扁平偏壓隧道淺埋段施工技術(shù)及可行性檢驗(yàn)

劉旭東

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710054）

0 引言

淺埋隧道常因隧道周圍應(yīng)力分布不均勻，在隧道洞口段或者部分洞身段部位出現(xiàn)偏壓的情況，這樣便形成了淺埋偏壓隧道。一般情況下，淺埋偏壓隧道在地表以下一定深度范圍內(nèi)的圍巖主要由強(qiáng)風(fēng)化層和坡積層構(gòu)成，其主要是Ⅴ級(jí)圍巖或者是節(jié)理化十分嚴(yán)重的Ⅳ級(jí)圍巖構(gòu)成[1]。由于偏壓隧道埋深淺、圍巖差、荷載不平衡，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)圍巖變形超限、冒頂、底板鼓脹，而且因偏壓效應(yīng)引起的隧道襯砌受力不對(duì)稱性，使得襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不平衡，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致初期支護(hù)乃至二次襯砌的開(kāi)裂，降低了隧道結(jié)構(gòu)的承載能力，且破壞了隧道的防排水系統(tǒng)，導(dǎo)致了滲漏乃至突水突泥情況的發(fā)生[2]。針對(duì)淺埋偏壓隧道的施工技術(shù)，已有專家、學(xué)者和一線工程師根據(jù)實(shí)際情況從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)工藝、支護(hù)方法、加工工藝等多方面進(jìn)行了研究和探討，并提出了諸多行之有效的處理方法。鐵道部第二勘察設(shè)計(jì)院根據(jù)二郎山隧道出口段圍巖軟弱、地形嚴(yán)重偏壓，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中常發(fā)生坡體失穩(wěn)，隧道襯砌開(kāi)裂的特點(diǎn)，提出了壓漿改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀況從而保障隧道穩(wěn)定的施工方法[3]。汪東明等人根據(jù)夾坑隧道右洞進(jìn)口段圍巖軟弱，偏壓段施工過(guò)程中明洞段塌方的情況，在淺埋段實(shí)施地表注漿加固以改善圍巖力學(xué)性能；對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行糾偏調(diào)整，保證了隧道順利通過(guò)了不良地質(zhì)段[4]。李銳對(duì)松南隧道施工期間出現(xiàn)的病害進(jìn)行深入分析以后，采用洞內(nèi)自進(jìn)式錨桿和洞外灌漿錨桿聯(lián)合加固的方案，收到了預(yù)期效果[5]。韋寥英根據(jù)桓婭壩隧道洞口段偏壓嚴(yán)重的特點(diǎn)，采用地表加固，超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)和鋼格柵網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，確保隧道安全通過(guò)淺埋偏壓段[6]。王立川、聶玉文等根據(jù)多年施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了淺埋偏壓隧道的諸多設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了“強(qiáng)支護(hù)、快閉合、勤監(jiān)測(cè)”等設(shè)計(jì)要領(lǐng)[7-9]。

本文以福建平潭某隧道為例，提出了在圍巖等級(jí)差、埋深淺、跨度大等嚴(yán)重不利條件下的扁平隧道糾偏、加固技術(shù)，并對(duì)其可行性和可靠性進(jìn)行分析。該隧道位于平潭城西側(cè)，屬上下分離式小凈距扁平隧道。隧道北線長(zhǎng)868 m，南線長(zhǎng)829 m。南北兩線隧道進(jìn)口局部段凈距小于40 m，為小凈距隧道，中間段凈距大于40 m，為分離式隧道。南洞出口端Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)52 m，隧道洞頂以上10 m范圍殘積砂質(zhì)粘土層，全風(fēng)化花崗巖，洞身巖土體主要由全風(fēng)化花崗巖至中風(fēng)化花崗巖組成。

經(jīng)測(cè)量，南線出口段偏壓淺埋段坡度為1:2.75，偏壓較為嚴(yán)重。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，南線出口處V級(jí)圍巖小凈距段初期支護(hù)、永久支護(hù)鋼拱架型號(hào)為I25，臨時(shí)支護(hù)鋼拱架型號(hào)為I16，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，將隧道斷面分成左、右及中間三部分開(kāi)挖，每側(cè)壁導(dǎo)坑分為二層臺(tái)階開(kāi)挖。各導(dǎo)坑上下臺(tái)階的縱向間距離不小于5 m，左右側(cè)導(dǎo)坑同時(shí)施工，具體開(kāi)挖順序如圖1所示。

其開(kāi)挖順序?yàn)椋海?）開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階；（2）施工右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、臨時(shí)仰拱、鎖腳錨桿；（3）開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階；（4）施工右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、鎖腳錨桿；（5）開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階；（6）施工左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、鎖腳錨桿；（7）開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階；（8）施工左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、鎖腳錨桿；（9）開(kāi)挖中部導(dǎo)坑上臺(tái)階；（10）施工拱部第一層初期支護(hù)；（11）開(kāi)挖中部導(dǎo)坑中臺(tái)階；（12）施工臨時(shí)仰拱；（13）開(kāi)挖中部導(dǎo)坑下臺(tái)階；（14）施工中部導(dǎo)坑下臺(tái)階第一層初期支護(hù)；（15）施工仰拱第二層初支、二襯及仰拱回填；（16）拆除臨時(shí)支護(hù)及臨時(shí)仰拱（一次拆除縱向長(zhǎng)度不大于 1 m）；（17）施工拱墻部第二層初期支護(hù)；（18）鋪設(shè)環(huán)向盲溝及防水板，整體澆注拱墻部二次襯砌。

圖1 原設(shè)計(jì)施工方案工序圖

如圖2所示，隧道南線出口淺埋偏壓段偏壓嚴(yán)重，隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，因開(kāi)挖引起的地表沉降、拱頂下沉、拱腳下沉均較大，其中深埋側(cè)導(dǎo)坑拱頂下沉、地表沉降均超過(guò)預(yù)警值。南線出口處于地形偏壓地段，深埋側(cè)導(dǎo)坑承受較大垂直土壓力及水平壓力。由于導(dǎo)坑的開(kāi)挖形成的人為偏壓，加劇了偏壓的形成，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，初期支護(hù)及地表形成裂縫。洞內(nèi)沿著初期支護(hù)中部、臨時(shí)支護(hù)中部（鋼架節(jié)點(diǎn)位置）形成縱向裂縫，裂縫寬度1～2 mm，長(zhǎng)度10～12 m；地表裂縫寬度1.5～2 cm，深度4 m，在未開(kāi)挖這段時(shí)間內(nèi)，收斂及變形穩(wěn)定，裂縫不擴(kuò)展?？紤]到中導(dǎo)坑開(kāi)挖及下部開(kāi)挖均可能使變形加大，因此采取了偏壓處理方案，待偏壓處理后才能進(jìn)行隧道開(kāi)挖。

圖2 隧道南線出口實(shí)景

1 偏壓隧道襯砌受力特征分析

采用公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)中提供的偏壓隧道壓力計(jì)算方法[10]，如圖3所示。

圖3 偏壓隧道襯砌受力計(jì)算模型圖

偏壓隧道垂直壓力的解析計(jì)算公式為：

式中：h、h'——內(nèi)外側(cè)拱頂水平面到地面的距離，m；

B——隧道跨度；

γ——圍巖重度；

θ——頂班土柱量測(cè)摩擦角，（°）；

λ、λ′——內(nèi)外側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)，由公式（2）、（3）計(jì)算。

式（2）～式（5）中：

α——山體坡度角，(°)；

φc——圍巖摩擦角，(°)；

β、β′——內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角。

由（1）可得，隧道內(nèi)、外側(cè)的垂直壓力分別為：

隧道左右兩側(cè)的垂直壓差為：

偏壓隧道水平側(cè)壓力的解析計(jì)算公式為：

隧道左右兩側(cè)的水平壓差為：

由式（10）、式（11）可見(jiàn)，水平和垂直偏壓力與兩側(cè)圍巖高差、山體坡度、巖體計(jì)算摩擦角密切相關(guān)，在隧道兩側(cè)地表高差較大的情況下，隧道支護(hù)將受到水平和垂直兩個(gè)方向上的壓差作用。要減小壓差帶來(lái)的影響，有3個(gè)渠道，其一為隧道外側(cè)進(jìn)行回填或者內(nèi)側(cè)挖方以平壓；其二為加固山體，提高圍巖自穩(wěn)和抗變形能力；其三為加強(qiáng)隧道支護(hù)強(qiáng)度，提升隧道支護(hù)本身抵抗偏壓作用的能力。

2 偏壓段聯(lián)合處置方案

施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)南線出口段出現(xiàn)地表裂縫，隧道結(jié)構(gòu)初支混凝土表面出現(xiàn)裂縫，且裂縫有逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，因此立即停工并研究裂縫產(chǎn)生的原因及處理措施。通過(guò)對(duì)南線出口橫斷面進(jìn)行復(fù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)偏壓嚴(yán)重是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要原因，如繼續(xù)進(jìn)行中導(dǎo)坑開(kāi)挖及下部開(kāi)挖，可能使隧道結(jié)構(gòu)變形加大和裂縫持續(xù)擴(kuò)展甚至引起隧道垮塌。采取以下措施進(jìn)行偏壓糾正：

（1）在開(kāi)挖前對(duì)沿線山體一側(cè)的巖體進(jìn)行加固，采用間距1.0m×1.0m梅花型布置的Φ108mm微型鋼管樁，并內(nèi)插φ22鋼筋籠進(jìn)行加固，一排共設(shè)置4根，為了使其成為整體，在管樁頂部設(shè)置混凝土冠梁。通過(guò)微型鋼管樁施工，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)側(cè)巖體的加固，減少了偏壓偏載，由鋼管樁提供側(cè)壓抗力保證施工安全，管樁具體布置如圖4、圖5所示。

圖4 鋼管混凝土加固結(jié)構(gòu)剖面圖（單位：mm）

圖5 鋼管混凝土平面布置圖（單位：m）

（2）采用反壓回填，以提高外側(cè)圍巖的承載平衡能力。挖除表層的種植土、坡積亞粘土及坡積碎石，全段擋墻基坑開(kāi)挖后夯實(shí)，再進(jìn)行基礎(chǔ)砌筑。右側(cè)邊墻設(shè)置里程為SK5+090～SK5+080段,在SK5+090處為4.03 m，其余段落可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形調(diào)整。

（3）優(yōu)化開(kāi)挖工法，該段處于Ⅴ級(jí)圍巖淺埋偏壓段，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，由于施工方原因，雙側(cè)壁導(dǎo)坑的左右導(dǎo)坑上臺(tái)階已經(jīng)超前50 m，為保證導(dǎo)坑的及時(shí)封閉，先開(kāi)挖各導(dǎo)坑下臺(tái)階，及時(shí)封閉成環(huán)，導(dǎo)坑錯(cuò)開(kāi)距離，按照開(kāi)挖一側(cè)導(dǎo)坑引起圍巖應(yīng)力重分布的影響不至于波及另一側(cè)已成導(dǎo)坑的穩(wěn)定為原則予以確定，錯(cuò)開(kāi)30 m距離，待兩側(cè)的上下導(dǎo)坑開(kāi)挖完成后，再開(kāi)挖中間的導(dǎo)坑。

（4）監(jiān)控量測(cè)：為實(shí)施監(jiān)控隧道圍巖變化情況，加強(qiáng)南線出口淺埋偏壓段的監(jiān)測(cè)，地表沉降由原設(shè)計(jì)2個(gè)斷面，加密為4個(gè)斷面；洞內(nèi)加密為每5 m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。同時(shí)進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)初支鋼支撐應(yīng)力、圍巖壓力及層間支護(hù)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行相互印證，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)采取加固措施或調(diào)整開(kāi)挖方案。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

采取山體加固和調(diào)整施工方案進(jìn)行削減偏壓處理后，繼續(xù)進(jìn)行開(kāi)挖施工，并對(duì)地表、拱頂、拱腳等部位進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行收斂監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，與偏壓處理前的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，一方面是為了檢驗(yàn)減偏措施的實(shí)際效果，另一方面是隨時(shí)掌握結(jié)構(gòu)變形動(dòng)態(tài)，一旦變形超出預(yù)警范圍，即考慮采取新的處理措施。

地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在南線出口的洞頂，共布置2條測(cè)線，各6個(gè)測(cè)點(diǎn)?，F(xiàn)采用第一條測(cè)線作為分析對(duì)象，測(cè)定名稱和位置如圖6所示。通過(guò)監(jiān)測(cè)，共記錄了糾偏施工前后各8個(gè)連續(xù)監(jiān)測(cè)日的沉降數(shù)據(jù)。

圖6 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中，共有4個(gè)斷面進(jìn)行了糾偏前后的連續(xù)監(jiān)測(cè)。如圖7所示，各斷面拱頂沉降點(diǎn)有2個(gè)，左右導(dǎo)洞頂部各1個(gè)；拱腳沉降點(diǎn)共4個(gè)，2個(gè)導(dǎo)洞左、右拱腳處各1個(gè)；收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)共10個(gè)，分別布置在初支表面和臨時(shí)支撐柱上。通過(guò)監(jiān)測(cè)得到了每個(gè)點(diǎn)糾偏施工前后各8個(gè)或者5個(gè)連續(xù)監(jiān)測(cè)日的累積變形數(shù)據(jù)。

圖7 隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖8為南線出口隧道頂部地表加固前后各8個(gè)連續(xù)監(jiān)測(cè)日的累積沉降值對(duì)比曲線。從圖8可以看出施工引起的地表沉降已基本到位，加固后沉降值保持平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，在最大沉降值附近小幅度波動(dòng)，未發(fā)生進(jìn)一步明顯增大現(xiàn)象。

圖8 加固前后地表沉降對(duì)比曲線圖

圖9～圖12為加固前后左右導(dǎo)坑的4個(gè)拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積沉降曲線。從圖9～圖12可以看出，受偏壓作用的影響，拱腳受力復(fù)雜，沉降值波動(dòng)較大，特別是GJ6-2測(cè)點(diǎn)沉降的趨勢(shì)較為明顯。經(jīng)加固糾偏處理后，沉降得到了明顯控制或者改善，曲線基本保持直線水平，在最大值附近小幅度波動(dòng)，部分點(diǎn)在偏壓減除后發(fā)生了回彈，表明了拱腳處由偏壓帶來(lái)的影響得到了明顯削弱。

圖9 SK 5+060監(jiān)測(cè)斷面拱腳沉降曲線對(duì)比圖

圖10 SK 5+070監(jiān)測(cè)斷面拱腳沉降曲線對(duì)比圖

圖11 SK 5+080監(jiān)測(cè)斷面拱腳沉降曲線對(duì)比圖

圖12 SK 5+090監(jiān)測(cè)斷面拱腳沉降曲線對(duì)比圖

圖13～圖15為加固前后左右導(dǎo)坑的2個(gè)拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積沉降曲線。從圖13～圖15可以看出，受偏壓作用的影響，拱頂受力復(fù)雜，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值波動(dòng)較大。經(jīng)加固糾偏處理后，沉降得到了明顯控制或者改善，曲線基本保持直線水平，在最大值附近小幅度波動(dòng)，部分點(diǎn)在偏壓減除后發(fā)生了回彈，如GD6-2和GD9-2，表明了拱頂處由偏壓帶來(lái)的影響得到了明顯削弱。

圖13 SK 5+060監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降曲線對(duì)比圖

圖14 SK 5+070監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降曲線對(duì)比圖

圖15 SK 5+090監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降曲線對(duì)比圖

圖16～圖19為加固前后左右側(cè)的收斂曲線。從圖16～圖19可以看出，經(jīng)加固糾偏處理后，收斂曲線基本保持直線水平，在平均值附近小幅度波動(dòng)，大部分收斂值在偏壓減除后逐漸減小，如SL6-2和SL7-1等，表明了由偏壓帶來(lái)的結(jié)構(gòu)面收斂變形得到了明顯削弱。

圖16 SK 5+060監(jiān)測(cè)斷面收斂曲線對(duì)比圖

圖17 SK 5+070監(jiān)測(cè)斷面收斂曲線對(duì)比圖

圖18 SK 5+080監(jiān)測(cè)斷面收斂曲線對(duì)比圖

圖19 SK 5+090監(jiān)測(cè)斷面收斂曲線對(duì)比圖

對(duì)地表和隧道內(nèi)的所有監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加固糾偏后，部分點(diǎn)變形進(jìn)一步增大，部分點(diǎn)保持不變，其它點(diǎn)變形減小，也就是發(fā)生了回彈。對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所列，加固后變形增大點(diǎn)共7個(gè)，占總共40個(gè)點(diǎn)的17.5%；變形基本保持不變（10%）的點(diǎn)共18個(gè)，占總監(jiān)測(cè)點(diǎn)的45%；變形減小的點(diǎn)共15個(gè)，占總監(jiān)測(cè)點(diǎn)的37.5%；即變形得到有效控制的點(diǎn)占總點(diǎn)數(shù)的82.5%，充分說(shuō)明了加固糾偏方案是有效的。

表1 加固糾偏前后監(jiān)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

本文以福建平潭牛寨山隧道為例，研究了偏壓淺埋扁平隧道的受力機(jī)理，提出了施工的不利條件。針對(duì)偏壓引起的地表開(kāi)裂、洞壁變形破壞等不良現(xiàn)象，提出了超淺埋段進(jìn)行山體加工并優(yōu)化施工工序以糾正偏壓。為了驗(yàn)證方案的可行性，根據(jù)結(jié)構(gòu)沉降和變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，得到了以下成果或者結(jié)論：

（1）淺埋扁平隧道受偏壓影響明顯，壓差超限后會(huì)導(dǎo)致隧道表面結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形甚至破壞；地表發(fā)生不均勻沉降，引起開(kāi)裂等現(xiàn)象。

（2）在淺埋段進(jìn)行山體加固能夠有效地減輕山體內(nèi)側(cè)壓力，使得作用在隧道結(jié)構(gòu)上的壓差減小，保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并安全通過(guò)淺埋段。

（3）通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化施工工序，先開(kāi)挖靠山體內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞，釋放部分高壓，再開(kāi)挖外側(cè)導(dǎo)洞，減小了最終作用在隧道上的壓差，保證了隧道受力均衡。

（4）地表沉降和隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用文中所提出的加固和糾偏措施后，變形得到了有效的控制，開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象再未發(fā)生。

綜上所述，本文結(jié)合工程實(shí)例提出的偏壓條件下，扁平隧道穿越淺埋段的加固和優(yōu)化方法是可靠的，能夠有效地減小偏壓，增強(qiáng)隧道抵抗偏壓地形影響的能力，保證隧道順利通過(guò)淺埋段。

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