老龍山隧道不良地質段施工控制技術研究

杜榮生

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

隨著我國公路建設事業(yè)的不斷發(fā)展，公路隧道不斷向崇山峻嶺地區(qū)邁進，其不可避免地要穿越破碎圍巖、淺埋、偏壓、富水等不良地質段，給公路隧道的建設帶來極大的挑戰(zhàn)。目前，學者們針對隧道不良地質段的施工技術已開展了大量的研究工作。黃成造[1]等人針對某公路隧道破碎圍巖塌方段的工程實例，在研究采用雙側壁導坑法施工時預留核心土的穩(wěn)定性問題的基礎上，提出對拉錨桿的新型隧道施工工藝；吳華忠[2]等人結合茅山西隧道的淺埋段，根據(jù)實際量測與現(xiàn)場地質調查結果，對明挖法和蓋挖法進行深入研究，研究結果表明，蓋挖法節(jié)省了投資，保護了環(huán)境；邵利平[3]以沈陽市某人行過街通道為工程實例，針對其超淺埋段，采用二重管深孔注漿技術有效加固了地層，在保證地面正常交通及地下管線安全的前提下，順利完成施工；張慧[4]等人以六武高速公路某隧道為工程實例，在其施工中遇到淺埋、偏壓、軟弱圍巖等情況下，采用“零開挖進洞”等一系列施工方案，既可保護生態(tài)環(huán)境，又可保證施工安全。本文依托太佳高速公路老龍山隧道工程，針對其不良地質段提出相應的施工控制措施，并對其施工效果進行全面評價，以期為類似工程提供借鑒意義。

1 工程概況

老龍山隧道是一座雙向四車道分離式隧道，其左洞長4 970 m，右洞長4 940 m，最大埋深230 m。隧址區(qū)位于太原盆地西部，呂梁山脈東部，屬黃土覆蓋中山區(qū)，其地形地貌主要為黃土峁、梁溝壑區(qū)，地勢起伏較大，相對高差約200～300 m，“V”字型沖溝發(fā)育且分布較為密集，其縱橫交錯，溝谷深度一般為35～50 m，坡度為50°～70°。在隧道地表局部發(fā)育有黃土陡壁，其高度約30 m。隧道進口端位于山坡坡腳，連接一段填方路基；出口端位于山體中部，連接路塹邊坡。

根據(jù)隧道鉆探及地質調查結果可知，隧址區(qū)內覆蓋層主要包括第四系全新統(tǒng)沖洪積卵石（Q4al+pl）、晚更新統(tǒng)沖洪積成因卵石和風積黃土（粉土）（Q3eol）、第四系中更新統(tǒng)風積成因的黃土（粉質黏土）（Q4eol）。該隧道基巖主要包括晚第三系上新統(tǒng)（N2）礫巖和奧陶系中統(tǒng)（O2）泥灰?guī)r、灰?guī)r、炭質灰?guī)r等，其巖層風化層較為發(fā)育。

由于隧址區(qū)位于呂梁-太行斷塊西部的呂梁隆起區(qū)及其中部的五臺山隆起區(qū)，其巖體形態(tài)受褶皺構造影響較大，因此其巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體較為破碎，對隧道施工影響較大。尤其在隧道左線ZK53+875—ZK53+905段，其埋深僅有5 m，屬于黃土超淺埋段，在施工過程中出現(xiàn)掉塊、塌方現(xiàn)象，在其上導坑施工完成后，其拱部即發(fā)生較大沉降，拱肩部位出現(xiàn)鋼拱架嚴重剪切變形現(xiàn)象，其具體情況如圖1、圖2所示。

圖1 隧道塌方

圖2 隧道鋼拱架剪切變形

2 不良地質段施工控制措施

2.1 預加固措施

由于老龍山隧道洞口段圍巖極為破碎，極易發(fā)生塌方，且部分圍巖為富水軟弱土質，因此應采用管棚進行預加固。管棚是由鋼管和鋼支撐組成的超前支護體系，可用于預加固和支撐自穩(wěn)能力較差的隧道段。

在管棚施工過程中，首先利用人工送管，再利用鉆機進行頂進，直至頂進至設計深度，其在洞身段易受施工空間的影響，因此主要用于洞口預加固。在管棚支護體系中，鋼管為縱向支護，宜采用φ80的鋼管，以1°～2°的仰角鉆進至前方圍巖中，其長度為35 m，可用絲扣進行連接加長，每節(jié)鋼管長度為4～6 m，縱向搭接長度不小于3 m，環(huán)向布設間距為45 cm。鋼管鉆孔直徑應大于鋼管自身直徑2 cm，以利于鋼管頂進。鋼支架為環(huán)向支護，可采用普通鋼拱架，其與鋼管共同構成超前支護體系。

對于洞身段的破碎圍巖，主要采用超前小導管注漿法進行加固，首先利用鉆機將小導管以5°～10°的外插角向隧道掌子面前方打設，再連接注漿機以3～5 m一個循環(huán)進行注漿加固。結合老龍山隧道的實際情況，本項目組決定采用滲透注漿法進行圍巖預加固，即利用中低壓將具有一定滲透性的漿液注入圍巖中，并逐漸滲透入圍巖裂隙中，從而將破碎圍巖進行加固。為保證注漿效果，本項目采用的單管漿液擴散半徑為0.5 m。

2.2 開挖工法

由于分部開挖可將整個隧道掌子面分成不同部位而逐步開挖，因此可將一部分超前開挖作為超前導坑，為下一步開挖提供指導。分部開挖可有效減小掌子面開挖跨度，利于圍巖穩(wěn)定，適用于軟弱破碎圍巖段。結合老龍山隧道的實際情況，選用臺階分部開挖法，即環(huán)形開挖預留核心土法，一般開挖進尺為0.5 m，其上部預留的核心土可有效支撐開挖面，有利于隧道掌子面穩(wěn)定，具體情況如圖3所示。

圖3 臺階分部開挖法

對于隧道不良地質段，在采用上述超前預加固措施后，采用人工配合機械方式進行開挖掘進，每循環(huán)0.5 m，從而避免爆破作業(yè)中對軟弱圍巖的擾動。在上述措施的及時支護及嚴格開挖作業(yè)下，可順利通過不良地質段，有效保證施工安全。

3 施工效果評價

3.1 支護狀況觀察

為全面評價老龍山隧道在采用上述施工控制措施的效果，本文主要針對以下三方面進行現(xiàn)場觀察：

a）對隧道地表、洞口邊仰坡進行觀察，包括地表有無塌陷、地裂縫，洞口防護混凝土有無開裂、掉塊。

b）對初期支護有無裂縫、滲漏水情況進行觀察，且對于已發(fā)生的裂縫，仔細觀察其裂縫長度、寬度、有無滲水情況，判斷其發(fā)展趨勢，及時預警。

c）對已施作二襯的隧道段，主要觀察混凝土有無裂縫、剝離，鋼拱架有無剪切破壞，基底是否有隆起等。

利用上述現(xiàn)場觀察手段對老龍山隧道左線ZK53+875—ZK53+905段進行觀察后可知，采用上述施工控制措施，其初期支護狀況良好，二襯未見明顯裂縫、滲漏水，可初步判定該施工控制措施取得了良好的效果。

3.2 地表下沉

采用精密水準儀、水準尺進行地表下沉量測，其量測精度可達±1 mm，其測點布設位置應以隧道中線為軸，對稱分布，中間稍密，兩側稍疏，也可根據(jù)現(xiàn)場具體情況進行適當加密。在隧道3～4倍洞徑外埋設一個基準點，同時根據(jù)隧道地表下沉速度決定量測頻率，如表1所示。

表1 老龍山隧道地表下沉監(jiān)測頻率

針對老龍山隧道不良地質段，即左線ZK53+875—ZK53+905段，采用上述地表下沉監(jiān)測手段進行量測，每隔5 m布設一個監(jiān)測斷面，每個斷面布設7個監(jiān)測點，其監(jiān)測結果如圖4所示。

圖4 地表下沉監(jiān)測結果

由圖4可以看出，在隧道施工過程中，隧道軸線對應地表處的沉降量最大，最大值達到5.1 mm，但當掌子面開挖經過該處后，地表下沉逐步趨于穩(wěn)定，下沉量逐步減小，可見采用上述施工控制措施使得隧道開挖對地表未產生較大影響。

3.3 周邊收斂及拱頂下沉

通過對老龍山隧道進行周邊收斂及拱頂下沉監(jiān)測，可全面了解該隧道支護結構的應力應變狀況，進而評價隧道圍巖及支護結構的穩(wěn)定性，同時可根據(jù)周邊收斂及拱頂下沉的速率，綜合判定二襯施作合理時機。本項目采用數(shù)顯式收斂計進行周邊收斂監(jiān)測，利用水準儀、水準尺、銦鋼尺進行拱頂下沉監(jiān)測，其監(jiān)測頻率應參照表2。

表2 老龍山隧道周邊收斂及拱頂下沉監(jiān)測頻率

本項目針對老龍山隧道左洞ZK53+890、ZK53+900兩個斷面進行重點監(jiān)測，其周邊收斂及拱頂下沉監(jiān)測結果如圖5、圖6所示。

圖5 斷面ZK53+890監(jiān)測結果

由圖5可知，斷面ZK53+890周邊收斂值普遍較小，監(jiān)測周期內累計收斂值僅為28 mm；拱頂下沉值在掌子面開挖后20 d內呈明顯增長趨勢，最大下沉速率達到10 mm/d，掌子面開挖20 d后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 斷面ZK53+900監(jiān)測結果

由圖6可知，斷面ZK53+900周邊收斂值普遍較小，其最大值發(fā)生在掌子面開挖后15 d，速率為3.5 mm/d，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；而拱頂下沉變化幅度相對較大，第8天拱頂下沉速率較大，達到10 mm/d，隨后變形趨于平緩，在第13天由于開挖下斷面，拱頂下沉速度隨之增大，但在第16天又趨于平緩，并逐步穩(wěn)定。

總之，采取上述施工控制措施后，隧道拱頂下沉及周邊收斂方面得到了有效控制，保證了施工安全，達到了預計目標。

4 結論

a）老龍山隧道不良地質段施工控制措施主要包括預加固措施及施工工法方面，其中預加固措施主要包括管棚預支護及超前小導管注漿，施工工法方面主要是臺階分部開挖法。

b）對隧道地表、洞口邊仰坡、初期支護、混凝土襯砌、鋼拱架等進行現(xiàn)場觀察后可知，采用上述施工控制措施，其初期支護狀況良好，二襯未見明顯裂縫、滲漏水，可初步判定該施工控制措施取得了良好的效果。

c）通過對隧道地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂進行全面監(jiān)測后可知，采取上述施工控制措施后，隧道圍巖及支護結構變形方面得到了有效控制，保證了施工安全，達到了預計目標。