超淺埋土質(zhì)隧洞支護(hù)技術(shù)探討

張奕澤，李 欣，盧興毅，王 婧

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 肇慶 526040）

1 工程概況

潭頭河位于深圳市寶安區(qū)沙井北、松崗南，屬茅洲河二級(jí)支流，為排澇河一級(jí)支流，河道穿越沙井密集型工業(yè)區(qū)，河流平均比降2.6‰[1]。

潭頭河泄洪隧洞為五指耙水庫(kù)分洪泄水通道，其軸線穿越田園路東側(cè)山體，全長(zhǎng)741 m，進(jìn)口位于五指耙水庫(kù)主壩左壩肩附近。根據(jù)地勘報(bào)告顯示，隧洞穿越的圍巖有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類，其中V類圍巖占56%[2]，開(kāi)挖隧洞斷面為4.00 m×4.25 m（寬×高）；隧洞進(jìn)口段（樁號(hào)S0+000～S0+080 m）上部為以粉質(zhì)黏土為主的松散土層，覆土厚度少于6 m，為超淺埋隧洞。隧洞進(jìn)口段地質(zhì)縱剖面示意見(jiàn)圖1。

圖1 隧洞進(jìn)口段地質(zhì)縱剖面示意圖

2 設(shè)計(jì)思路

潭頭河進(jìn)口段屬于土質(zhì)隧洞，且洞室大部分位于欠固結(jié)粉質(zhì)黏土層，具有埋深淺、地下水豐富的特點(diǎn)，洞挖施工難度極大，需要采取有效的臨時(shí)支護(hù)措施。針對(duì)工程區(qū)特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)遵循“管超前、短進(jìn)尺、非（弱）爆破、小開(kāi)挖、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、緊襯砌、勤量測(cè)”的原則[3]，具體設(shè)計(jì)思路：

（1）對(duì)于洞頂欠固結(jié)松散/松軟粉質(zhì)黏土層，采用固結(jié)灌漿提高土體力學(xué)性質(zhì)。

（2）采用超前支護(hù)措施加固土體，提高土體抵抗變形能力，以形成塌落拱承擔(dān)上部不穩(wěn)定土層的重量，降低臨時(shí)支護(hù)規(guī)模[4]。

（3）選擇合適的開(kāi)挖方式和臨時(shí)支護(hù)措施，并根據(jù)施工過(guò)程沉降變形監(jiān)測(cè)及計(jì)算分析結(jié)果，調(diào)整臨時(shí)支護(hù)參數(shù)。

（4）采取切實(shí)可行的施工工法，并根據(jù)實(shí)施效果在施工中不斷優(yōu)化臨時(shí)支護(hù)措施。采取有效的加固和止水措施，控制變形并隨挖隨撐。

3 洞頂固結(jié)灌漿及臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 洞頂固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)

樁號(hào)S0+000～S0+080 m 區(qū)段進(jìn)洞前，對(duì)洞頂進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。采用直徑48 mm 鋼花管引孔至洞頂開(kāi)挖輪廓線以下50 cm，間距1.2 m×1.5 m（梅花型布置），注水泥-水玻璃雙液漿，波美度為32～42，初壓為0.5 MPa，終壓為1.2 MPa。洞頂灌漿示意見(jiàn)圖2。

圖2 洞頂灌漿示意圖 單位：cm

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

超前支護(hù)布置在洞頂180°范圍，采用單排大管棚支護(hù)，為直徑108 mm 熱軋無(wú)縫鋼管，管長(zhǎng)30.00 m，環(huán)向間距0.40 m，外傾角1°；超前小導(dǎo)管布置在拱頂及側(cè)墻兩側(cè)，采用直徑42 mm花管，單根長(zhǎng)4.00 m，環(huán)向間距0.25 m，外傾角15°，搭接長(zhǎng)度2.50 m。大管棚和超前小導(dǎo)管注漿采用水泥-水玻璃漿液。水泥漿∶水玻璃1∶0.5，水泥漿水灰比為1∶1，波美度32～42，注漿壓力0.3～0.5 MPa。臨時(shí)支護(hù)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 土質(zhì)隧洞臨時(shí)支護(hù)斷面圖 單位：cm

大管棚和超前小導(dǎo)管施工時(shí)按設(shè)計(jì)鉆孔準(zhǔn)確控制鉆機(jī)立軸方向，采用水平測(cè)斜儀量測(cè)偏斜度；灌漿時(shí)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼拱架+噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)型式；鋼拱架采用I14 型鋼，每榀間距0.50 m，縱向設(shè)直徑16 mm 連系鋼筋，環(huán)向間距為1.00 m；掛網(wǎng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，厚25 cm，鋼筋網(wǎng)采用直徑8 mm 鋼筋，網(wǎng)間距為20 cm×20 cm。二次襯砌結(jié)構(gòu)采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；炷梁穸?0 cm，襯砌每隔15.00 m 設(shè)置1 條施工縫；隧洞二次襯砌完成后對(duì)洞頂進(jìn)行回填灌漿。超前小導(dǎo)管縱剖示意見(jiàn)圖4。

圖4 超前小導(dǎo)管縱剖示意圖 單位：cm

4 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)測(cè)方法

隧洞施工過(guò)程中，周邊點(diǎn)的收斂是圍巖和支護(hù)力學(xué)形態(tài)變化最直接、最明顯的反映，凈空的變化（收縮和擴(kuò)展）是圍巖變形最明顯的體現(xiàn)；在施工過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測(cè)，為施工提供可靠的信息，以達(dá)到科學(xué)指導(dǎo)施工、優(yōu)化設(shè)計(jì)及采取合適的施工技術(shù)措施的目的[5]。

在隧洞進(jìn)口段開(kāi)挖前布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，取得穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在施工過(guò)程中根據(jù)需要調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率，以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

初襯施工完畢后，將預(yù)埋件埋設(shè)于拱頂中部（或拱底中部）。采用精密水準(zhǔn)儀，監(jiān)測(cè)精度為1 mm，量測(cè)各測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的相對(duì)高程差。本次所測(cè)高差與上次所測(cè)高差相比較，差值即為本次沉降值；本次所測(cè)高差與初始高差相比較，差值即為累計(jì)沉降值。

具體布設(shè)為沿隧洞縱向每隔5～15 m 設(shè)置1 個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)1～3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；洞周收斂布點(diǎn)，沿隧洞縱向每隔5～15 m 設(shè)置1 個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)2～6 對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)布置示意見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)布置示意圖 單位：cm

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.2.1 收斂變形

通過(guò)精密水準(zhǔn)儀對(duì)隧洞進(jìn)口段收斂監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行觀測(cè)，其收斂變形位移—時(shí)間—偏移速率變化典型過(guò)程線見(jiàn)圖6。距進(jìn)口5 m 處的收斂位移及速率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)為先平緩上升后下降，最后趨于穩(wěn)定，觀測(cè)期間最大內(nèi)向偏移距離為4 mm，最大偏移速率0.57 mm/d。距進(jìn)口20 m 處的收斂位移及速率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)為先增大后減小，觀測(cè)期間最大內(nèi)向偏移距離為4 mm，最大偏移速率1.00 mm/d。

圖6 收斂變形位移—時(shí)間—偏移速率分布圖

4.2.2 拱頂沉降

同樣對(duì)隧洞進(jìn)口段拱頂沉降監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行觀測(cè)，拱頂沉降位移—時(shí)間—偏移速率變化典型過(guò)程線見(jiàn)圖7。距進(jìn)口5 m 處及20 m 處的拱頂沉降隨時(shí)間的變化為前期沉降明顯，后期沉降值逐漸趨近于0，沉降速率在開(kāi)挖支護(hù)初期呈迅速降低趨勢(shì)[3]，觀測(cè)期間最大沉降位移為1 mm，最大沉降速率均為0.20 mm/d。

圖7 拱頂沉降位移—時(shí)間—沉降速率分布圖

4.2.3 數(shù)據(jù)分析

隧洞進(jìn)口段累計(jì)收斂變形值見(jiàn)圖8，拱頂累計(jì)沉降值見(jiàn)圖9。距進(jìn)口5 m 處及20 m 處的累計(jì)收斂變形值均先上升后趨于平緩，表現(xiàn)為向內(nèi)收斂，且距離進(jìn)口越遠(yuǎn)，收斂變形越大，反之偏移值較??；距進(jìn)口5 m 處的累計(jì)拱頂沉降值從迅速沉降到拱頂逐漸呈上升的趨勢(shì)，距進(jìn)口20 m 處的累計(jì)拱頂沉降值整體表現(xiàn)為向下沉降；V 類圍巖隧洞的施工，大致分為應(yīng)力釋放和應(yīng)力控制2 個(gè)階段，最終使應(yīng)力獲得再次平衡的過(guò)程[5]。

圖8 收斂變化典型過(guò)程線圖

圖9 拱頂沉降典型過(guò)程線圖

施工初期，由于施工破壞圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致應(yīng)力釋放，結(jié)合V 類圍巖的力學(xué)特性和構(gòu)造特性，收斂變形值及拱頂沉降值短期內(nèi)迅速增大，后期由于支護(hù)作用，控制圍巖變形，抑制變形的進(jìn)一步發(fā)展。另外由于V 類圍巖巖性破碎，存在軟巖，導(dǎo)致邊墻部分豎向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為水平應(yīng)力，使得拱變形均表現(xiàn)為向洞內(nèi)收斂。觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，施工初期收斂變化和拱頂沉降變化較大，之后趨于平緩，變化速率最終趨于0。這一過(guò)程與圍巖變形的理論分析過(guò)程相吻合，對(duì)于靠近隧洞進(jìn)口段出現(xiàn)拱頂上升現(xiàn)象，李新平等[6]分析過(guò)拱頂上升的原因。

本工程所處地質(zhì)情況較差，圍巖巖體強(qiáng)度低，完整性和成洞條件差，部分豎向附加應(yīng)力轉(zhuǎn)化為水平附加應(yīng)力，巖墻內(nèi)的水平附加應(yīng)力作用于初次支護(hù)的鋼拱之上，迫使拱頂有上升趨勢(shì)；在隧洞開(kāi)挖后，由于拱頂下部應(yīng)力的解除，拱頂本身有向下位移的情況，導(dǎo)致洞壁向洞內(nèi)移動(dòng)引起的拱頂上升量大于下部巖體卸荷引起的拱頂下沉量；監(jiān)測(cè)過(guò)程本身由于儀器影響，也會(huì)導(dǎo)致拱頂上升。

5 結(jié) 論

（1）超淺埋欠固結(jié)填土層隧洞不能形成有效承載拱，隧洞施工過(guò)程中，易造成坍塌或較大的洞頂?shù)孛嫦鲁?。設(shè)計(jì)時(shí)采取合理有效的拱頂土層處理方法和支護(hù)方法對(duì)工程安全實(shí)施至關(guān)重要；

（2）潭頭河五指耙水庫(kù)分洪隧洞進(jìn)口段安全監(jiān)測(cè)主要為圍巖收斂變形及拱頂沉降監(jiān)測(cè)：圍巖收斂變形隨時(shí)間的變化趨勢(shì)逐漸向內(nèi)收斂，最終趨于穩(wěn)定；靠近隧洞進(jìn)口，拱頂監(jiān)測(cè)表現(xiàn)為整體上升的趨勢(shì)；往下游處，拱頂隨施工期的推移先沉降后趨于穩(wěn)定；

（3）采用固結(jié)灌漿對(duì)洞頂欠固結(jié)人工填土層進(jìn)行預(yù)加固處理，以提高土體自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提升土體力學(xué)性質(zhì)，防止洞挖施工大面積塌陷和抑制后期拱頂沉降；

（4）超前支護(hù)采用大管棚和小導(dǎo)管的組合，形成有效的傘狀保護(hù)殼，控制地面沉降和拱頂變形；

（5）本工程地下水位高，在富水隧洞區(qū)采用水泥漿-水玻璃雙液漿作為注漿材料，可有效控制析水率、縮短凝結(jié)時(shí)間，提高結(jié)實(shí)體強(qiáng)度。