某強(qiáng)傾倒變形體內(nèi)淺埋偏壓洞口段的隧道變形分析及處治技術(shù)研究

吳學(xué)智，王 建，楊保全，曾天文

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130;2.中鐵十局集團(tuán)第二工程有限公司，河南 鄭州 476008)

0 引言

伴隨著我國西部水力資源的大開發(fā)和山區(qū)公路建設(shè)的快速發(fā)展，將有許多長大或特長隧道需要在西部崇山峻嶺之間的峽谷岸坡中修建。在峽谷岸坡中進(jìn)洞，常常不可避免地會(huì)出現(xiàn)隧道洞口淺埋偏壓的問題［1］。一直以來，國內(nèi)外工程界都很重視淺埋偏壓隧道進(jìn)口的設(shè)計(jì)及安全施工技術(shù)，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了大量的研究和總結(jié)，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。這些文獻(xiàn)主要介紹了偏壓進(jìn)洞前的加固方法及相應(yīng)的施工技術(shù)和工法［2－6］;研究了覆蓋層厚度及地面橫坡對(duì)隧道力學(xué)影響［7］;研究了隧道穿越淺埋斷層破碎帶問題［8］;介紹了隧道拱頂下沉、地表開裂等變形處理技術(shù)［9－10］。這些文獻(xiàn)的研究主要偏重于隧道進(jìn)洞施工前對(duì)隧道洞口淺埋偏壓問題的預(yù)加固處理措施和軟弱圍巖隧道變形前的預(yù)防技術(shù)，而本文研究的隧道洞口特殊性有:1)為實(shí)現(xiàn)“特定功能”要求，將隧道洞口位置選在淺埋偏壓的強(qiáng)傾倒變形體內(nèi)，且前期對(duì)隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估不足，導(dǎo)致隧道過大變形而采取的一系列應(yīng)急處理措施;2)隧道變形加固處理方法及隧道開挖施工方法有別于其他研究的處理方法。

1 工程概況

1.1 工程整體概況

本公路為雅礱江某大型水電站場內(nèi)交通高、低連接線公路。受高線與低線主公路高差及展線的影響，隧道進(jìn)口無法繞避淺埋偏壓進(jìn)洞的問題。隧道進(jìn)口位于圓曲線段，隧道長2 345 m。隧道公路等級(jí)為電站場內(nèi)交通三級(jí)公路，設(shè)計(jì)行車速度為20 km/h，隧道設(shè)計(jì)建筑限界為10 m×5 m，隧道開挖斷面為125.3 m2。

1.2 水文地質(zhì)

該隧道洞口段位于某背斜(2級(jí)褶皺)的南翼，所處地層為一單斜地層，地層層序正常，巖層總體產(chǎn)狀N60～80°W/SW∠50～80°，隧道進(jìn)口95 m洞身段為Ⅴ級(jí)圍巖。其中，K0+435(洞門樁號(hào))～+483段(48 m)為強(qiáng)傾倒變形、淺埋偏壓段(Ⅴ2級(jí))，K0+ 483～+530段(47 m)為中－強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷、淺埋偏壓段(Ⅴ1級(jí))。隧道洞口段圍巖等級(jí)劃分見圖1。

圖1 隧道進(jìn)口地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of geological conditions of entrance section of tunnel

隧道洞口上部自然斜坡坡度40°～50°，植被良好;洞口下部自然斜坡坡度60°～80°，其下部為雅礱江，屬于高程2 800 m以上的青藏高原氣候條件，見圖2。

圖2 隧道進(jìn)口水文地質(zhì)照片F(xiàn)ig.2 Picture of hydro-geological conditions of entrance section of tunnel

1.3 不良地質(zhì)

本研究的隧道進(jìn)口段存在嚴(yán)重的淺埋偏壓問題，K0+445.00處隧道拱頂垂直埋深5.8 m，靠江側(cè)拱腰部側(cè)向埋深5.4 m;隧道拱部120°范圍內(nèi)和靠江側(cè)邊墻及其下部一定范圍內(nèi)為強(qiáng)傾倒變形體，見圖3。

圖3 K0+445(進(jìn)洞10 m)斷面圖Fig.3 Cross-section of tunnel at K0+445

強(qiáng)傾倒變形巖體折斷面走向與隧道軸線小角度(約8°)相交;強(qiáng)傾倒變形體折斷面緩傾，與水平面夾角約29°。隧道內(nèi)強(qiáng)傾倒變形巖體在K0+483處向隧道開挖輪廓線外的靠江側(cè)移出，見圖4。

圖4 隧道掌子面(K0+483)傾倒變形巖體Fig.4 Rock mass with toppling deformation at tunnel face at K0+483

洞內(nèi)正常巖體為粉砂質(zhì)板巖夾薄層砂巖(T3lh1)，巖層產(chǎn)狀N80°W/SW∠70°，板理及節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體卸荷強(qiáng)烈。

1.4 洞口段隧道支護(hù)參數(shù)

隧道變形前K0+435～+460段按淺埋偏壓條件設(shè)計(jì)，隧道初期支護(hù)及二次襯砌參數(shù)詳見表1。

2 隧道變形情況及相關(guān)分析

2.1 第1次變形

2.1.1 第1次變形前的施工情況

隧道開挖充分利用巖土體的自穩(wěn)能力。現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況及設(shè)計(jì)參數(shù)采用了創(chuàng)新的三臺(tái)階八步法，根據(jù)設(shè)計(jì)鋼架接頭位置確定分層開挖臺(tái)階高度。上臺(tái)階采用環(huán)形預(yù)留核心土并放坡的開挖方式，中、下臺(tái)階采用分部放坡的開挖方式，見圖5。隧道施工中采用了短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)的方法，循環(huán)開挖進(jìn)尺60 cm，開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。

隧道洞口在完成K0+442.5～+460(17.5 m)段上臺(tái)階和K0+442.5～+450(7.5 m)段靠江側(cè)中臺(tái)階的開挖及支護(hù)工作后，K0+442.5～+460段洞內(nèi)及洞口仰坡面出現(xiàn)了較明顯的第1次開裂變形。

表1 隧道初期支護(hù)及二次襯砌參數(shù)表Table 1 Parameters of preliminary support and secondary lining

圖5 三臺(tái)階八步開挖法示意圖Fig.5 Sketch of three-bench eight-step excavation method

2.1.2 第1次變形情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)

洞內(nèi):K0+442.5～+455段隧道拱部120°范圍內(nèi)出現(xiàn)2條寬1～3 mm的主要環(huán)形裂縫，主裂縫周邊存在多條從大里程靠山側(cè)向小里程靠江側(cè)的斜向拉裂縫，初期支護(hù)變形開裂，局部噴混凝土剝落，見圖6。

洞外:隧道靠山側(cè)傾倒變形折斷面處對(duì)應(yīng)的仰坡面出現(xiàn)與水平面約80°夾角的拉裂縫;隧道靠江側(cè)右拱部開挖輪廓線外約2 m處的仰坡面出現(xiàn)2條順坡向的不連續(xù)變形裂縫，見圖7。

施工過程中，K0+445處隧道埋深最淺，設(shè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間最早，測量時(shí)間最長，根據(jù)后期變形情況可知，此點(diǎn)對(duì)洞口的變形表現(xiàn)最敏感，因此，本文主要介紹K0+445處的變形情況。第1次變形監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

圖6 隧道第1次變形洞內(nèi)照片F(xiàn)ig.6 Picture of tunnel inside after the first deformation incident

圖7 隧道第1次變形洞外照片F(xiàn)ig.7 Picture of tunnel outside after the first deformation incident

表2 K0+445拱頂?shù)?次變形情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of crown deformation at K0+445

2.1.3 第1次隧道變形原因分析

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，隧道變形原因分析如下:

1)除隧道左邊墻周邊為強(qiáng)卸荷、中強(qiáng)風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育的砂板巖外，其余洞身全部位于傾倒變形后的強(qiáng)風(fēng)化碎塊石中，洞口段淺埋偏壓問題嚴(yán)重。

2)雖然在洞口段上臺(tái)階采用了小斷面、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)的施工方法，并利用超前小導(dǎo)管及大角度自進(jìn)式中空注漿錨桿、鋼架及噴混凝土等一系列措施，使初期支護(hù)和開挖輪廓線周邊巖土體形成了相對(duì)有效的受力拱圈，但下臺(tái)階及中臺(tái)階自進(jìn)式錨桿注漿量偏少，注漿沒有達(dá)到對(duì)松散破碎巖土體的注漿加固效果，且鋼架底部坐在虛碴上。

3)K0+442.5～+450段靠江側(cè)中臺(tái)階開挖擾動(dòng)了已施工的隧道拱部巖土體，打破了此處的受力平衡，施工活動(dòng)使洞口的偏壓問題更加突出。

2.1.4 采取的加固處理措施

根據(jù)變形原因及洞口條件，對(duì)變形段采取了相應(yīng)的加固措施(加固后的隧道洞內(nèi)情況見圖8)。

圖8 隧道第1次變形加固處理Fig.8 Consolidated tunnel after the first deformation incident

1)暫停掌子面施工，及時(shí)填碴反壓K0+442.5～+ 450段隧道靠江側(cè)拱腰部。

2)在K0+442.5～+450段隧道靠江側(cè)上臺(tái)階與中臺(tái)階鋼架接頭部位每榀鋼架設(shè)2根水平斜向下45°的注漿鎖腳小導(dǎo)管(φ42×4 mm，L=4.5 m)，每根小導(dǎo)管注P·O 42.5水泥300 kg(此注漿量根據(jù)處理類似地質(zhì)條件下的隧道塌方注漿試驗(yàn)成果及多處成功經(jīng)驗(yàn)確定)。要求鎖腳小導(dǎo)管尾端做成15 cm長的90°彎鉤，使小導(dǎo)管端部與鋼架內(nèi)側(cè)壁焊接連接牢固。

3)在K0+442.5～+460段隧道拱部120°范圍內(nèi)及靠江側(cè)邊墻按環(huán)、縱向1 m間距梅花形布設(shè)φ42×4 mm，L=2.0 m固結(jié)注漿小導(dǎo)管(每根小導(dǎo)管注P·O 42.5水泥200 kg)。

4)采用水泥漿封堵坡面裂縫，并做好洞內(nèi)外監(jiān)控量測及變形觀察工作。

2.2 第2次變形

2.2.1 第2次變形前的施工情況

對(duì)第1次隧道變形的已開挖段加固并穩(wěn)定后，繼續(xù)進(jìn)行靠江側(cè)K0+450～+460段中臺(tái)階及K0+ 442.5～+450段下臺(tái)階的開挖和支護(hù)，并在K0+ 442.5～+450段中臺(tái)階與下臺(tái)階鋼架接頭處上下各50 cm位置按照鋼架間距增設(shè)2排注漿鎖腳小導(dǎo)管。

結(jié)合第1次變形前的施工方案，對(duì)后續(xù)施工方法規(guī)定如下:靠江側(cè)中、下臺(tái)階每循環(huán)開挖進(jìn)尺不超過60 cm;靠山側(cè)中臺(tái)階循環(huán)開挖進(jìn)尺100 cm;下臺(tái)階循環(huán)開挖進(jìn)尺200 cm;開挖后及時(shí)支護(hù)。按照以上施工方案施工后，沒有發(fā)現(xiàn)明顯變形。具體情況見表3。

表3 K0+442.5～+460段施工情況Table 3 Statistics of construction of tunnel section from K0+ 442.5 to K0+460

2.2.2 第2次變形情況

在洞口K0+442.5～+447.5段仰拱一次開挖后，第1次變形加固的 K0+442.5～+460段洞內(nèi)、外再次出現(xiàn)變形，整體表現(xiàn)為向靠江側(cè)滑移的趨勢(shì)，見圖9。

圖9 隧道第2次變形情況Fig.9 Tunnel after the second deformation incident

此次變形的主要表現(xiàn)為:

1)隧道靠山側(cè):K0+442.5～+450段起拱線部位噴混凝土開裂，局部剝落，邊墻出現(xiàn)內(nèi)擠變形，第1次變形裂縫再次張開。

2)隧道靠江側(cè):K0+442.5～+447.5段邊墻出現(xiàn)環(huán)向裂縫，此處鋼架底部出現(xiàn)下沉并內(nèi)擠。

3)隧道拱部:再次出現(xiàn)洞內(nèi)環(huán)向及斜向裂縫，裂縫寬度1～3 mm。

4)洞外仰坡面:隧道開挖輪廓線3 m外的仰坡面出現(xiàn)一條緩傾并向江側(cè)傾斜的貫通性錯(cuò)動(dòng)裂縫。

2.2.3 變形原因分析

經(jīng)分析，第2次隧道變形的主要原因?yàn)?

1)隧道仰拱開挖過長(實(shí)際全幅一次開挖長度5 m)。

2)隧道仰拱地質(zhì)條件差別較大(靠山側(cè)為相對(duì)較好的巖石，靠江側(cè)為松散碎塊石)。仰拱開挖消除了靠山側(cè)較好圍巖的抗力，且使兩側(cè)邊墻鋼架底部懸空。

3)隧道仰拱沒有鋼架支護(hù)，仰拱與隧道拱墻之間沒有形成有效的支護(hù)拱圈。

2.2.4 采取的加固處理措施及效果

第2次變形發(fā)生后，按照以下加固處理措施順利地完成了洞內(nèi)加固工作:

1)及時(shí)采用洞碴回填了已開挖的仰拱，同時(shí)回填反壓K0+442.5～+447.5段隧道兩側(cè)邊墻墻腳。

2)為盡快約束K0+442.5～+460段隧道變形，調(diào)整原80 cm二次襯砌的一半鋼筋及15 cm混凝土先行施工(將現(xiàn)澆混凝土改為噴混凝土)，取消襯砌防水板。

3)采用水泥漿封堵坡面裂縫，并做好洞內(nèi)外監(jiān)控量測及變形觀察工作。

3 變形段二次襯砌及仰拱處理

3.1 仰拱處理及施工方法

根據(jù)第2次變形的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在后續(xù)仰拱施工中采取了如下措施:在K0+442.5～+460段按照50 cm間距增設(shè)了仰拱鋼架，重視仰拱鋼架及邊墻鋼架之間的有效連接;仰拱施工采用短進(jìn)尺強(qiáng)支護(hù)的施工措施，最大限度地減少了開挖擾動(dòng)，使仰拱在最短的時(shí)間內(nèi)封閉并受力。通過這些加固措施及施工步驟，后續(xù)仰拱施工中沒有出現(xiàn)過大變形的問題。

3.2 二次襯砌處理措施

K0+442.5～+460段二次襯砌前，按取消防水板后的設(shè)計(jì)排水要求布設(shè)好洞內(nèi)排水盲管，利用先期施工的箍筋布設(shè)內(nèi)層鋼筋，并在隧道襯砌接頭處按要求設(shè)置膨脹型橡膠止水帶，然后整體現(xiàn)澆完成剩余平均厚約56.9 cm的C25拱墻混凝土二次襯砌(第2次變形及加固侵限約23.1 cm)。

4 后期施工方案及監(jiān)測情況

4.1 后期隧道支護(hù)參數(shù)

根據(jù)隧道洞口不良地質(zhì)情況，對(duì)K0+460～+483段初期支護(hù)參數(shù)調(diào)整如下:

1)隧道拱部120°范圍內(nèi)及隧道靠江側(cè)邊墻內(nèi)，系統(tǒng)支護(hù)采用φ42×4 mm，L=3.0 m固結(jié)注漿小導(dǎo)管，環(huán)向間距100 cm，縱向間距75 cm，梅花形布置。固結(jié)注漿小導(dǎo)管注漿量:注P·O 42.5水泥量250 kg/根。

2)每榀鋼架設(shè)4根φ42×4 mm，L=4.5 m鎖腳注漿小導(dǎo)管。鎖腳注漿小導(dǎo)管布置于隧道兩側(cè)起拱線及墻腳位置，注漿量為靠山側(cè)注P·O 42.5水泥量200 kg/根，靠江側(cè)注P·O 42.5水泥量450 kg/根。

3)其余支護(hù)參數(shù)參照原偏壓襯砌的支護(hù)參數(shù)。

4.2 后期隧道施工及監(jiān)測情況

隧道洞口變形加固處理完成后，再進(jìn)行后續(xù)淺埋偏壓段的開挖及支護(hù)工作。在施工過程中按照要求作好洞內(nèi)外變形加固處理段及后續(xù)施工段的變形監(jiān)測工作，待隧道洞口變形基本穩(wěn)定后及時(shí)施工洞口二次襯砌。后續(xù)隧道開挖支護(hù)施工方法見表4。

表4 后續(xù)開挖及支護(hù)方法Table 4 Construction methods for remaining sections of tunnel

在后續(xù)施工中，洞內(nèi)地質(zhì)條件及埋深條件有所改善，按照以上施工參數(shù)及施工方法施工后沒有出現(xiàn)隧道大變形的問題。隧道竣工驗(yàn)收前，在洞口段K0+ 445，K0+455，K0+465斷面襯砌內(nèi)表面設(shè)隧道變形觀測點(diǎn)，測量頻次為1次/月，測量周期為2年。監(jiān)測結(jié)果表明，洞口段無異常情況。

5 結(jié)論與體會(huì)

1)對(duì)待強(qiáng)傾倒變形體內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)條件下嚴(yán)重淺埋偏壓的洞口段，應(yīng)事先平衡偏壓后再進(jìn)洞是最合理的。本隧道進(jìn)洞前，應(yīng)先采用地表注漿加固，在靠江側(cè)施作擋土墻并回填，平衡偏壓;再開挖支護(hù)邊、仰坡，在隧道拱部及靠江側(cè)增設(shè)大管棚等工程措施后進(jìn)洞施工。

2)根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件，選擇洞內(nèi)系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)。對(duì)松散破碎圍巖，需要應(yīng)用拱效應(yīng)理論，采用注漿小導(dǎo)管或自進(jìn)式中空注漿錨桿作為系統(tǒng)支護(hù)，徑向注漿加固開挖輪廓線外2～4 m厚的松散破碎巖土體，利用初期支護(hù)及加固后的巖土體形成連續(xù)的受力拱圈來承受加固圈外松散壓力及松弛壓力。

3)在隧道施工過程中，需在充分利用巖土體自承能力的條件下，選擇合理的開挖施工方法，以確保施工安全，并節(jié)約臨時(shí)支護(hù)措施費(fèi)用。

4)在施工過程中做好變形量測及觀察工作，應(yīng)用監(jiān)控量測預(yù)警隧道險(xiǎn)情，同時(shí)為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及險(xiǎn)情處理提供重要的參考信息。當(dāng)隧道變形速率位于5～10 mm/d時(shí)，需及時(shí)堆(填)碴反壓，再采用小導(dǎo)管注漿加固圍巖。堆(填)碴反壓應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定反壓部位及堆碴量，反壓部位一般為隧道兩側(cè)底部及掌子面底部。

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