我国西部地区黄土面积分布广泛，在多条黄土隧道修建过程中，发生过初期支护侵限等工程病害^[1-5]。其中，隧道洞口浅埋段受地表环境影响大，在开挖过程中易发生地表塌陷、支护结构破坏等问题^[6]，加固措施必不可少。

隧道加固一般分为洞内加固法^[7-10]和地表加固法^[11-13]。洞内加固措施往往由于空间受限，施工较慢，对工期影响较大，且在加固尚未形成安全保护前不能保证施工安全；而地表加固措施可超前于洞内开挖，机械化程度高，且通常可对浅埋段整个覆盖层进行加固，加固后不易出现地质灾害。总体而言，在黄土隧道洞口段，采用地表加固较之洞内加固具有更好的适用性。地表旋喷桩法是通过施作高压旋喷桩以对其施作范围内的岩土体进行加固的地表加固方法，因其适用地层范围广、加固效果稳定、操作方便等优势，被广泛应用于隧道洞口段地表加固工程^[14]。范小龙等^[15]以西南山区某新建铁路隧道的洞口浅埋段为例, 研究了地表旋喷桩加固在浅埋暗挖隧道穿越土层时的应用，结果表明隧道洞口穿越土层段采用旋喷桩加固后能有效控制围岩变形；杨秀竹等^[16]针对某浅埋偏压隧道采用地表旋喷桩加固的实际情况，对三台阶法开挖隧道时围岩的位移和应变响应进行了数值分析，并与未采用地表加固情况进行了比较，计算结果表明隧道上覆土层采用旋喷桩加固后可以有效控制围岩变形；娄健等^[17]以广东省云茂高速公路新屋隧道浅埋段软弱围压地表高压旋喷桩加固为依托，分析了隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固机理，系统地开展了现场试验及加固效果检测方案设计，提出以地表高压旋喷桩进行预加固的方案；蔡敏等^[18]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；郭云普等^[19]以通天河隧道为工程依托，为有效解决隧道开挖过程中的坍塌问题，保证隧道安全穿越粉砂层地段，采用地表旋喷桩技术对地表进行加固，结果表明该加固措施效果显著，既可保证隧道施工安全，又可加快施工进度；Li等^[20]对高压旋喷桩的注浆材料与固结体性能、隧道围岩加固的关键参数及现场加固效果进行了比较，研究结果表明浅埋隧道经高压旋喷桩加固后顶部围岩更加稳定，为隧道浅埋段安全开挖创造了条件。以上学者主要研究论证了地表旋喷桩的加固效果，但针对于浅埋偏压黄土隧道地表旋喷桩加固后对隧道拱顶沉降、地表沉降的影响，以及对旋喷桩加固范围等工艺参数优化问题仍有深入研究的空间。因此，研究地表旋喷桩加固作用下隧道开挖时空效应及旋喷桩参数优化问题对于工程实践具有重要意义。

本研究以某黄土隧道浅埋偏压进口段初期支护发生侵限问题为背景，分析病害出现的原因，系统介绍现场地表旋喷桩加固的完整施工流程，并对现场侵限段建立三维数值模型，通过对比现场监控量测数据验证数值模拟方法的准确性。此外，开展地表旋喷桩的桩直径、桩间距及加固范围参数优化分析，得到不同工艺参数对拱顶沉降及地表沉降的影响规律。

某黄土隧道位于陕西省延安市宝塔区境内，陕北黄土高原东南端，属于黄土粱峁丘陵沟壑区，黄土粱峁起伏，沟壑纵横。隧道近东西走向，轴线斜穿黄土粱脊，与粱脊斜交角度为40°~50°。穿越的地层主要为马兰黄土、离石黄土，以及中风化泥岩。隧道左线起止桩号为ZK20+816.2~ZK21+730，全长913.8 m，属中隧道，埋深0~108 m，设计为分离式双向四车道。

隧址区进出口区域发育的沟壑地表均被冲洪积物填平，无较好的汇水条件，该洞口处在自然状态下无水流现象，在暴雨季节水流会被及时排泄，无较大积水现象。洞室开挖采取复合式支护形式，在隧道开挖至ZK20+860处，发生初期支护侵限的问题，侵限段里程桩号为ZK20+840-ZK20+860，长度20 m。如图 1(a)所示，最大侵限值达45 cm。同时，隧顶地表出现沿隧道掘进方向的裂缝，如图 1(b)所示。

图 1 现场施工病害 Fig. 1 On-site construction diseases

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针对上述工程病害，现场采取地表旋喷桩+换拱的处治措施。地表旋喷桩采用梅花桩布设形式，设计直径0.6 m，间距1.2 m，横向加固范围28.8 m(约2倍洞径)，侵限段隧道平均埋深20 m，隧顶中心线上部旋喷桩长8 m，剩余12 m长度不进行旋喷注浆加固，利用冒浆浆液注满。现场旋喷桩注浆加固方案示意图如图 2所示。图 3为地表旋喷桩施工工艺流程。

图 2 旋喷桩加固方案示意图 Fig. 2 Schematic diagram of jet grouting pile reinforcement scheme

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图 3 地表旋喷桩施工流程图 Fig. 3 Flow chart of surface jet grouting pile construction

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采用MIDAS GTS NX软件建立三维开挖模型，对现场侵限段加固处治效果进行数值模拟。上覆黄土为第四系马兰黄土，地质勘探表明马兰黄土平均覆盖厚度约8 m，下部主要为第四系离石黄土，在隧道开挖面下部约2 m深度处存在一条厚度3 m的中风化泥岩。隧道主要穿越地层为离石黄土，同时部分断面夹杂少量泥岩土层。模型的设计尺寸如图 4所示，宽度为80 m，沿开挖进尺方向长度36 m，左侧高度34 m，右侧高度60 m。

图 4 模型示意图 Fig. 4 Schematic diagram of model

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在模型中，地层采用3D实体单元来模拟，视为理想的弹塑性材料，并服从摩尔-库伦强度准则；初期支护厚度26 cm，二次衬砌厚度50 cm，采用2D板单元进行模拟；通过建立与周围土体节点耦合的1D梁单元来模拟旋喷桩，只考虑桩体自身的加固作用，不考虑旋喷桩与土体之间的相互作用及旋喷浆液扩散等影响。数值模拟中使用的各项物理参数，如表 1所示^{[4, 21]}。

在约束方面，对施加的旋喷桩单元设置竖向转动约束，限制其竖向的转动。对整个模型施加边界条件，约束模型底面的竖向位移以及周边自由面的水平位移。

隧道开挖采取两台阶预留核心土法，开挖进尺为2 m。激活所有土层，施加边界条件后，模拟隧道开挖：第1步施加地表旋喷桩，并对旋喷桩施加转动约束，限制其竖向转动；第2步开挖上导坑，同时进行上导坑初期支护施工；第3步开挖上部核心土；第4步开挖下部左导坑，并施加下部左导坑的初期支护，其中上部核心土与下台阶的间距约为1倍隧道跨径；第5步开挖下部右导坑，并施加下部右导坑的初期支护；第6步开挖下部核心土；第7步仰拱开挖并施加初期支护；第8步施加二次衬砌。进行下一步工序时上一工序同步进行，依次循环完成以上步骤。

旋喷桩施加前后的地表沉降如图 5所示。从整体来看，地表沉降曲线表现出由隧道中心线处向两侧递减的趋势。隧道开挖引起扰动距离越远，影响越小。从局部来看，两条曲线的最大沉降值均偏离隧道中心线，最大值均位于隧道中心线右侧3 m位置处，这是由于地表偏压造成的，右侧埋深较大，故右侧沉降大于左侧。未采取地表旋喷桩加固时，地表最大沉降值为55 mm；采取地表旋喷桩加固后，地表最大沉降值为30 mm，地表最大沉降值减小45.5%。可以看出，施加地表旋喷桩后对于减小地表沉降具有十分显著的效果。

图 5 地表沉降对比 Fig. 5 Surface settlement comparison

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对上文建立的数值模型，选取目标断面，在目标断面选取左拱肩、拱顶、右拱肩3个测点，分别提取目标测点随开挖步的沉降数据，结果如图 6所示。

图 6 拱顶沉降对比 Fig. 6 Vault settlement comparison

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观察目标断面测点位移随开挖步的时程曲线可以发现，旋喷桩施加前后各测点的变形规律基本一致，隧道开挖面距离目标断面越近，各测点的位移增量越大。在未开挖至目标断面时，各测点受开挖扰动小，变形增加缓慢；开挖至目标断面时，各测点位移急剧增大；当支护结构施加后，约束了部分围岩的变形，各测点位移趋于稳定。

未采用地表旋喷桩加固时，目标断面3个测点的最大沉降值分别达到了23.5，50.8，41.7 mm。拱顶沉降值最大，右拱肩测点沉降值超出左拱肩测点沉降值77.4%，这是由于隧道右侧埋深大于左侧埋深所造成的。在地表旋喷桩加固后，目标断面测点沉降值大幅减小，3个测点的最大沉降值分别为11，21.4，17.6 mm。拱顶处加固效果最为显著，较加固前沉降减小57.9%。加固后，右拱肩测点沉降值依然大于左拱肩测点沉降值，但是，左右拱肩沉降差值减小，右拱肩测点沉降值超出左拱肩测点沉降值60%。

采取地表旋喷桩加固处理后，监测ZK20+860断面的变形发展，得到拱顶沉降位移及速率曲线如图 7所示。

图 7 拱顶沉降位移及速率曲线 Fig. 7 Curves of vault settlement displacement and rate

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开挖后3 d内围岩变形速率最大，最大速率为5 mm/d；3 d后变形速率逐渐减小, 并在两周后趋于稳定。由于偏压造成拱顶中心线处沉降>拱顶右侧沉降>拱顶左侧沉降, 最终沉降值分别为32，19，15 mm。上文数值模拟结果为21.4，17.6，11 mm。两者变形规律基本一致且沉降偏差相对较小，验证了数值模拟的准确性。

本研究主要针对地表旋喷桩施工参数进行优化分析，按照与前文相同的地层参数、建模方法和流程，分别以旋喷桩直径、间距及加固范围为控制变量，建立不同工况下的旋喷桩加固模型。桩直径的变化范围为0.3~1.0 m，桩间距变化范围为0.6~1.6 m，横向加固范围考虑从1倍洞径到3倍洞径，竖向加固范围考虑加固至拱顶、拱腰以及与隧道拱底平齐3种工况。

桩直径与沉降关系曲线如图 8所示，随着桩直径的逐渐增大，拱顶最大沉降值及地表最大沉降值均表现出先减小、后增大的变化规律。其中，当桩直径在0.4~0.6 m之间时，拱顶最大沉降及地表最大沉降的变化幅度均在3%以内，且加固效果较优，故建议隧道浅埋段地表旋喷桩加固桩体直径设计在0.4~0.6 m范围内。

图 8 桩直径与沉降关系 Fig. 8 Pile diameter v.s. settlement

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如图 9所示，拱顶最大沉降及地表最大沉降与桩间距呈正相关关系，即随着桩间距的逐渐增大，拱顶最大沉降值与地表最大沉降值也增大，加固效果越差。当桩间距大于1.2 m时，加固效果会出现较为明显的降低；当桩间距小于1.2 m时，桩间距越小加固效果更优，但优化幅度均未超过5%。基于以上分析，建议隧道浅埋段地表旋喷桩加固桩间距不得高于1.2 m，综合考虑经济性等因素，当加固工程无较高防渗要求时，桩间距可选为1.2 m。

图 9 桩间距与沉降关系 Fig. 9 Pile spacing v.s. settlement

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如图 10所示，随着横向加固范围的逐渐扩大，拱顶最大沉降及地表最大沉降均逐渐减小。当加固范围从1倍洞径扩大到1.5倍洞径时，拱顶最大沉降值和地表最大沉降值分别减小38.7%和37.7%，加固效果变化明显；当加固范围从1.5倍洞径扩大到2倍洞径时，拱顶最大沉降值、地表最大沉降值分别减小15.6%和10.4%，加固效果差别并不明显；而当加固范围由2倍洞径扩大至2.5倍洞径及3倍洞径时，拱顶最大沉降值分别仅减小1.9%和4.2%，地表最大沉降值分别减小6.7%和8.3%，优化效果明显降低。综上所述，建议隧道浅埋段地表旋喷桩横向加固范围设计为1.5~2倍洞径。

图 10 横向加固范围与沉降关系 Fig. 10 Lateral reinforcement extent v.s. settlement

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图 11为竖向加固范围与沉降关系曲线，当加固范围由加固至拱顶变化至拱腰时，拱顶最大沉降值、地表最大沉降值分别减小5.2%和11.7%，加固效果差别不大；而当加固至洞身两侧旋喷桩与隧道拱底平齐时，与前两种方案相比，拱顶最大沉降值分别减小31.8%和28.1%，地表最大沉降值分别减小28.4%和18.9%，加固效果有了明显提升，因此建议隧道浅埋段地表旋喷桩竖向加固范围设计为洞身两侧旋喷桩与隧道拱底平齐。

图 11 竖向加固范围与沉降关系 Fig. 11 Vertical reinforcement extent v.s. settlement

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本研究以某黄土隧道洞口段为依托工程，介绍了地表旋喷桩加固的施工工法，建立了其三维数值加固模型，分析了地表旋喷桩的加固效果和适用工艺参数。得到结论如下：

(1) 由于偏压作用，地表最大沉降值偏离隧道中心线，施加地表旋喷桩对于减小地表沉降具有显著效果，地表最大沉降值减小45.5%。

(2) 采用地表旋喷桩加固处理，拱顶沉降减小57.9%，加固后左、右拱肩沉降差值减小17.4%。

(3) 建议隧道浅埋段地表旋喷桩加固参数：桩直径为0.4~0.6 m、桩间距为1.2 m、横向加固范围为1.5~2倍洞径、竖向加固范围为洞身两侧旋喷桩与隧道拱底平齐。