偏压浅埋隧道安全施工控制技术研究

2019-09-10王浩杨斌汪洋

西部交通科技 2019年11期

王浩杨斌汪洋

文章以处于第四系坡残积粉质黏土中并在施工过程中出现过2次大变形的浅埋偏压隧道出口段为依托工程，结合实际工程地质、地形条件，对施工中存在的问题及时采取封闭裂缝、施作偏压挡墙、护拱基础加固、施作护拱、調整施工工法等一系列有针对性的措施，充分利用监控量测信息化平台，动态指导隧道偏压处治设计、施工，并在后续施工中延长和加高偏压挡墙，调整施工工法，完成了隧道偏压浅埋处治，顺利通过洞口浅埋偏压地段。

偏压;浅埋;安全;监控量测;动态施工

U455.4A351154

0 引言

随着经济的快速发展，部分地区交通建设落后于经济发展，同时对公路的修建提出了较高的要求。一些高速公路在崇山峻岭中穿梭延伸，克服高差、适应地形，并能缩短里程、保护生态环境等。在不良地质地段进行隧道选址不可避免，比如洞口段偏压浅埋软岩地质，这增加了隧道施工难度，延误工期，增加施工成本，给隧道施工埋下了安全隐患。本文将以具体的工程案例为依托，探讨一种针对偏压浅埋隧道施工的安全控制技术。

1 工程概况

某高速公路隧道设计为双向四车道，设计速度为100 km/h，建筑限界净宽为11.0 m，建筑限界净高为5.0 m，路线按上、下行分离式隧道设计，左线长1 030 m，右线长1 004 m。

隧道穿过丘陵地貌区，地形起伏大，地面标高60～229 m，最大相对高差约169 m。隧道右线出口段长约104 m，存在偏压、浅埋，隧道围岩地质条件较差，主要为黄褐色全风化第四系坡残积粉质黏土，呈松散结构，无自稳能力，开挖后侧壁易失稳，拱部易坍塌冒顶。隧道出口右线穿越单面斜坡，地形左高右低，边、仰坡横断面与隧道纵向垂直，自然坡度约50°，偏压严重，附近地表还有居民住房，最小埋深为0.3 m，埋深较浅。

2 施工问题及原因分析

2.1 施工问题

（1）隧道已施工完成套拱，并向里面按上下台阶法掘进开挖。2018-07-02，上台阶掘进约10 m时，隧道YK20+883套拱与初期支护交接处存在环向开裂、渗水及左边墙斜向开裂，明暗交接处附近边坡、洞顶地表、排水沟均存在开裂。

（2）2018-08-08，YK20+875断面附近上台阶右侧拱脚处存在股状渗水，上台阶右侧拱脚处初期支护位移较大，已明显侵限;之前发现隧道顶部地表裂缝依旧存在，其中1条排水沟的裂缝与之前相比已明显发展、扩大;YK20+883套拱与初期支护交接处环向开裂、复喷处理后，再次发现开裂。

2.2 原因分析

根据该隧道的实际施工情况可知，隧道初期支护和地表开裂，主要与水文地质、地形地貌、施工工艺和工法、支护措施、施工管理等因素有关，具体有如下几个方面：

（1）隧道出口右洞洞口段原设计与现场地形不符，按原设计施工存在较大的安全隐患。YK20+875～+885段洞口线路右侧拱顶至边墙覆土厚度只有0.3～4.2 m，覆土凹凸较为明显，且地形偏压严重。

（2）右洞洞口段边坡为土质边坡，稳定性较差，地表没有任何植被，易发生失稳风险。

（3）施工处于雨季，降雨量较大，加之居民排水、地表水侵入隧道，在雨水浸泡软化作用下，洞口段地基和围岩承载能力降低，造成套拱和初期支护连接处不均匀受力沉降，使裂缝宽度和长度增加，地表开裂。

（4）施工方法不当，支护参数较弱，支护时间总是滞后。在隧道施作套拱后，未进行偏压处治，采用台阶法开挖掘进，围岩被施工扰动，在隧道产生大变形后，未及时更换施工方法、增强支护参数，致使隧道初期支护和地表变形较大、开裂。

（5）隧道施工管理混乱，施工技术实力较弱，施工人员技术水平参差不齐。

3 处理方案

为确保隧道施工安全、经济、合理、不留隐患，经过专家会议的论证分析，提出了一种可以快速施工的隧道偏压加固处治方案，即暂停掌子面掘进，先进行偏压加固处治施工，之后待围岩稳定后再掘进施工，同时加强地表和洞内观测。隧道偏压处治施工顺序为：封闭地表和初期支护裂缝→施作偏压挡墙→护拱基础加固→施作护拱→根据监控量测数据分析是否需要再次延长偏压挡墙和护拱长度→更换施工工法，及时封闭成环。

3.1 封闭裂缝

采用喷射混凝土对隧道地表和初期支护存在的裂缝进行封闭处理，并进行边仰坡地表沉降观测，直到偏压浅埋段隧道二次衬砌施工完成，且衬砌混凝土强度达到设计要求。

3.2 施作偏压挡墙

隧道出口右线在YK20+885～+891段右侧增设长度为6 m、高度为8.5 m、宽度为7 m的挡墙（底宽5.5 m、顶宽8.5 m），如图1所示，防止洞口右侧边坡向明洞方向滑塌，同时取消原设计浆砌片石回填。挡土墙采用1.5 m深扩大基础，支护开挖，基础底部碎石换填0.5 m。挡墙与明洞之间采用22 mm钢筋连接，墙身采用C25混凝土。

3.3 护拱基础加固

对YK20+875～+885段右侧边坡附着物进行清表处理，对护拱基础挡墙处施作42×4 mm小导管径向注浆，小导管单根长度为6 m，横向×纵向间距为1 m×1 m。

注浆管采用热轧无缝钢管制成，钢管前端加工成锥形，管壁四周钻8 mm注浆孔，孔间距为10 cm，呈梅花形状分布，尾部30 cm不钻注浆孔作为止浆段。锚管孔口段设一加劲箍，加劲箍采用8 mmHRB400钢筋制作。加劲箍与钢管采用双面角焊缝连接牢固。

钻孔直径≥60 mm。注浆前，孔口段孔壁与钢管间空隙必须采用M30快硬水泥砂浆封闭密实后（作为止浆措施），方可进行注浆作业。为保证密封效果，采用快硬水泥砂浆并添加适量微膨胀剂。

小导管采用压力注浆，注浆材料为水泥浆液，注浆压力一般控制在1～1.5 MPa。为保证注浆加固效果，注浆孔停止吸浆并延续灌注5 min后，方可结束注浆。注浆材料可根据现场注浆效果调配。注浆结束后，采用M30混凝土将注浆孔填充密实。

3.4 施作護拱

对YK20+875～+885段偏压侧施作护拱。护拱采用C20混凝土浇筑，厚度为2 m，基础采用混凝土挡墙基础，护拱坡率结合现场地形自然坡率施作。

3.5 信息化动态设计施工

在本次偏压处治施工过程中，对隧道地表沉降、拱顶沉降、周边位移进行实时监测，并进行洞内外观察，以便及时掌握围岩的施工力学性能等信息，并对围岩的稳定、安全性作出评价，对隧道的不稳定状态及时预警，防止隧道塌方，确保隧道施工安全，动态指导隧道偏压处治施工。

3.5.1 施工中的监测

（1）地质及支护状况观察

隧道掌子面每次爆破后通过肉眼观察、地质罗盘和锤击检查、数码相机记录，描述和记录围岩地质情况。对已施工地段初期支护进行观察，看其是否开裂、渗水，看钢拱架是否变形等。洞外观察则是在洞口段右幅记录地表开裂、变形及边仰坡稳定状态和地表建筑物情况等。

（2）地表下沉量测

在隧道出口右幅斜坡地表上垂直隧道轴线方向每个断面布设7个测点，每隔10 m布设一个断面，用精密水准仪测量。

（3）拱顶下沉量测

在隧道出口右幅，采用精密水准仪量测拱顶下沉，每一个断面在隧道拱顶及轴线左右各2～4 m共设3个测点，每隔5 m布设一个断面。

（4）周边收敛量测

在隧道出口右幅采用隧道收敛计监测隧道周边位移变形，每隔5 m布设一个断面。

（5）监控预警机制

结合隧道实际施工情况，制定了位移、位移速率两种监控预警管理机制。

①根据最大位移值进行施工管理

根据《公路隧道施工技术细则》（JTG/F60-2009），隧道实测位移值不应大于隧道的极限位移，并按表1进行监控量测管理和指导施工。本隧道将设计预留变形量作为极限位移（最大允许位移值）。

②根据位移速率进行施工管理

根据《公路隧道施工技术细则》（JTG/F60-2009），

制定位移速率管理控制措施。隧道实测位移速率值不应大于隧道的极限位移速率，并按下列情况进行监控量测管理和指导施工：

位移速率>5 mm/d时，表明围岩处于危险状态，必须立即停止掘进，采取特殊应急措施;

当位移速率在1～5 mm/d之间时，表明围岩处于不稳定状态，应密切关注围岩动态，加强初期支护;

当位移速率在1～0.2 mm/d之间时，表明围岩处于缓慢变形阶段;

当位移速率<0.2 mm/d时，表明围岩已达到基本稳定，可以进行二次衬砌作业。

3.5.2 数据分析

通过对监控量测数据、洞内外观测数据的整理分析，可以较好地说明监控量测动态指导隧道偏压处治施工取得良好的效果，使隧道施工安全得到有效控制。下面以YK20+875拱顶沉降、地表沉降为例，进行数据分析。

（1）YK20+875拱顶沉降

图2为YK20+875拱顶沉降曲线图。该曲线显示最终拱顶沉降最大值达到140 mm。在2018-08-08左右沉降速率最大，达到17 mm/d，此时拱顶沉降累计最大值为91 mm。

（2）YK20+875地表沉降

YK20+875地表沉降曲线如下页图3所示。从该曲线图可知，最终地表沉降最大值为140 mm。在2018-08-08左右地表单日最大沉降量为6 mm，此时地表沉降累计最大值为69 mm。

（3）分析结果

从拱顶沉降、地表沉降两个曲线图中可知，从2018年6月至7月初，随着隧道开挖施工，加上浅埋、偏压作用，隧道围岩变形较大，导致隧道初期支护和地表均开裂。经过地表和初期支护裂缝封闭、偏压挡墙施作、护拱基础注浆、护拱施作等综合处治后，7月中旬至7月底，隧道围岩变形得到一定程度上的稳定。8月初隧道继续开挖掘进，对周围围岩扰动，打破了原有的平衡状态，围岩变形较大，初期支护和地表再次开裂，围岩处于相当危险的状态，隧道随时可能会塌方冒顶。

3.5.3 动态设计施工

2018-08-08，根据监控量测数据，指挥部再次组织专家会议分析论证，得出结论：由于该隧道出口埋深较浅，偏压严重，导致之前的偏压处治未彻底消除隧道偏压作用，施工工法不合理。其处治措施有：

（1）采用喷射混凝土及时封闭地表和初期支护裂缝。

（2）偏压挡墙和护拱纵向长度太短，应往小里程方向延伸5 m，挡墙加高4 m，以增加挡墙和护拱荷重，平衡偏压作用。

（3）改变施工工法，采用预留核心土环形开挖法施工，仰拱开挖有3 m长时就及时封闭成环。

经过8月中旬的偏压处治后，隧道再次开挖掘进，拱顶沉降、地表下沉得以有效控制，并于9月初两者均开始趋于稳定（如图2～3所示），防止了隧道塌方冒顶灾难事故的发生，保证了隧道施工安全、有条不紊地推进，顺利通过了出口浅埋偏压地段。

4 结语

通过对该浅埋偏压隧道存在的施工问题、偏压处治及其相应的监控量测数据进行处理分析，对浅埋偏压隧道施工有了一定认识。本次隧道成功的偏压处治施工可为今后类似工程的施工提供科学的指导：

（1）偏压浅埋隧道在施工之前，必须将由自然因素引起的偏压荷载和隧道施工工法来综合考虑，并科学制定正洞掘进的施工方案，才有利于隧道的围岩稳定，确保隧道施工安全。

（2）隧道偏压处治一定要充分利用监控量测平台，掌握围岩动态变形情况，信息化动态科学指导设计施工。根据监控量测数据，结合隧道洞口地形、地质，为隧道偏压处治提供基础数据，判明偏压的严重程度，为在不利地形、地质条件下隧道施工指明方向，使得修建的隧道安全、经济、合理，避免人员伤亡和经济损失。

（3）在浅埋偏压地段，围岩地质条件较差，承载能力较低。隧道开挖要遵循“弱扰动、短进尺、强支护、及时封闭成环”的原则，避免围岩产生较大的变形，形成应力集中，甚至产生塌方冒顶的地质灾害事故。

[1]JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范[S].