵌固深度的设计过程中，需满足构造要求、整体滑动稳定性要求和抗倾覆稳定性要求，当坑底为软土时，还应满足最下道支点圆弧抗隆起要求。通过对A、B 段地下连续墙在基岩中不同嵌固深度进行稳定性分析计算，计算结果见图2、图3。

由此计算结果可看出，连续墙的稳定性随嵌固深度的增加而增大。综合考虑施工因素与结构稳定性，确定A 段设计嵌固深度为5m，B 段设计嵌固深度为19.5m。并控制A 段地下连续墙在基础底板以下嵌固深度不小于2m，控制B 段地下连续墙在基岩嵌固深度不小于2m。

图2 A段不同嵌固深度下地下连续墙墙身稳定分析

图3 B段不同嵌固深度下地下连续墙墙身稳定分析

3.2 内支撑布置

内支撑的主要作用是控制开挖面以上地下连续墙的单跨悬挑长度，抵抗地下连续墙的侧向变形[4]。

为了探索内支撑的设置对墙身变形和弯矩的影响，在地下连续墙内布置不同数量内支撑，并对其进行计算分析。内支撑布置方案见表1；不同支撑设置下地下连续墙变形包络图和弯矩包络图见图5；不同支撑设置下连续墙稳定分析见图6。

表1 内支撑布置方案表m

图6 不同支撑设置情况对地下连续墙稳定安全系数敏感性分析

图5 不同支撑设置情况下地下连续墙变形和弯矩包络图

由图5 可以看出，内支撑设置的越多，地下连续墙墙身位移和弯矩越小，加强支撑在控制墙体位移和改善墙身弯矩方面有积极作用，方案1 到方案2增加一道支撑，地下连续墙最大弯矩减小约17.7%，方案2 到方案3 增加1 道支撑，地下连续墙最大弯矩减小约12.4%。

由图6 可以看出，墙内支撑布置数量为连续墙基坑抗倾覆稳定性的敏感因素，内支撑布置越密，整体稳定性越好[5]。

综合考虑整体结构合理、方便施工等因素，在满足结构稳定和施工要求的条件下，地下连续墙内支撑布置选定方案2，连续墙内布置3 道支撑。

4 洞脸开挖支护设计

隧洞进口综合支护如图7 所示。

由于隧洞需在软弱土层中进洞以及隧洞进口开挖开口线范围有限，洞脸至A 段连续墙顶部边坡采用加筋挡墙支护，A段连续墙以上边坡自然放坡的支护形式。隧洞进口采用钢筋混凝土挡墙，减少开挖开口线，并增强坡脚盖重，挡墙钢筋与两侧地下连续墙墙身采用预埋钢筋相连，形成整体受力结构。墙身设置6m/9m 自进式锚杆穿过最危险滑弧面，可大幅提高边坡抗滑力，增加边坡整体稳定性。挡土墙内设φ76mm 排水孔，L=5m，上仰角为5°～10°，间排距为3m×1m；挡土墙墙身设置自进式锚杆，锚杆参数C25，L=6m/9m，间排距为2m×1m。

A 段连续墙以上段采用自然放坡，严格控制边坡开挖坡比不陡于1∶2，减小边坡顶部荷载，降低边坡下滑力。边坡挂网植草，挂网钢筋为A6.5mm@20mm×20mm，边坡内设A76mm 坡面系统排水孔，L=5m，上仰角为5°～10°间排距为3m×3m，坡面采用U 型锚钉支护，梅花型布置。

隧洞进洞形式为超前大管棚进洞，超前大管棚具有梁拱效应和加强效应，形成梁拱结构，防止围岩崩塌和松弛，注浆提高钢管周围围岩的强度和刚度。超前大管棚按门型布设，洞口设置混凝土导向墙以控制大管棚外插角精度，提高大管棚对软弱围岩的超前支护作用。管棚超前支护采用外径A80mm，壁厚10mm 的热轧无缝钢尖管，钢管前端呈尖锥状，尾部焊接A16mm 加劲箍，管壁四周钻A16mm 压浆孔供预注浆用[6]。

图74 号隧洞综合支护图

相同的口线条件下，采用加筋混凝土挡墙支护措施，提高了边坡抗滑力，提高了稳定安全系数，大幅降低了边坡下滑力。墙身设置锚杆加固后，提高了抗滑稳定安全系数。同时根据现场实际监测情况，洞脸边坡为稳定安全状态，加筋混凝土挡墙等支护措施提高了边坡抗滑力，起到了抗滑效果。

5 结语

综上所述，4 号隧洞进口段的开挖及支护设计思路正确，方便使用，确保了4 号隧洞工程顺利建成。