龍泉山一號隧道進(jìn)口段初期支護(hù)大變形的分析與治理

摘 要：龍泉山一號隧道進(jìn)口段穿越淺埋、偏壓及長達(dá)250m的逆斷層破碎帶。在進(jìn)口段施工時，隧道沉降、收斂變形嚴(yán)重，局部洞段侵入二襯界限。為保證隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全，采用調(diào)坡、圍巖加固及換拱等技術(shù)成功完成長達(dá)二百多米的侵限處理并無未發(fā)生一列安全事故，取得了良好的工程效果。

關(guān)鍵詞：龍泉山一號；變形侵限；加固；換拱技術(shù)

1 工程概況

龍泉山一號隧道橫穿龍泉山山脈西緣次級剝蝕低山，隧道進(jìn)口位于成都市龍泉驛區(qū)柏合鎮(zhèn)新光村牌坊灣坡麓緩坡地帶，出口位于柏合鎮(zhèn)石碑子村，蘆溪河西岸龍泉驛至元寶公路上部斜坡地帶，毗鄰寶獅湖。隧道起止樁號為K1+735～K3+573，全長1838m。隧道設(shè)計雙向四車道三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，洞內(nèi)線路為2.6%的單向縱坡。洞內(nèi)開挖斷面型式分為一般段及緊急停車帶段，一般段最大開挖斷面尺寸13.28m×11.05m（寬×高），開挖斷面面積120.655m2；緊急停車帶段開挖尺寸15.43m×11.34m（寬×高），開挖斷面面積142.82m2。

2 地質(zhì)、水文特征

2.1 地層巖性

本隧道進(jìn)口段地層巖性簡單。上覆土層主要有第四系全新統(tǒng)人工填筑土（Q4me）、坡殘積粘土（Q4dl+el），下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖，侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）砂巖、泥巖，斷層壓碎巖（Fbr）。該套地層在臥龍寺向斜SW翼產(chǎn)狀為：N13-33°E/8-14°SE，NE翼產(chǎn)狀同N13°W漸轉(zhuǎn)N42°E傾向S，傾角9-15°，受構(gòu)造影響巖層節(jié)理極其發(fā)育，且有“X”型節(jié)理存在。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)屬新華夏系第三沉降帶-四川沉降盆地之龍泉山褶皺帶中，構(gòu)造跡線主要呈北北東向，路線區(qū)主要構(gòu)造類型有：

（1）臥龍寺向斜。本隧道橫穿臥龍寺向斜，向斜東翼傾角11～24°，西翼傾角為3°～15°，向斜軸部產(chǎn)狀平緩，翼部較陡。其東界（出口）與龍泉山背斜相接，其西翼（進(jìn)口）為龍泉驛逆斷層破壞，巖層產(chǎn)狀變化大，局部陡傾，使蓬萊鎮(zhèn)組或遂寧組與上白堊統(tǒng)灌口組接觸。

（2）龍泉驛逆斷層。隧道進(jìn)口地段發(fā)育龍泉驛斷層，該斷層屬區(qū)域性逆斷層，位于龍泉山大背斜西翼，地表因第四系掩蓋而斷續(xù)出露。斷層南起仁壽陳大山之西，向南斷裂形跡逐漸消失而代之以巖層陡立帶。向北，陳大山至老君廟之間，斷層走向近南北，傾向東，傾角75°，成都龍泉驛以南斷層走向北15°東，傾向南東，傾角35°，東盤（上盤）上沙溪廟組、遂寧組與西盤（下盤）灌口組接觸，地層垂直斷距達(dá)10米，破碎帶及其影響帶寬約250米。

龍泉驛至金堂東，斷層又隱伏于第四系之下。地腹經(jīng)地震勘探查明，斷裂在侏羅系中連成一線，南起仁壽以西，北達(dá)中江會棚場，全長超過120公里，斷層總的走向北20°～30°東，傾向南東，傾角25°～30°，東盤相對上升，西盤相對下降，為逆掩斷層。

根據(jù)實(shí)際施工揭示，龍泉驛斷層于路線分別交于ZK1+870附近，交角為75°，斷層破碎帶寬度約250m，斷層破碎帶由斷層角礫及斷層破碎巖組成，破碎帶及其影響帶淺埋段圍巖為強(qiáng)～全風(fēng)化泥巖。

3 變形狀況及原因分析

3.1 變形狀況

龍泉山一號隧道進(jìn)口段于2009年05月開工至2010年10月隧道貫通，總共完成單洞開挖450m。其間，隧道變形收斂特別嚴(yán)重，尤其是K1+790～K1+900段沉降變形均已侵入二襯界限。侵限均以開挖上臺階右側(cè)為主，左側(cè)侵限程度較右側(cè)輕，拱頂沉降垂直變形大，拱腳兩側(cè)收斂變形相對較小。其中，據(jù)變形觀測數(shù)據(jù)顯示，隧道開挖后平均每日沉降收斂值達(dá)1～2cm，單日沉降量最大達(dá)11cm，收斂值最大達(dá)12cm，隧道局部洞段最大累積沉降達(dá)2.0m之多，最大累積收斂值達(dá)1.8m。洞上方地表坡面縱向蠕動據(jù)測量數(shù)據(jù)顯示達(dá)到1.0m，開裂裂縫寬達(dá)30cm。

3.2 原因分析

經(jīng)過專家們的多次現(xiàn)場踏勘論證，造成本隧道大變形的原因主要有以下幾個方面：

3.2.1 客觀原因。（1）淺埋：進(jìn)口段坡面平緩，地表埋深3.0～40.0m。地表多為松散土體覆蓋，隧道在開挖施工中成洞困難，且對圍巖擾動十分明顯，致使地表裂縫發(fā)育，圍巖應(yīng)力重分布后大于圍巖強(qiáng)度，圍巖產(chǎn)生塑性變形，圍巖應(yīng)力主要作用在初期支護(hù)上，致使初期支護(hù)產(chǎn)生變形。（2）偏壓：隧道進(jìn)口端下穿一山凹，地表呈現(xiàn)出兩邊高，中間低的特點(diǎn)；右洞YK1+737～+770段地表右側(cè)12～0m發(fā)育一沖溝，該沖溝自YK1+770處與隧道交匯，并沿路線前進(jìn)方向延伸至YK1+880位置處逐漸消失。該沖溝深3～6m，沖溝兩側(cè)坡面陡峻形成陡坎，導(dǎo)致右洞地表右側(cè)局部形成地形偏壓。隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重分布，地表右側(cè)土體明顯向左側(cè)滑移坍塌，洞內(nèi)受右側(cè)土體擠壓，初支后鋼支撐變形明顯右側(cè)傾向于左側(cè)，變形量也主要以右側(cè)拱腰為主。（3）逆斷層破碎帶：根據(jù)施工圖地勘報告，隧道進(jìn)口ZK1+810～ZK2+015、YK1+810～YK2+015段穿越龍泉驛逆斷層破碎帶，該斷層破碎帶走向與隧道軸線交角為75°，斷層傾向于隧道進(jìn)口端，斷層破碎帶由斷層角礫及斷層破碎巖組成。受其影響，斷層破碎帶前后淺埋段全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖圍巖極其破碎。受龍泉驛逆斷層破碎帶影響，隧道進(jìn)口端圍巖節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育有兩組節(jié)理，即節(jié)N50°W/73°SE 和節(jié)N16°E/81°NW，3-4條/米。（4）地下水豐富：由于進(jìn)口段隧道位于地表下凹地形下面，隧道開挖后，地下水自兩邊高處向低處隧道匯集，且隧道開挖施工處于雨季，大氣降水豐富，雨水通過地表下滲至隧道周邊圍巖。在地表水和地下水浸泡作用下，泥巖和膨脹土進(jìn)一步軟化、泥化，其各項物理力學(xué)指標(biāo)逐漸降低，從而圍巖的自穩(wěn)能力逐漸減小，作用在隧道初期支護(hù)上的土壓力逐漸加大，并且導(dǎo)致隧道在開挖過程中大小坍方不斷。

3.2.2 主觀原因。（1）設(shè)計方：設(shè)計最初考慮的初期支護(hù)參數(shù)在這種特殊的地質(zhì)條件下已滿足不了控制變形穩(wěn)定的要求，故后面特對原有的初期支護(hù)及輔助措施進(jìn)行了加強(qiáng)處理。（2）施工方：施工方在前期對這種特殊的地質(zhì)條件認(rèn)識還不夠清晰，處于水電行業(yè)轉(zhuǎn)型至公路行業(yè)的起步階段，對公路隧道的施工管理經(jīng)驗還有待進(jìn)一步提高。

4 變形段治理

4.1 地表處理

由于左右洞初期支護(hù)變形持續(xù)時間長，變形值大，地層受節(jié)N50°W/73°SE和節(jié)N16°E/81°NW影響被切割成塊狀，由于施工開挖所引起的底層損失，在其重力作用下，易引起淺埋段地表出現(xiàn)牽引式裂縫。在節(jié)N50°W/73°SE和節(jié)N16°E/81°NW控制下，部分地表裂縫呈垂直于洞軸線方向展布。在左右洞破裂面影響下，部分地表裂縫大致平行于洞軸線方向或與洞軸線大角度相交。為防止裂縫長期開裂地表水入侵圍巖，我們對裂縫進(jìn)行人工夯填密實(shí)，并形成排水流暢坡面或排水溝。

4.2 洞內(nèi)變形段處理

4.2.1 調(diào)坡。由于進(jìn)口段K1+790～K1+900段初支變形嚴(yán)重，局部沉降收斂達(dá)2.0m之多，已嚴(yán)重侵占二襯界限。為了能滿足隧道行車要求，特對侵限段初支進(jìn)行拆換處理。由于侵限拆換施工存在較大的安全風(fēng)險，在不影響洞外路基、橋梁施工的情況下對進(jìn)口段進(jìn)行了調(diào)坡處理，由原有的2.6%縱坡調(diào)整為3.15%。然后再對調(diào)坡后的侵限段進(jìn)行拆換處理。

4.2.2 侵限段圍巖加固。為保證圍巖變形穩(wěn)定和減少換拱時對圍巖的二次擾動，侵限段拆換前，需對侵限段圍巖架設(shè)工18a臨時鋼支撐，縱向間距1.0m，鋼支撐間采用φ22縱向連接筋連接整體，然后進(jìn)行徑向注漿加固和超前注漿加固。（1）侵限段圍巖徑向注漿加固：注漿采用鋼花管φ42，L=6.0m，縱環(huán)間距0.8×1.6m和自進(jìn)式錨桿φ28，L=8.0m縱環(huán)間距0.8×1.6m交錯布置；注漿材料為水泥-水玻璃雙漿液，水灰比0.8～1：1，水玻璃濃度35Be'，水泥與水玻璃體積比為1：0.8，注漿初壓1～1.5MPa，終壓2MPa。（2）侵限段圍巖超前注漿加固：在拱部侵限范圍打設(shè)一排超前小導(dǎo)管φ42，L=3.5m縱向間距2.0m，環(huán)向間距0.3m，小導(dǎo)管角度根據(jù)實(shí)際侵限情況調(diào)整；注漿材料及方法與徑向注漿相同。

4.2.3 侵限拆換。拆換前必須首先保證仰拱襯砌及仰拱填充施作完成，圍巖加固后不再變形。拆換時應(yīng)由洞內(nèi)向洞口方向逐榀進(jìn)行，每次拆換最多不超過兩榀，單榀拆換時應(yīng)自上而下先拱頂后邊墻或半幅進(jìn)行。拆換全過程，必須加強(qiáng)監(jiān)控量測，一有突變立即停止施工，迅速撤離所以作業(yè)人員設(shè)備并及時匯報。具體拆換步驟如下： 第一步：施作保留初期支護(hù)端頭（與新增鋼架接頭處）鎖腳錨桿。在需要保留的鋼支撐端頭每處打設(shè)兩根鎖腳砂漿錨桿φ25，L=4.0m固定保留端鋼支撐以便拆換時不受破壞。第二步：鑿除初期支護(hù)并開挖新增支護(hù)空間。為了盡量降低安全風(fēng)險，減少人員傷亡事故，鑿除侵限圍巖時采用斗山大宇225型專業(yè)破碎機(jī)破碎代替了人工風(fēng)鎬鑿除，從而大大提高了生產(chǎn)效率，也使安全作業(yè)風(fēng)險降低為零。第三步：初噴9cm厚C25鋼纖維砼。新增初期支護(hù)在調(diào)整后的開挖輪廓線基礎(chǔ)上擴(kuò)挖5cm后立即初噴9cm厚鋼纖維砼（原設(shè)計4cm厚）封閉環(huán)向開挖面，防止圍巖掉塊風(fēng)化。第四步：安裝新鋼架。新鋼架與原支護(hù)處同型號，鋼架下料長度由現(xiàn)場拆換實(shí)際長度提前制作完成，待初噴鋼纖維砼完成后及時安裝。新鋼架與原保留鋼架接頭采用鋼板焊接，當(dāng)接頭處有錯位時，可適當(dāng)調(diào)節(jié)。每榀新增鋼架端頭均打設(shè)兩根鎖腳砂漿錨桿φ25，L=4.0m鎖牢。第五步：復(fù)噴C25鋼纖維砼。鋼架安裝完成并通過驗收后，立即復(fù)噴C25鋼纖維砼至設(shè)計厚度。鋼纖維摻量為每方混凝土60kg。

4.2.4 加強(qiáng)二次襯砌支護(hù)參數(shù)。待換拱完成長度具備二襯作業(yè)時，立即將二襯緊跟其后。為保證公路隧道結(jié)構(gòu)與運(yùn)營安全，換拱段二襯必須布置加強(qiáng)襯砌鋼筋，襯砌鋼筋由原設(shè)計每延米5根Φ25（或Φ22）變?yōu)?根Φ28，其中拱腰部分3m范圍增設(shè)5根Φ22附加鋼筋，縱向分布筋由原設(shè)計的φ12或φ14統(tǒng)一調(diào)整為φ16，箍筋由原設(shè)計的φ8調(diào)整為φ10，其間距同原設(shè)計。必要時可提高二次襯砌砼等級。

5 結(jié)束語

通過對龍泉山一號隧道進(jìn)口段大變形原因的正確分析，我們成功克服了隧道變形侵限段的繼續(xù)加劇，并順利完成了變形段的治理施工。保證了隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)用安全，提高了施工效率，同時也有效控制了施工安全零事故。為今后對淺埋、偏壓及逆斷層破碎帶隧道的變形處理時提供了豐富而寶貴的施工經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集[Z].

[2]易萍麗.現(xiàn)代隧道設(shè)計與施工[Z].

[3]JTGF60-2009.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

作者簡介：李柯函（1986-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，鎮(zhèn)江紅星文化產(chǎn)業(yè)投資股份有限公司，助理工程師，本科學(xué)歷，長期從事水利水電及路橋和建筑施工管理工作。