偏壓淺埋隧道安全施工控制技術(shù)研究

王浩 楊斌 汪洋

文章以處于第四系坡殘積粉質(zhì)黏土中并在施工過程中出現(xiàn)過2次大變形的淺埋偏壓隧道出口段為依托工程，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)、地形條件，對施工中存在的問題及時采取封閉裂縫、施作偏壓擋墻、護(hù)拱基礎(chǔ)加固、施作護(hù)拱、調(diào)整施工工法等一系列有針對性的措施，充分利用監(jiān)控量測信息化平臺，動態(tài)指導(dǎo)隧道偏壓處治設(shè)計、施工，并在后續(xù)施工中延長和加高偏壓擋墻，調(diào)整施工工法，完成了隧道偏壓淺埋處治，順利通過洞口淺埋偏壓地段。

偏壓;淺埋;安全;監(jiān)控量測;動態(tài)施工

U455.4A351154

0?引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，部分地區(qū)交通建設(shè)落后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時對公路的修建提出了較高的要求。一些高速公路在崇山峻嶺中穿梭延伸，克服高差、適應(yīng)地形，并能縮短里程、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等。在不良地質(zhì)地段進(jìn)行隧道選址不可避免，比如洞口段偏壓淺埋軟巖地質(zhì)，這增加了隧道施工難度，延誤工期，增加施工成本，給隧道施工埋下了安全隱患。本文將以具體的工程案例為依托，探討一種針對偏壓淺埋隧道施工的安全控制技術(shù)。

1?工程概況

某高速公路隧道設(shè)計為雙向四車道，設(shè)計速度為100 km/h，建筑限界凈寬為11.0 m，建筑限界凈高為5.0 m，路線按上、下行分離式隧道設(shè)計，左線長1 030 m，右線長1 004 m。

隧道穿過丘陵地貌區(qū)，地形起伏大，地面標(biāo)高60～229 m，最大相對高差約169 m。隧道右線出口段長約104 m，存在偏壓、淺埋，隧道圍巖地質(zhì)條件較差，主要為黃褐色全風(fēng)化第四系坡殘積粉質(zhì)黏土，呈松散結(jié)構(gòu)，無自穩(wěn)能力，開挖后側(cè)壁易失穩(wěn)，拱部易坍塌冒頂。隧道出口右線穿越單面斜坡，地形左高右低，邊、仰坡橫斷面與隧道縱向垂直，自然坡度約50°，偏壓嚴(yán)重，附近地表還有居民住房，最小埋深為0.3 m，埋深較淺。

2?施工問題及原因分析

2.1?施工問題

（1）隧道已施工完成套拱，并向里面按上下臺階法掘進(jìn)開挖。2018-07-02，上臺階掘進(jìn)約10 m時，隧道YK20+883套拱與初期支護(hù)交接處存在環(huán)向開裂、滲水及左邊墻斜向開裂，明暗交接處附近邊坡、洞頂?shù)乇怼⑴潘疁暇嬖陂_裂。

（2）2018-08-08，YK20+875斷面附近上臺階右側(cè)拱腳處存在股狀滲水，上臺階右側(cè)拱腳處初期支護(hù)位移較大，已明顯侵限;之前發(fā)現(xiàn)隧道頂部地表裂縫依舊存在，其中1條排水溝的裂縫與之前相比已明顯發(fā)展、擴(kuò)大;YK20+883套拱與初期支護(hù)交接處環(huán)向開裂、復(fù)噴處理后，再次發(fā)現(xiàn)開裂。

2.2?原因分析

根據(jù)該隧道的實(shí)際施工情況可知，隧道初期支護(hù)和地表開裂，主要與水文地質(zhì)、地形地貌、施工工藝和工法、支護(hù)措施、施工管理等因素有關(guān)，具體有如下幾個方面：

（1）隧道出口右洞洞口段原設(shè)計與現(xiàn)場地形不符，按原設(shè)計施工存在較大的安全隱患。YK20+875～+885段洞口線路右側(cè)拱頂至邊墻覆土厚度只有0.3～4.2 m，覆土凹凸較為明顯，且地形偏壓嚴(yán)重。

（2）右洞洞口段邊坡為土質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性較差，地表沒有任何植被，易發(fā)生失穩(wěn)風(fēng)險。

（3）施工處于雨季，降雨量較大，加之居民排水、地表水侵入隧道，在雨水浸泡軟化作用下，洞口段地基和圍巖承載能力降低，造成套拱和初期支護(hù)連接處不均勻受力沉降，使裂縫寬度和長度增加，地表開裂。

（4）施工方法不當(dāng)，支護(hù)參數(shù)較弱，支護(hù)時間總是滯后。在隧道施作套拱后，未進(jìn)行偏壓處治，采用臺階法開挖掘進(jìn)，圍巖被施工擾動，在隧道產(chǎn)生大變形后，未及時更換施工方法、增強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，致使隧道初期支護(hù)和地表變形較大、開裂。

（5）隧道施工管理混亂，施工技術(shù)實(shí)力較弱，施工人員技術(shù)水平參差不齊。

3?處理方案

為確保隧道施工安全、經(jīng)濟(jì)、合理、不留隱患，經(jīng)過專家會議的論證分析，提出了一種可以快速施工的隧道偏壓加固處治方案，即暫停掌子面掘進(jìn)，先進(jìn)行偏壓加固處治施工，之后待圍巖穩(wěn)定后再掘進(jìn)施工，同時加強(qiáng)地表和洞內(nèi)觀測。隧道偏壓處治施工順序?yàn)椋悍忾]地表和初期支護(hù)裂縫→施作偏壓擋墻→護(hù)拱基礎(chǔ)加固→施作護(hù)拱→根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析是否需要再次延長偏壓擋墻和護(hù)拱長度→更換施工工法，及時封閉成環(huán)。

3.1?封閉裂縫

采用噴射混凝土對隧道地表和初期支護(hù)存在的裂縫進(jìn)行封閉處理，并進(jìn)行邊仰坡地表沉降觀測，直到偏壓淺埋段隧道二次襯砌施工完成，且襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求。

3.2?施作偏壓擋墻

隧道出口右線在YK20+885～+891段右側(cè)增設(shè)長度為6 m、高度為8.5 m、寬度為7 m的擋墻（底寬5.5 m、頂寬8.5 m），如圖1所示，防止洞口右側(cè)邊坡向明洞方向滑塌，同時取消原設(shè)計漿砌片石回填。擋土墻采用1.5 m深擴(kuò)大基礎(chǔ)，支護(hù)開挖，基礎(chǔ)底部碎石換填0.5 m。擋墻與明洞之間采用22 mm鋼筋連接，墻身采用C25混凝土。

3.3?護(hù)拱基礎(chǔ)加固

對YK20+875～+885段右側(cè)邊坡附著物進(jìn)行清表處理，對護(hù)拱基礎(chǔ)擋墻處施作42×4 mm小導(dǎo)管徑向注漿，小導(dǎo)管單根長度為6 m，橫向×縱向間距為1 m×1 m。

注漿管采用熱軋無縫鋼管制成，鋼管前端加工成錐形，管壁四周鉆8 mm注漿孔，孔間距為10 cm，呈梅花形狀分布，尾部30 cm不鉆注漿孔作為止?jié){段。錨管孔口段設(shè)一加勁箍，加勁箍采用8 mmHRB400鋼筋制作。加勁箍與鋼管采用雙面角焊縫連接牢固。

鉆孔直徑≥60 mm。注漿前，孔口段孔壁與鋼管間空隙必須采用M30快硬水泥砂漿封閉密實(shí)后（作為止?jié){措施），方可進(jìn)行注漿作業(yè)。為保證密封效果，采用快硬水泥砂漿并添加適量微膨脹劑。

小導(dǎo)管采用壓力注漿，注漿材料為水泥漿液，注漿壓力一般控制在1～1.5 MPa。為保證注漿加固效果，注漿孔停止吸漿并延續(xù)灌注5 min后，方可結(jié)束注漿。注漿材料可根據(jù)現(xiàn)場注漿效果調(diào)配。注漿結(jié)束后，采用M30混凝土將注漿孔填充密實(shí)。

3.4?施作護(hù)拱

對YK20+875～+885段偏壓側(cè)施作護(hù)拱。護(hù)拱采用C20混凝土澆筑，厚度為2 m，基礎(chǔ)采用混凝土擋墻基礎(chǔ)，護(hù)拱坡率結(jié)合現(xiàn)場地形自然坡率施作。

3.5?信息化動態(tài)設(shè)計施工

在本次偏壓處治施工過程中，對隧道地表沉降、拱頂沉降、周邊位移進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并進(jìn)行洞內(nèi)外觀察，以便及時掌握圍巖的施工力學(xué)性能等信息，并對圍巖的穩(wěn)定、安全性作出評價，對隧道的不穩(wěn)定狀態(tài)及時預(yù)警，防止隧道塌方，確保隧道施工安全，動態(tài)指導(dǎo)隧道偏壓處治施工。

3.5.1?施工中的監(jiān)測

（1）地質(zhì)及支護(hù)狀況觀察

隧道掌子面每次爆破后通過肉眼觀察、地質(zhì)羅盤和錘擊檢查、數(shù)碼相機(jī)記錄，描述和記錄圍巖地質(zhì)情況。對已施工地段初期支護(hù)進(jìn)行觀察，看其是否開裂、滲水，看鋼拱架是否變形等。洞外觀察則是在洞口段右幅記錄地表開裂、變形及邊仰坡穩(wěn)定狀態(tài)和地表建筑物情況等。

（2）地表下沉量測

在隧道出口右幅斜坡地表上垂直隧道軸線方向每個斷面布設(shè)7個測點(diǎn)，每隔10 m布設(shè)一個斷面，用精密水準(zhǔn)儀測量。

（3）拱頂下沉量測

在隧道出口右幅，采用精密水準(zhǔn)儀量測拱頂下沉，每一個斷面在隧道拱頂及軸線左右各2～4 m共設(shè)3個測點(diǎn)，每隔5 m布設(shè)一個斷面。

（4）周邊收斂量測

在隧道出口右幅采用隧道收斂計監(jiān)測隧道周邊位移變形，每隔5 m布設(shè)一個斷面。

（5）監(jiān)控預(yù)警機(jī)制

結(jié)合隧道實(shí)際施工情況，制定了位移、位移速率兩種監(jiān)控預(yù)警管理機(jī)制。

①根據(jù)最大位移值進(jìn)行施工管理

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/F60-2009），隧道實(shí)測位移值不應(yīng)大于隧道的極限位移，并按表1進(jìn)行監(jiān)控量測管理和指導(dǎo)施工。本隧道將設(shè)計預(yù)留變形量作為極限位移（最大允許位移值）。

②根據(jù)位移速率進(jìn)行施工管理

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/F60-2009），

制定位移速率管理控制措施。隧道實(shí)測位移速率值不應(yīng)大于隧道的極限位移速率，并按下列情況進(jìn)行監(jiān)控量測管理和指導(dǎo)施工：

位移速率>5 mm/d時，表明圍巖處于危險狀態(tài)，必須立即停止掘進(jìn)，采取特殊應(yīng)急措施;

當(dāng)位移速率在1～5 mm/d之間時，表明圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)密切關(guān)注圍巖動態(tài)，加強(qiáng)初期支護(hù);

當(dāng)位移速率在1～0.2 mm/d之間時，表明圍巖處于緩慢變形階段;

當(dāng)位移速率<0.2 mm/d時，表明圍巖已達(dá)到基本穩(wěn)定，可以進(jìn)行二次襯砌作業(yè)。

3.5.2?數(shù)據(jù)分析

通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、洞內(nèi)外觀測數(shù)據(jù)的整理分析，可以較好地說明監(jiān)控量測動態(tài)指導(dǎo)隧道偏壓處治施工取得良好的效果，使隧道施工安全得到有效控制。下面以YK20+875拱頂沉降、地表沉降為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（1）YK20+875拱頂沉降

圖2為YK20+875拱頂沉降曲線圖。該曲線顯示最終拱頂沉降最大值達(dá)到140 mm。在2018-08-08左右沉降速率最大，達(dá)到17 mm/d，此時拱頂沉降累計最大值為91 mm。

（2）YK20+875地表沉降

YK20+875地表沉降曲線如下頁圖3所示。從該曲線圖可知，最終地表沉降最大值為140 mm。在2018-08-08左右地表單日最大沉降量為6 mm，此時地表沉降累計最大值為69 mm。

（3）分析結(jié)果

從拱頂沉降、地表沉降兩個曲線圖中可知，從2018年6月至7月初，隨著隧道開挖施工，加上淺埋、偏壓作用，隧道圍巖變形較大，導(dǎo)致隧道初期支護(hù)和地表均開裂。經(jīng)過地表和初期支護(hù)裂縫封閉、偏壓擋墻施作、護(hù)拱基礎(chǔ)注漿、護(hù)拱施作等綜合處治后，7月中旬至7月底，隧道圍巖變形得到一定程度上的穩(wěn)定。8月初隧道繼續(xù)開挖掘進(jìn)，對周圍圍巖擾動，打破了原有的平衡狀態(tài)，圍巖變形較大，初期支護(hù)和地表再次開裂，圍巖處于相當(dāng)危險的狀態(tài)，隧道隨時可能會塌方冒頂。

3.5.3?動態(tài)設(shè)計施工

2018-08-08，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，指揮部再次組織專家會議分析論證，得出結(jié)論：由于該隧道出口埋深較淺，偏壓嚴(yán)重，導(dǎo)致之前的偏壓處治未徹底消除隧道偏壓作用，施工工法不合理。其處治措施有：

（1）采用噴射混凝土及時封閉地表和初期支護(hù)裂縫。

（2）偏壓擋墻和護(hù)拱縱向長度太短，應(yīng)往小里程方向延伸5 m，擋墻加高4 m，以增加擋墻和護(hù)拱荷重，平衡偏壓作用。

（3）改變施工工法，采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工，仰拱開挖有3 m長時就及時封閉成環(huán)。

經(jīng)過8月中旬的偏壓處治后，隧道再次開挖掘進(jìn)，拱頂沉降、地表下沉得以有效控制，并于9月初兩者均開始趨于穩(wěn)定（如圖2～3所示），防止了隧道塌方冒頂災(zāi)難事故的發(fā)生，保證了隧道施工安全、有條不紊地推進(jìn)，順利通過了出口淺埋偏壓地段。

4?結(jié)語

通過對該淺埋偏壓隧道存在的施工問題、偏壓處治及其相應(yīng)的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對淺埋偏壓隧道施工有了一定認(rèn)識。本次隧道成功的偏壓處治施工可為今后類似工程的施工提供科學(xué)的指導(dǎo)：

（1）偏壓淺埋隧道在施工之前，必須將由自然因素引起的偏壓荷載和隧道施工工法來綜合考慮，并科學(xué)制定正洞掘進(jìn)的施工方案，才有利于隧道的圍巖穩(wěn)定，確保隧道施工安全。

（2）隧道偏壓處治一定要充分利用監(jiān)控量測平臺，掌握圍巖動態(tài)變形情況，信息化動態(tài)科學(xué)指導(dǎo)設(shè)計施工。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，結(jié)合隧道洞口地形、地質(zhì)，為隧道偏壓處治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，判明偏壓的嚴(yán)重程度，為在不利地形、地質(zhì)條件下隧道施工指明方向，使得修建的隧道安全、經(jīng)濟(jì)、合理，避免人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

（3）在淺埋偏壓地段，圍巖地質(zhì)條件較差，承載能力較低。隧道開挖要遵循“弱擾動、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、及時封閉成環(huán)”的原則，避免圍巖產(chǎn)生較大的變形，形成應(yīng)力集中，甚至產(chǎn)生塌方冒頂?shù)牡刭|(zhì)災(zāi)害事故。

[1]JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTG/T F60-2009，公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S].

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