鵝公尖隧道淺埋偏壓斷層破碎段施工方案研究

胡杰、任會(huì)

（1. 湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410029；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200）

0 引言

平江至益陽(yáng)高速公路，是湖南省“七縱七橫”中的第三橫——平江（湘贛界）至安化高速公路的東段，從湘北橫貫東西。項(xiàng)目在穿越平江幕阜山時(shí)，設(shè)置了鵝公尖隧道。隧道采用分離式雙向四車道布置，斷面形式為馬蹄形，最大開(kāi)挖跨度13.3m，最大開(kāi)挖高度10.6m。受隧道前后構(gòu)筑物影響，隧道平江端左右洞結(jié)構(gòu)凈間距僅為17m，屬于小凈距段。在地質(zhì)構(gòu)造影響下，距離平江端洞口100m 處發(fā)育有一處寬20m 的斷層破碎帶。

潘文韜等基于九綿高速福隆隧道進(jìn)行了淺埋偏壓隧道施工工法研究，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明深埋側(cè)上拱腰收斂數(shù)值最大且波動(dòng)較大，淺埋側(cè)下拱腰收斂增速較慢，提出偏壓隧道較適宜工法為CD 法。侯瑞彬等做了大跨小凈距偏壓隧道施工方案優(yōu)化分析，認(rèn)為CRD 工法對(duì)控制隧道水平收斂較為有利，但隧道拱腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，圍巖塑性區(qū)較大，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)控制隧道拱頂下沉較為有利。潘家升等結(jié)合合蕪高速試刀山隧道工程，分別對(duì)CD 法和三臺(tái)階七步法進(jìn)行了研究，認(rèn)為隧道穿越淺埋偏壓段時(shí)，三臺(tái)階七步法在控制圍巖變形方面比CD 法更具優(yōu)勢(shì)。胡煒等認(rèn)為處于傾斜層狀巖體中的隧道常會(huì)產(chǎn)生地質(zhì)順層偏壓的問(wèn)題，導(dǎo)致隧道局部塌方、偏壓變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。付大喜結(jié)合永吉高速毛坪隧道淺埋偏壓段下穿高壓線塔工程實(shí)例，提出CRD 法在施工前期效果較好，但整體效果不如環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，先施工淺埋側(cè)比先施工深埋側(cè)相對(duì)偏于安全，深埋側(cè)整體應(yīng)力值明顯大于淺埋側(cè)的，隧道存在整體側(cè)移的趨勢(shì)。

綜上所述，在淺埋偏壓隧道的施工方案研究方面，眾多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的分析研究，總體上認(rèn)為淺埋偏壓隧道需采取分步施工方案減少圍巖的變形，但對(duì)處于斷層破碎帶的小凈距淺埋偏壓隧道涉及較少，本文擬結(jié)合鵝公尖隧道進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

鵝公尖隧道是一座分離式長(zhǎng)隧道，左洞長(zhǎng)1195m，右洞長(zhǎng)1250m。隧道段最小平曲線半徑為2150m，縱坡為人字坡，平江端為2.3%的上坡，伍市端為1.6%的下坡。隧道平江端距洞口100m 處發(fā)育f1 斷層，隧道穿越斷層段長(zhǎng)度為20m，雙洞最小凈距為17m，僅為1.3 倍開(kāi)挖洞徑，屬于小凈距隧道。洞頂最小覆蓋層厚度約20m，小于深淺埋限界埋深30m，屬于淺埋隧道。左右洞之間的地面橫坡為38，地形偏壓嚴(yán)重。該段為小型塌方事故頻發(fā)地段，擬作為本文的研究對(duì)象（見(jiàn)圖1）。

圖1 隧道平江端平面、縱剖面圖

1.2 地質(zhì)條件

隧址區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系為新華夏系巨型第二沉降帶的次一級(jí)隆起帶，前燕山期形成的東西向構(gòu)造、古弧形構(gòu)造、燕山和喜山期產(chǎn)生的新華夏系構(gòu)造和其中一系列斷裂構(gòu)造為主要內(nèi)容的區(qū)域構(gòu)造行跡，圍巖巖性主要是板巖和千枚巖。根據(jù)地勘結(jié)果，隧道區(qū)內(nèi)發(fā)育3 條次級(jí)斷層，隧道區(qū)內(nèi)下伏基巖主要為冷家溪群板巖夾千枚巖，巖層傾向單一，巖層呈單斜狀，局部受構(gòu)造影響，產(chǎn)狀局部變化，巖層反傾。研究段的f1 斷層為逆斷層，走向約5，傾向東，傾角約81，寬20m，帶內(nèi)巖石破碎，擠壓明顯，巖石呈碎塊狀、角礫狀，局部糜棱化，影響帶巖體破碎，節(jié)理密集。斷層破碎帶地下水較豐富，多處見(jiàn)下降泉，與隧道交角約80。斷層破碎帶處圍巖的巖土力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道巖(土)物理力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)表

1.3 設(shè)計(jì)情況

鵝公尖隧道按雙向四車道高速公路、100km/h 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用單心圓內(nèi)輪廓斷面型式，擬定為拱高736cm，拱墻部圓半徑為581cm。隧道按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，擬研究段的圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)從外到里分別為初期支護(hù)、復(fù)合式防水層、二次襯砌。初期支護(hù)為4m 長(zhǎng)錨桿和26cm 厚C20 噴射混凝土，內(nèi)含間距為60cm 的工20a，復(fù)合式防水層為無(wú)紡布和高分子防水板材，二次襯砌為45cm 后鋼筋混凝土全環(huán)封閉式結(jié)構(gòu)。

1.4 施工過(guò)程情況

隧道從平江端洞口采用臺(tái)階法掘進(jìn)，左右洞掌子面錯(cuò)開(kāi)30m 左右。2019年8月隧道施工至斷層位置，掌子面揭露的圍巖為強(qiáng)風(fēng)化板巖，巖體破碎，呈散體結(jié)構(gòu)。尤其是左、右洞拱腰往拱頂方向，圍巖節(jié)理發(fā)育，巖質(zhì)較軟，自穩(wěn)條件差，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，在隧道出渣過(guò)程中均出現(xiàn)拱頂?shù)魤K現(xiàn)象，并發(fā)生塌方，拱頂部分最大塌方范圍寬12m，深5.6m。塌方嚴(yán)重影響了隧道施工的正常掘進(jìn)，為避免隧道塌方威脅到工人的生命安全，需暫停施工，找到解決方案。由于設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)措施已經(jīng)較強(qiáng)，為落實(shí)短進(jìn)尺、勤支護(hù)的理念，需進(jìn)一步優(yōu)化施工方案（見(jiàn)圖2）。

圖2 隧道塌方現(xiàn)場(chǎng)及施工方式圖

2 施工方案分析

根據(jù)以往專家學(xué)者的研究，目前在軟弱圍巖大跨隧道結(jié)構(gòu)的施工方案中，采用的施工方案因隧而異，下面結(jié)合幾個(gè)具體實(shí)例介紹如下。廣東省廣樂(lè)高速公路烏樹(shù)頭隧道綜合分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD 法(單側(cè)壁導(dǎo)坑法)、三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法等3 種不同的施工方法，提出采用雙側(cè)壁法可以保證圍巖穩(wěn)定性及圍巖變形量最小。廣福隧道某淺埋段，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷面大、巖性差，受構(gòu)造影響比較嚴(yán)重，而且頂板厚度比較薄，易發(fā)生坍塌、冒頂現(xiàn)象，比選了全斷面法、短臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，認(rèn)為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖時(shí)位移最小。深圳市紅棉路隧道研究了雙側(cè)壁工法，認(rèn)為傳統(tǒng)雙側(cè)壁工法存在施工工序較多、施工速度較慢、施工循環(huán)距離較長(zhǎng)、臨時(shí)支撐較多、斷面閉合時(shí)間較長(zhǎng)等不足。

從上述研究成果來(lái)看，雙側(cè)壁施工方案雖然具有變形小及圍巖相對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但存在施工進(jìn)度慢、工序多、機(jī)械利用率低等缺點(diǎn)。而鵝公尖隧道斷面寬度不超過(guò)14m，在小凈距、斷面破碎帶段的施工需采用擾動(dòng)小、機(jī)械利用率高、施工進(jìn)度快的施工方案，如采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工，則單側(cè)導(dǎo)坑的寬度不超過(guò)5m，工作面較為狹窄，開(kāi)挖掘進(jìn)機(jī)械回轉(zhuǎn)空間不足，效率低。根據(jù)隧道前段采用的施工方法，著重比較CD 法和環(huán)形開(kāi)挖留核心土法兩種工法。

2.1 環(huán)形開(kāi)挖留核心土法

利用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工能夠采取機(jī)械化施工，及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行封閉，同時(shí)加快了施工進(jìn)度。結(jié)合隧道的特點(diǎn)，隧道左右洞均采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土工法施工，具體做法如圖3 所示。

圖3 環(huán)形開(kāi)挖留核心土法施工順序及計(jì)算模型示意圖

施工順序：開(kāi)挖①部，施工支護(hù)Ⅰ（含超前支護(hù)、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架）；開(kāi)挖②部；開(kāi)挖③部，施工支護(hù)Ⅱ；開(kāi)挖④部，施工支護(hù)Ⅲ（仰拱初支）；施工支護(hù)Ⅳ（仰拱）；施工支護(hù)Ⅴ（二次襯砌）。

根據(jù)實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)和巖土力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行有限元計(jì)算，模擬施工先開(kāi)挖左洞隧道，后開(kāi)挖右洞隧道，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

計(jì)算顯示，左洞開(kāi)挖后變形范圍小于右洞，且兩洞變形總體向偏壓一側(cè)傾斜，圖4 為左右洞洞頂圍巖變形隨開(kāi)挖進(jìn)行的總體變形數(shù)據(jù)。其中第9 施工步為左洞二襯施工，第12 施工步為右洞核心土開(kāi)挖，從圖4 中可以看出，在右洞核心土開(kāi)挖完成后洞頂位移趨于穩(wěn)定，最大變形值為13mm。

圖4 環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法左右洞洞頂位移示意圖

2.2 中隔壁法（CD 法）

CD 法施工對(duì)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全、實(shí)現(xiàn)分部開(kāi)挖的減跨作用等具有較好的應(yīng)用前景。鵝公尖隧道左洞埋深較淺，屬于施工先行洞，采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工效果較好，右洞埋深相對(duì)較深，擬進(jìn)行CD 法施工比選，通常具體做法見(jiàn)圖5。

圖5 CD 法施工順序及計(jì)算模型示意圖

施工順序：開(kāi)挖①部，施工支護(hù)Ⅰ（含超前支護(hù)、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、臨時(shí)中側(cè)壁）；開(kāi)挖②部，施工支護(hù)Ⅱ（含邊墻及仰拱初期支護(hù)）；開(kāi)挖③部，施工支護(hù)Ⅲ；開(kāi)挖④部，施工支護(hù)Ⅳ（仰拱初支）；施工支護(hù)Ⅴ（仰拱）；施工支護(hù)Ⅵ（二次襯砌）。

圖6 為左右洞洞頂圍巖變形隨開(kāi)挖進(jìn)行的總體變形數(shù)據(jù)。其中第9 施工步為左洞二襯施工，第16 施工步為右洞右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖，從圖6 中可以看出，在右洞右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖完成后洞頂位移才趨于穩(wěn)定，最大變形值為14mm。

圖6 CD 法左右洞洞頂位移示意圖

2.3 小結(jié)

比較右洞采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法和CD 法兩種方式可知：左洞開(kāi)挖期間對(duì)右洞洞頂位移存在影響，最大值不超過(guò)1mm；環(huán)形開(kāi)挖留核心土法對(duì)拱頂位移的影響僅限于核心土開(kāi)挖之前的階段，之后則基本影響不大；CD 法對(duì)拱頂位移的影響在右洞整個(gè)斷面開(kāi)挖施工時(shí)均有影響，且累計(jì)數(shù)值稍大于環(huán)形開(kāi)挖留核心土法。

綜上所述，從結(jié)構(gòu)快速封閉成環(huán)和減小圍巖變形出發(fā)，鵝公尖隧道淺埋偏壓斷層破碎帶左右洞均擬采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法。

3 實(shí)施情況

隧道淺埋偏壓斷層破碎帶共40m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度的選取結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)狀況以及監(jiān)測(cè)來(lái)確定，采用的是長(zhǎng)度控制在5～10m 的超短臺(tái)階，保證初期支護(hù)及時(shí)落底閉合，二次襯砌緊跟掌子面。為減小左右洞干擾，左右洞先后錯(cuò)開(kāi)施工，后行洞掌子面應(yīng)滯后于先行洞二次襯砌，先施工左洞，后施工右洞。圖7 為施工開(kāi)挖照片及洞頂下沉監(jiān)測(cè)記錄圖，通過(guò)采用環(huán)形開(kāi)挖留核心土法，洞頂下沉速率在開(kāi)挖后兩周內(nèi)趨于穩(wěn)定，3 周后即可施做二次襯砌。通過(guò)及時(shí)調(diào)整施工方案，隧道安全通過(guò)了斷層破碎段。

圖7 環(huán)形開(kāi)挖留核心土法及洞頂位移監(jiān)測(cè)圖

4 結(jié)論

其一，環(huán)形開(kāi)挖留核心土法適合小凈距軟弱圍巖段的隧道施工，其變形較小、施工機(jī)械化程度較高，便于及時(shí)控制圍巖變形，隧道結(jié)構(gòu)能快速封閉成環(huán)、充分利用初支結(jié)構(gòu)的承載功能。

其二，環(huán)形開(kāi)挖留核心土法相對(duì)于CD 法對(duì)隧道洞頂變形的影響更小，在確保核心土穩(wěn)定的前提下，能有效控制圍巖變形在預(yù)留變形量的范圍之內(nèi)，不會(huì)影響二次襯砌的正常施做。

其三，地形偏壓段隧道施工會(huì)造成圍巖位移向地形較高處發(fā)展，如偏壓側(cè)圍巖較為軟弱或存在軟弱結(jié)構(gòu)面，則不可避免地會(huì)造成塌方或冒頂?shù)仁鹿?，建議在淺埋偏壓段采取地表錨桿或灌漿等處治方案加固軟弱圍巖。