超淺埋偏壓大斷面隧道進(jìn)洞穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

仲維華

摘 要：隧道是交通工程建設(shè)領(lǐng)域的一項(xiàng)高難度工程，合理的進(jìn)洞方案是隧道安全高效施工的基礎(chǔ)，其中，淺埋偏壓大斷面隧道的進(jìn)洞工藝至關(guān)重要。本文依托埋深僅為1.35 m、斷面面積為165 m2的典型隧道工程，進(jìn)行了地表注漿、地表鉚釘、反壓回填、單側(cè)壁導(dǎo)坑等多種進(jìn)洞方案的分析對(duì)比，確定了地表鉚釘+反壓回填+單側(cè)壁導(dǎo)坑的進(jìn)洞穩(wěn)定性控制措施，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，該技術(shù)在安全、質(zhì)量、成本等方面綜合表現(xiàn)優(yōu)異，可供類似復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下隧道進(jìn)洞施工參考。

關(guān)鍵詞：超淺埋;大斷面隧道;進(jìn)洞技術(shù);穩(wěn)定性控制

中圖分類號(hào)：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0096-05

Abstract： The tunnel is a highly difficult project in the field of traffic engineering construction， and a reasonable entry plan is the basis for safe and efficient tunnel construction， among them， the entry technology of shallow-buried and biased large-section tunnels is very important. Based on a typical tunnel project with a buried depth of only 1.35 m and a cross-sectional area of 165 m2， this paper analyzed and compared various entry schemes such as surface grouting， surface rivets， back pressure backfill， and single-side pilot pit， determined the stability control measures of surface rivet + back-pressure backfill + single-side pilot pit， and carried out numerical simulation and field monitoring. The results show that the technology has excellent comprehensive performance in terms of safety， quality， and cost， and can be used as a reference for tunnel entry construction under similar complex terrain and geological conditions.

Keywords： ultra-shallow buried;large-section tunnel;tunnel entry technology;stability control

隧道工程在交通建設(shè)中扮演著重要角色，面對(duì)復(fù)雜的地形條件，確定科學(xué)、合理的進(jìn)洞方案顯得至關(guān)重要[1-2]。若隧道進(jìn)洞技術(shù)選用不合理，則會(huì)引發(fā)洞口坍塌關(guān)門、滑坡、支護(hù)開裂、滲水等事故，影響隧道施工安全及工期，并導(dǎo)致后期交通運(yùn)營(yíng)存在安全隱患[3-5]。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某高速公路隧道采用左右分離雙向六車道設(shè)計(jì)，隧道斷面開挖寬度為17.2 m，高度為11.1 m，斷面面積為165 m2，如圖1所示。隧道段最高點(diǎn)位于K71+055里程處，高程約為478 m，最低點(diǎn)為隧道進(jìn)口處，高程約為363 m，相對(duì)高差達(dá)115 m。左線ZK70+660～ZK70+720段位于山嶺沖溝處，屬于淺埋偏壓段。圍巖自上而下為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖，拱頂覆蓋層厚度為1.35～12.0 m，最小厚度僅為1.35 m，如圖2所示。采用新奧法原理進(jìn)行洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工[6-8]。洞口段超前為[Φ]108 mm超前長(zhǎng)管棚，管棚環(huán)向間距為40 cm。長(zhǎng)管棚與套拱配合使用，套拱采用整體式混凝土（內(nèi)設(shè)鋼架）結(jié)構(gòu)。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道洞門位于構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，其線路主要穿越兩山間山谷和鞍部，山體植被茂密，地表高程為355～478 m。洞身段山坡面整體傾向約為40°，順坡形成多條溝谷，切割深度介于3～30 m，寬窄不一。進(jìn)口為一溝谷面斜坡，坡向約為133°，上部坡度約為45°，下部坡度約為30°，呈上陡下緩的特征，進(jìn)洞口附近發(fā)育有一條沖溝，沖溝走向約為140°;沖溝切割深度為3～5 m，徑流量為10～15 L/s，且有植被覆蓋;出洞口斜坡坡向約為280°，坡度約為35°，底部發(fā)育有一條沖溝，沖溝走向約為295°，溝底發(fā)育有溪流，如圖3所示。

隧址區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較弱，晚更新世以來的活動(dòng)斷裂不發(fā)育，構(gòu)造穩(wěn)定性相對(duì)較好。淺部巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，深部節(jié)理裂隙一般發(fā)育～較發(fā)育，主要發(fā)育2組節(jié)理裂隙，不利于隧道圍巖穩(wěn)定。

隧址區(qū)地層巖性為第四系殘積砂質(zhì)黏性土、燕山期花崗巖及其風(fēng)化層。坡殘積土層、全～強(qiáng)風(fēng)化巖巖質(zhì)極軟，遇水易軟化崩解，中風(fēng)化層巖質(zhì)較硬，微風(fēng)化層巖質(zhì)堅(jiān)硬。

2 進(jìn)洞穩(wěn)定性控制方案研究

2.1 地表垂直注漿

ZK70+660～ZK70+720淺埋段隧道的開挖將對(duì)現(xiàn)有地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，通過在隧道左右側(cè)5 m范圍內(nèi)采用[Φ]89 mm×6 mm鋼花管注漿加固，防止隧道開挖后偏壓加劇引起隧道變形破壞[9-10]。鋼管頂部滿布[Φ]8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)眼尺寸為20 cm×20 cm，鋼筋網(wǎng)與鋼管頂部焊接連接，并噴射30 cm厚的C20混凝土。整體方案如圖4所示。

該方案中，鋼管注漿最大深度達(dá)35.7 m，需要采用大型的潛孔鉆設(shè)備才能施工，勢(shì)必導(dǎo)致地表植被大面積破壞，有違公路綠色建設(shè)理念，且后續(xù)還需要進(jìn)行二次復(fù)綠，工作難度大。同時(shí)，此處地層主要為粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖，巖體整體密實(shí)，采用[Φ]89 mm×6 mm鋼管注漿效果較差。也就是說，本方案工期長(zhǎng)，投入機(jī)械設(shè)備多，成本高，對(duì)淺埋、偏壓隧道進(jìn)洞的處理效果不明顯。

2.2 地表單側(cè)斜向注漿

將隧道ZK70+660～ZK70+720段注漿范圍由原洞頂范圍調(diào)整至隧道左側(cè)進(jìn)行側(cè)向加固，縱向范圍調(diào)整為ZK70+660～ZK70+700，總長(zhǎng)為40 m，平均注漿深度為4 m。注漿完成后，在坡面鋪設(shè)A8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)眼尺寸20 cm×20 cm，并噴射30 cm厚的C20混凝土。注漿目的是加固隧道左側(cè)巖土體，確保左側(cè)洞室穩(wěn)定性[11-12]。整體方案如圖5所示。

該方案中，注漿范圍集中于圍巖最薄弱部分，可對(duì)松散、破碎巖土體進(jìn)行固化，保證進(jìn)洞安全，但無法克服山體偏壓導(dǎo)致的施工過程中隧道穩(wěn)定性問題。也就是說，本方案成本低，操作方便，工期短，對(duì)于隧道淺埋問題針對(duì)性強(qiáng)，但后期二次復(fù)綠難度大，對(duì)偏壓段無法起到綜合性效果。

2.3 反壓回填

隧道左側(cè)有溪谷且常年流水，為解決隧道進(jìn)口存在的永久偏壓?jiǎn)栴}，擬對(duì)隧道左側(cè)沖溝進(jìn)行反壓回填，平衡隧道側(cè)壓力，回填高度從溝底至隧道洞頂以上3 m，總征地面積為11 398 m2。溝谷底層設(shè)置矩形片石盲溝進(jìn)行排水，尺寸為1.8 m（寬）×2.0 m（高），填筑完成后，在填平區(qū)頂面設(shè)置2.5 m×5.0 m×2.5 m（PSG-F型）C20現(xiàn)澆混凝土排水溝，解決后期山谷地表水徑流問題，并與高速公路主線排水溝順接。整體方案如圖6所示。

該方案可有效解決偏壓?jiǎn)栴}，保證隧道穩(wěn)定性，成本合理，但需要進(jìn)行征地，且所填筑土方與原山體無法連成整體，未能解決拱頂超淺埋的不利因素，進(jìn)洞仍然存在沉降、坍塌等安全隱患。

2.4 進(jìn)洞工法

原設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法斷面分塊多，施工擾動(dòng)大，且雙側(cè)壁導(dǎo)坑上緣尖而窄，成形、出渣及施作系統(tǒng)錨桿困難;洞口段屬于淺埋、偏壓段，該段受偏壓影響，左右兩側(cè)的收斂、變形量存在不相等、不同步的問題，左右側(cè)導(dǎo)坑靠中上、中下臺(tái)階連接成環(huán)之后才能形成整體受力，但受左右導(dǎo)洞安全步距影響，成環(huán)時(shí)間過長(zhǎng)。如長(zhǎng)時(shí)間讓左右側(cè)處于分開狀態(tài)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，兩側(cè)收斂、變形數(shù)據(jù)差距會(huì)越來越大，在進(jìn)行中上、中下臺(tái)階施工時(shí)，收斂變形數(shù)據(jù)不一致，將導(dǎo)致鋼架連接不順暢，影響整體受力。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將大斷面分成九個(gè)小單元進(jìn)行開挖，斷面小，各工序施工空間小，施作不方便，工序多而繁雜，工期無法保障。因此，將雙側(cè)壁導(dǎo)坑法調(diào)整為單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖。

2.5 小結(jié)

對(duì)于超淺埋、偏壓、大斷面隧道進(jìn)洞施工方案進(jìn)行分析對(duì)比后，擬采用地表鉚釘+反壓回填+單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，可發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，保證施工安全、質(zhì)量和工期目標(biāo)，并達(dá)到綠色施工要求。

3 施工工藝

3.1 注漿鉚釘施工

3.1.1 鋼花管加工。采用[Φ]50 mm×5 mm鋼管制作，鋼管底部用厚5 mm的鋼板焊接密封，頂部對(duì)稱焊接2個(gè)小于12 mm的螺母，作為劈裂注漿固定槍頭，尾部采用螺紋口與三通連接。沿鋼管軸線間距30 cm、徑向旋轉(zhuǎn)45°，鉆直徑小于6 mm的孔眼，注漿孔沿鋼管四周呈螺旋式布置。鋼管外壁用鋼絲刷除銹，以增強(qiáng)鋼管與水泥漿的黏結(jié)力，保證封孔膠帶粘貼牢靠。

3.1.2 鉆孔。坡面清表后，按要求測(cè)量放線，經(jīng)測(cè)定，孔位注漿管間距為1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置，孔位誤差不得超過±2 cm，錨孔偏斜度不應(yīng)超過5%。

3.1.3 鉆孔機(jī)具。采用空壓機(jī)供風(fēng)，潛孔鉆無水干鉆成孔，禁用水沖成孔;所使用的鉆頭直徑不得小于設(shè)計(jì)孔徑。

3.1.4 鉆孔要求。側(cè)向注漿時(shí)應(yīng)控制好鋼管布設(shè)間距，注意注漿管離隧道結(jié)構(gòu)層預(yù)留0.5 m的距離。

3.1.5 注漿。采用二次劈裂注漿，注漿PVC管綁在鋼花管外，與鋼花管一同入孔，下端伸入孔底。

3.2 盲溝施工

盲溝設(shè)計(jì)尺寸為1.8 m（寬）×2.0 m（高），設(shè)置于回填土底層，施工前將盲溝底部整平，做好盲溝底部坡度設(shè)置，盲溝所用碎石顆粒應(yīng)均勻、質(zhì)地干凈，盲溝周圍采用滲水土工布進(jìn)行包裹。具體設(shè)置如圖7和圖8所示。

3.3 反壓回填施工

采用土石進(jìn)行反壓回填，每層壓實(shí)度不小于90%;回填前先將軟弱土挖去，施工時(shí)，逐層夯實(shí)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高（回填標(biāo)高需要超過隧道洞頂高程（3 m））。

填筑到設(shè)計(jì)高程，填平層表面設(shè)置2%單向坡，并在坡腳設(shè)置2.5 m×5.0 m×2.5 m（PSG-F型）C20現(xiàn)澆混凝土排水溝，確保排水通暢。

填土頂面設(shè)置10%的縱坡，在隧道洞口明洞段15 m范圍內(nèi)坡度設(shè)置為1∶1，與隧道削竹式洞門坡度對(duì)應(yīng)。

反壓回填過程中，應(yīng)控制好填土分層厚度及壓實(shí)度，且應(yīng)加強(qiáng)回填土與原狀土的結(jié)合，做好邊坡的清表與臺(tái)階開挖，注意填土穩(wěn)定性。

3.4 單側(cè)壁導(dǎo)坑工藝

單側(cè)壁工法左、右導(dǎo)洞上、下臺(tái)階寬度一般控制在10 m以內(nèi)，導(dǎo)坑上臺(tái)階高度應(yīng)控制在7.2 m，下臺(tái)階高度應(yīng)控制在4.5 m，左、右導(dǎo)洞上臺(tái)階錯(cuò)開距離控制在20 m;仰拱距掌子面的距離不得大于30 m，二次襯砌距掌子面距離不得大于70 m。詳細(xì)情況如圖9、圖10所示。

單側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)臨時(shí)鋼架在主洞初期支護(hù)鋼架閉合且變形穩(wěn)定之后方可拆除，拆除前后應(yīng)加強(qiáng)拱頂下沉量及周邊收斂變形的觀測(cè)，每次拆除長(zhǎng)度不得大于一次模板襯砌臺(tái)車長(zhǎng)度。

鋼支撐間距、里程、垂直度等應(yīng)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，兩側(cè)拱腳采用鎖腳錨桿加固，鋼支撐底部嚴(yán)禁使用廢渣支墊，應(yīng)采用混凝土預(yù)制塊等進(jìn)行支墊，確保鋼架穩(wěn)定。

左線進(jìn)口段屬于淺埋偏壓段，在現(xiàn)場(chǎng)施工中，先施工右側(cè)導(dǎo)坑，對(duì)隧道左側(cè)偏壓段進(jìn)行減壓，確保左側(cè)后行導(dǎo)坑施工安全。

施工中應(yīng)根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整預(yù)留變形量、開挖方式和修正支護(hù)參數(shù)，確保安全。

3.5 監(jiān)控量測(cè)

為保證開挖和襯砌安全，掌握動(dòng)態(tài)信息，指導(dǎo)施工作業(yè)，對(duì)洞內(nèi)外觀測(cè)、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并通過數(shù)據(jù)判定圍巖穩(wěn)定性。洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置在距掌子面2 m以內(nèi)，隨開挖及時(shí)布設(shè)。

4 結(jié)論

復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件給隧道施工帶來了很大難度，對(duì)隧道進(jìn)洞安全提出了更高的要求。本研究中埋置深度只有1.35 m的偏壓大斷面隧道，在進(jìn)洞前進(jìn)行斜向地表注漿+反壓回填，并采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工藝，有效克服了超淺埋、偏壓等不利因素對(duì)隧道洞室穩(wěn)定性的影響，讓初支在最短時(shí)間內(nèi)封閉成環(huán)，確保了隧道工程質(zhì)量和施工安全。該技術(shù)具有安全性高、成本低、工期合理等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于其他類似復(fù)雜地理位置的隧道進(jìn)洞施工具有較好的參考價(jià)值。

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