小凈距隧道洞口段初期支護(hù)變形分析與治理

王學(xué)敬

（中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東泰安271000）

小凈距隧道洞口段初期支護(hù)變形分析與治理

王學(xué)敬

（中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東泰安271000）

線路斜穿地形等高線、隧道與山體呈斜交進(jìn)洞及洞口段存在淺埋和偏壓等情況是高速公路選線不可避免地常見問題，為此洞門位置的選定對(duì)邊坡穩(wěn)定和施工難度有較大影響。文章以三淅高速公路西安嶺隧道為背景，針對(duì)施工時(shí)洞口段產(chǎn)生初期支護(hù)變形侵的典型事例，闡述了小凈距、淺埋、偏壓隧道斜交進(jìn)洞洞口的地質(zhì)、設(shè)計(jì)和施工情況，研究了隧道洞口施工異常段支護(hù)設(shè)計(jì)形式及變形情況，分析了施工過程中異常變形和開裂的綜合原因，結(jié)合既有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，提出了一系列針對(duì)小凈距隧道洞口段施工異常的處治對(duì)策，并在實(shí)際工程中取得了很好的效果，為今后類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供了參考。

小凈距隧道；斜交進(jìn)洞；初期支護(hù)；變形侵限；治理技術(shù)

0 引言

我國幅員遼闊，地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，山嶺分布廣泛，各種等級(jí)公路建設(shè)過程中，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)大量的隧道工程。在這些隧道工程中，由于受特殊地質(zhì)、地形條件、線路走向以及工程造價(jià)等因素的限制，雙洞隧道左右線間距經(jīng)常出現(xiàn)不能滿足規(guī)范的要求的現(xiàn)象，至此，小凈距隧道等特殊結(jié)構(gòu)型式應(yīng)運(yùn)而生［1-11］。

關(guān)于小凈距隧道設(shè)計(jì)施工等關(guān)鍵技術(shù)的研究，最早起源于日本及歐美等隧道修建技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國家，總體而言，約自20世紀(jì)70年代開始，就陸續(xù)有了相關(guān)研究成果報(bào)道。在小凈距隧道施工等問題上的研究，日本走在了世界的前列，其主要研究成果集中體現(xiàn)在1987年出版的《近接施工的設(shè)計(jì)與指南》一書［1］。小凈距雙洞隧道在我國出現(xiàn)的歷史不長(zhǎng)，尚為新型隧道結(jié)構(gòu)型式，近來經(jīng)過許多工程師的努力也取得了較為豐富的研究成果［4-10］。董子龍通過橫山隧道進(jìn)口段富水破碎小凈距隧道的成功實(shí)施，系統(tǒng)地介紹了富水破碎小凈距隧道施工的綜合技術(shù)［7］；曹順等對(duì)達(dá)萬高速公路沙壩灣隧道進(jìn)口進(jìn)洞方案進(jìn)行優(yōu)化，采用半明洞進(jìn)洞方案取得了成功［8］。

目前，針對(duì)小凈距隧道洞口段淺埋、偏壓以及圍巖條件差等特點(diǎn)，開展了研究，但縱觀既有報(bào)到的資料，對(duì)于隧道洞口段施工過程中出現(xiàn)的異常情況的原因分析較少，缺乏相應(yīng)的處治對(duì)策，一定程度上限制了成功經(jīng)驗(yàn)的推廣。

基于三淅高速公路西安嶺隧道工程，針對(duì)施工時(shí)洞口段產(chǎn)生初期支護(hù)變形侵的典型事例，全面分析了隧道洞口監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，深入研究了施工過程中出現(xiàn)的變形和開裂形成的原因；結(jié)合既有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，提出了一系列的有針對(duì)性的處理對(duì)策，并取得了很好的效果。研究?jī)?nèi)容對(duì)類似工程的安全施工有一定借鑒意義。

1 工程概況

西安嶺隧道是河南三門峽至淅川高速公路的一座左右線分離式雙向四車道特凈距隧道。采用燈光照明，機(jī)械通風(fēng)，全隧道設(shè)置5處行人和4處行車橫通道，屬特長(zhǎng)隧道。其中在第4標(biāo)段區(qū)間內(nèi)設(shè)置了3處行人和3處行車橫通道，在第5標(biāo)段區(qū)間內(nèi)設(shè)置了2處行人和1處行車橫通道。隧道內(nèi)輪廓采用單心圓形式，邊墻為曲墻，隧道限界凈寬為10.25 m，其中行車道寬為7.5 m，檢修道寬為0.75 m，而凈高為5 m，如圖1所示。

圖1 隧道內(nèi)輪廓／cm

1.1 工程地質(zhì)條件

隧道區(qū)為低中山地貌，擬建隧道穿越西安嶺主峰，最大埋深約為375m。ZK16+721～ZK17+750段為單向陡坡地形，地勢(shì)東北低，西南高，洞口山坡坡度為30～35°，坡向約40～75°，為凸形斜坡。

隧址區(qū)出露巖層主要為薄層殘坡積碎石角礫土、石英細(xì)砂巖、石英片巖夾云母石英片巖及云母石英片巖夾石英片巖，小型的褶皺和斷層發(fā)育，其中ZK16+700～K18+200段見一背斜，背斜兩翼產(chǎn)狀分別為18°∠86°和180°∠80°，隧道走向與背斜走向呈大角度斜交或近似垂直。洞口ZK16+721～ZK17+750山坡巖層為極破碎強(qiáng)風(fēng)化石英片巖夾云母石英片巖，呈碎裂、散體裝結(jié)構(gòu)。

1.2 水文地質(zhì)

隧道進(jìn)洞口坡腳下溝谷中見地表溪流，水量小，屬山體滲水，位于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高以下，影響不大。地表水總體不慎發(fā)育，雨季由于山體較陡，降雨多沿坡面急流而下，對(duì)進(jìn)出洞口沖刷作用較強(qiáng)。

該段工程地質(zhì)性質(zhì)及圍巖自穩(wěn)能力較差，拱部無支護(hù)時(shí)易產(chǎn)生小坍塌，側(cè)壁易失穩(wěn)，總體結(jié)構(gòu)面不利于仰坡穩(wěn)定，開挖后易產(chǎn)生淺部滑塌現(xiàn)象。

2 隧道洞口段支護(hù)設(shè)計(jì)形式及變形情況

2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

隧道左線進(jìn)口端左側(cè)覆蓋層薄，右側(cè)偏壓嚴(yán)重，洞口設(shè)計(jì)ZK16+721～ZK16+740為長(zhǎng)19 m的明洞，采用斜交套拱、左側(cè)設(shè)計(jì)偏壓混凝土擋墻和半明半暗方式45°斜交進(jìn)洞，主要依靠管棚和鋼架形成的棚架體系及偏壓外擋墻形成的反偏壓力控制圍巖變形，從而確保進(jìn)洞安全，洞口附近斷面圖如圖2所示。主要支護(hù)參數(shù)［10-14］：

（1）L＝40 m長(zhǎng)管棚配合45°斜交套拱進(jìn)洞；

（2）左側(cè)ZK16+721～ZK16+740段設(shè)計(jì)C25混凝土偏壓擋墻；

（3）拱頂采用水泥穩(wěn)定碎石和夯填土回填反壓；

（4）邊仰坡坡面采用噴錨防護(hù)，明洞頂采用方格網(wǎng)植草防護(hù)；

（5）洞身ZK16+721～ZK16+740半明半暗段設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，初期支護(hù)采用縱向間距50 cm的I20a工字鋼+φ8雙層鋼筋網(wǎng)片+26 cm厚C20噴射混凝土支護(hù)，襯砌采用50 cm厚C25鋼筋混凝土襯砌。隧道洞口段采用長(zhǎng)管棚或超前小導(dǎo)管做為超前支護(hù)手段，開挖推薦采用多臺(tái)階分步法，施工順序示意圖如圖3所示

圖2 洞口附近橫斷面圖

圖3 洞口施工順序示意圖

2.2 變形情況

進(jìn)洞前按設(shè)計(jì)要求完成洞口邊仰坡的噴錨防護(hù)、洞口斜交套拱和右側(cè)偏壓擋墻施工（回填漿砌片石已施工），于2013年3月30日開始進(jìn)洞施工，至2013年4月12日，洞身開挖至ZK16+744.62，洞身右側(cè)局部出現(xiàn)收斂變形，監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形如圖4所示，出現(xiàn)了大變形；2013年4月7日起洞身水平位移如圖5。

由于大變形造成洞口ZK16+727-ZK16+735段拱頂右側(cè)90°范圍初支局部侵限，侵限厚度平均約為15 cm，最大侵限厚度為22 cm，如圖5所示；仰坡多處出現(xiàn)裂紋、裂縫，寬度約1～5 cm；仰坡局部侵限情況見下圖6所示。

圖4 洞內(nèi)洞口測(cè)點(diǎn)豎向變形

圖5 洞內(nèi)洞口測(cè)點(diǎn)水平變形

圖6 仰坡裂紋情況

3 施工異常原因分析

左線隧道進(jìn)口端左側(cè)覆蓋層薄，右側(cè)偏壓嚴(yán)重，進(jìn)口左右線凈距為21.77 m，為典型的淺埋、偏壓、小凈距隧道，設(shè)計(jì)進(jìn)口段為半明半暗形式斜交進(jìn)洞。造成西安嶺隧道左洞圍巖變形及山體開裂的主要原因有以下幾方面：

（1）淺埋大跨，圍巖穩(wěn)定性差。隧道是圓拱形設(shè)計(jì)，洞室開挖跨度大，相應(yīng)加大了應(yīng)力調(diào)整范圍，其主要表現(xiàn)為圍巖松動(dòng)圈范圍變厚、變寬；由于淺埋導(dǎo)致洞口段覆蓋層薄，形成不了完整的結(jié)構(gòu)承載力。圓拱設(shè)計(jì)的缺陷是起拱線下由于開挖輪廓內(nèi)收，在沒有施工仰拱和二襯混凝土前，圍巖受偏壓一側(cè)山體壓力出現(xiàn)變形和收斂。

（2）超前支護(hù)能力不足。

（3）上斷面在開挖后與初期支護(hù)完成前，由于周邊土體本身松散，不能提供承載力，而管棚超前支護(hù)又不足的情況下，在周邊圍巖側(cè)向壓力的情況下，偏壓一側(cè)洞身出現(xiàn)變形收斂。

（4）隧道下斷面開挖后，圍巖橫向約束被解除，洞內(nèi)凈空面放大，隧道圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布，將產(chǎn)生新的松動(dòng)圈，拱圈外部圍巖松弛，偏壓一側(cè)壓力有新的增長(zhǎng)。

因此開挖支護(hù)仰拱沒有及時(shí)封閉成環(huán)是照成仰坡開裂、洞身初期支護(hù)侵限重要原因。

4 治理對(duì)策

洞身出現(xiàn)變形和地表仰坡出現(xiàn)裂紋后，為防止侵限和變形繼續(xù)加大，果斷采取措施暫停掌子面施工并封閉掌子面，加強(qiáng)洞身拱頂下沉、洞身收斂和洞外仰坡位移及裂紋發(fā)展趨勢(shì)觀測(cè)，立即報(bào)請(qǐng)監(jiān)理單位、建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位，并提出了變形侵限治理方案措施。

4.1 增設(shè)I20A工字鋼臨時(shí)支撐

洞身回填至洞身圓心處，然后采取I20a工字鋼臨時(shí)支撐措施，工字鋼間距為1.0 m／榀，臨時(shí)支撐工字鋼通過連接鋼板與初期支護(hù)工字鋼連接。為保證連接效果，距橫向臨時(shí)支撐工字鋼端頭2.0 m處增設(shè)I20a工字鋼斜向支撐，斜向支撐仍與洞身初期支護(hù)工字鋼通過連接鋼板焊接，具體見圖7。

4.2 徑向錨管注漿加固

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取長(zhǎng)度L為6·4 m，φ42 mm×3.5 mm徑向注漿錨管對(duì)右側(cè)拱部及邊墻位置進(jìn)行注漿加固處理，徑向錨管交錯(cuò)布置，縱向間距與設(shè)計(jì)鋼架間距一致，環(huán)向間距為1.0 m，每環(huán)為8根，呈梅花狀布置，錨管內(nèi)注水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。漿液參數(shù)：采用水灰比0.75：1純水泥漿（摻加5%質(zhì)量比的水玻璃），穩(wěn)固右側(cè)山體，增加山體的整體性及自穩(wěn)性，減小山體側(cè)壓力，防止初期支護(hù)變形加大。

圖7 臨時(shí)仰拱鋼架加工尺寸圖／cm

4.3 左側(cè)增設(shè)偏壓擋墻

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際偏壓地形情況，左側(cè)ZK16+740 -ZK16+750段增設(shè)C25混凝土偏壓擋墻，順接ZK16+721～ZK16+740段偏壓擋墻，擋墻外側(cè)采取漿砌片石回填，穩(wěn)固右側(cè)山體，具體設(shè)計(jì)情況見圖8所示。

4.4 洞身仰拱施工

洞身回填和臨時(shí)支撐、徑向錨管注漿加固、左側(cè)偏壓擋墻、邊仰坡裂紋、裂縫封閉施作完成后，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示洞身及邊仰坡穩(wěn)定，地表裂紋裂縫無明顯變化趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，組織施作洞身仰拱，仰拱初支按1 m／循環(huán)，仰拱襯砌施工按3 m／循環(huán)組織施工，施工時(shí)臨時(shí)支撐不得拆除。

圖8 擋墻設(shè)計(jì)圖／cm

4.5 侵限部位換拱處理

仰拱初支、仰拱襯砌均施作完成后，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況，確保洞身基本穩(wěn)定的前提下，采取措施進(jìn)行換拱處理［12-13］。

（1）拆除原設(shè)計(jì)初期支護(hù)工字鋼前，需對(duì)原支護(hù)工字鋼未拆除部分采用φ42 mm×3.5 mm、L＝3.5 m鎖腳錨管進(jìn)行加固處理，鎖腳錨管與工字鋼通過φ22 U形鋼筋焊接牢固；換拱前對(duì)影響換拱作業(yè)的臨時(shí)支撐予以拆除，拆除過程中要隨時(shí)觀測(cè)洞身變化，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情立即停止施工。

（2）換拱以人工利用風(fēng)鎬刻槽為主，嚴(yán)禁采用爆破；置換時(shí)確保鋼架連接按照設(shè)計(jì)有效連接，按照原設(shè)計(jì)重新對(duì)置換后的工字鋼打設(shè)鎖腳錨管。

（3）每榀各節(jié)段換拱順序?yàn)橄葔蠊?，?榀換拱方法進(jìn)行施工。

（4）所有工字鋼置換完成后，鑿除兩榀工字鋼間的噴射砼和鋼筋，重新施做初期支護(hù)。

（5）監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布設(shè)與量測(cè)要與換拱同步進(jìn)行，保證隧道換拱施工安全。

4.6 加強(qiáng)圍巖的監(jiān)控量測(cè)、實(shí)施信息化管理以及動(dòng)態(tài)施工

加強(qiáng)隧道圍巖的監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格按照監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)和監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理、分析以及反饋，便于指導(dǎo)施工。對(duì)于文中的隧道而言，由于隧道施工受客觀因素的影響較大，隧道極易出現(xiàn)洞身收斂和邊仰坡失穩(wěn)現(xiàn)象，隨時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)施工有著非常重要的意義［15］。在西安嶺隧道明洞和暗洞開挖過程采用動(dòng)態(tài)施工。

（1）洞外觀察重點(diǎn)在洞口邊仰坡位移觀測(cè)和裂紋裂縫發(fā)展趨勢(shì)觀察，記錄地表開裂、變形、邊坡仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲漏等情況。

（2）隧道內(nèi)要加強(qiáng)拱頂收斂變形和沉降的監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)要及時(shí)，洞身開挖后2 h內(nèi)要完成監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)，以及初始數(shù)據(jù)的采集，在施工過程中要注意加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)。

（3）若洞室頂部沉降和收斂變形均大于5 mm／d時(shí)，要暫時(shí)停止隧道掌子面的施工，分析導(dǎo)致變形的原因，并及時(shí)采取措施抑制變形。

5 結(jié)語

進(jìn)洞施工是隧道施工的關(guān)鍵一步，山區(qū)高速公路選線受原有地形影響可能地會(huì)出現(xiàn)線路斜穿地形等高線，隧道與山體呈斜交進(jìn)洞情況，洞口段設(shè)計(jì)不可避免地存在小凈距、淺埋、偏壓的問題，進(jìn)洞施工時(shí)遇到變形侵限、邊仰坡開裂的情況也時(shí)有發(fā)生。針對(duì)小凈距、淺埋、偏壓隧道斜交進(jìn)洞施工易出現(xiàn)初期支護(hù)變形侵限等問題，要認(rèn)真分析原因，果斷采取合理加固措施，預(yù)防隧道塌方和山體滑坡。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，西安嶺隧道進(jìn)口處采用工字鋼臨時(shí)支撐、注漿加固、混凝土偏壓擋墻等加固措施，有效解決了洞身初期支護(hù)變形侵限的問題，保證了隧道進(jìn)洞施工安全，對(duì)類似工程的安全施工有一定借鑒意義。

［1］ 黃欣.淺埋偏壓小凈距隧道洞口段施工技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

［2］ 宿鐘鳴，薛曉輝.小凈距隧道洞口段施工方法優(yōu)化分析［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（6）：22-24.

［3］ 陳佳.大斷面小凈距隧道中間巖柱加固方案研究［J］.公路工程，2014，39（4）：202-206.

［4］ 王帥帥，高波，全曉娟，等..不同地質(zhì)條件下淺埋偏壓小凈距隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，41（3）：60-65.

［5］ Wu B.R.，Chiou S.Y，Lee C.J.，et al.Soilmovements around parallel tunnels in soft ground［C］.The International Conference on Centrifuge，TOkyo：University of Tokyo press，1998，23-25.

［6］ 侯瑞彬，申玉生，陳明奎.大跨小凈距偏壓隧道施工方案優(yōu)化分析［J］.公路，2014（14）：225-229.

［7］ 董子龍.富水破碎小凈距隧道施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2008，28（3）：345-348.

［8］ 曹順，孫正良.斜交偏壓隧道半明洞進(jìn)洞施工技術(shù)［J］.西南公路，2010（4）：147-150.

［9］ 王毅才.隧道工程（上冊(cè)）［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［10］王毅才.隧道工程（下冊(cè)）［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［11］唐雨春，徐林生，金關(guān)海.小凈距隧道建設(shè)的若干問題綜述［J］.隧道建設(shè)，2007，27（1）：22-25.

［12］JTGD 70—2004，交通部部頒標(biāo)準(zhǔn).公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［13］JTGF 60—2009，交通部部頒標(biāo)準(zhǔn).公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［14］JTG／T D70—2010，交通部部頒推薦性標(biāo)準(zhǔn).公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［15］王建宇.隧道工程監(jiān)測(cè)和信息化設(shè)計(jì)原理［M］.北京：中國鐵道出版社，1990.

（學(xué)科責(zé)編：李雪蕾）

Analysis and treatment of deformation of initial support on portal secion of neighborhood tunnel

Wang Xuejing

（Second Engineering Co.Ltd.，China Railway 14th Bureau Group，Taian 271000，China）

There are many inevitable common problems for highway routing such as cutting through the terrain contour lines by the route，skew when a tunnel goes into themountain and shallow and bias situation at tunnel portal.So the location of tunnel portal has a great influence on stabilization and construction complexity of slope.With the background of Xi’an Ling tunnel in Sanxi highway，as to the typical examples of deformation of initial support at the portal during the construction，the paper expounds the geology，design and construction of portal of the small clear distance，shallow buried and bias tunnel，studies deformation and supporting design form in portal construction in abnormal section of tunnel，analyzes the multiple causes of abnormal deformation and cracking in the construction process，combines the existing practical experience and theoretical basis，and puts forward a series ofmeasures for construction abnormity at portal of tunnel with small clear distance exception handling countermeasures.Good effect has been achieved in practical engineering，which can be significant reference for similarity engineering in the future.

neighborhood tunnel；oblique hole；initial support；limit deformation；treatment technology

U455

A

1673-7644（2015）02-0182-06

2014-3-11

王學(xué)敬（1981-），男，工程師，學(xué)士，主要從事鐵路、公路隧道施工技術(shù)管理等方面的研究.E-mail：17021612＠qq.com