小凈距隧道洞口淺埋偏壓段流沙性軟弱圍巖施工工藝

章文波

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

國(guó)內(nèi)高速公路經(jīng)過(guò)近十多年的發(fā)展，隨著公路向山區(qū)的延伸及受山嶺地形的限制，線路常常在崇山峻嶺中穿行，不可避免地會(huì)碰到V型溝谷、流沙地層和不良地質(zhì)。由于線路的走向及場(chǎng)地的限制，許多隧道進(jìn)出口的邊、仰坡陡峭，洞頂覆蓋層薄，存在嚴(yán)重偏壓等地質(zhì)條件問(wèn)題。本文結(jié)合漳州云平高速公路A9合同段九峰隧道右線進(jìn)口洞口淺埋段工程施工經(jīng)驗(yàn)，淺談隧道洞口淺埋偏壓段流沙性軟弱圍巖施工工藝。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

九峰隧道起迄樁號(hào)為右洞YK92+460—YK93+025，長(zhǎng)565 m；左洞ZK92+470—ZK93+040，長(zhǎng)570 m；左右洞平均長(zhǎng)567.5 m，屬中隧道。采用小凈距雙洞布置，隧道左右洞進(jìn)口分別處于半徑為4 000 m和5 000 m的圓曲線上；縱坡為2.8%，-0.7%的人字坡。

隧道進(jìn)口段順近南北向山脊線展布，地形陡峭，自然坡度達(dá)到30～40°，洞頂覆蓋層薄弱且存在嚴(yán)重偏壓，易坍塌，進(jìn)洞較困難，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。左、右洞口邊坡高約5.8～8.4 m，坡體主要為坡積粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化巖，結(jié)構(gòu)較松散，開挖后穩(wěn)定性較差，需要采取放坡開挖，開挖坡率1∶0.75～1.0，并結(jié)合砌石護(hù)面墻、三維網(wǎng)植草護(hù)面等支護(hù)措施。由于坡體主要為坡積粉質(zhì)黏土及全-強(qiáng)風(fēng)化巖，隧道區(qū)地表殘破積黏土松散堆積層，孔隙發(fā)育，雨季孔隙含水。因施工區(qū)域位于福建東南地區(qū)，雨水豐富，降雨量較大，雨季隧道洞口施工遇該層會(huì)有明顯滲水現(xiàn)象。隧道區(qū)內(nèi)坡面植被發(fā)育均為蜜柚種植區(qū)，地下水系發(fā)達(dá)，穿越不良地質(zhì)區(qū)域。九峰隧道右洞洞口淺埋段不良地質(zhì)主要是圍巖為坡積粉質(zhì)土、全風(fēng)化凝灰?guī)r構(gòu)成，土層遇水易軟化，含砂率大，結(jié)構(gòu)松散，地下水豐富，自穩(wěn)能力差，極易發(fā)生坍塌等。

1.2 圍巖級(jí)別劃分及支護(hù)類型

圍巖級(jí)別劃分見表1，九峰隧道右洞縱斷面如圖1所示。

圖1 九峰隧道右洞縱斷面圖

表1 圍巖級(jí)別劃分表

2 右洞洞內(nèi)掌子面溜塌的發(fā)生經(jīng)過(guò)

九峰隧道右洞YK92+465—YK92+590段屬于Ⅴ級(jí)圍巖，埋深在5～25 m之間，其中YK92+465—YK92+530段采用支護(hù)類型為JZDK-1，YK92+530—YK92+575段采用支護(hù)類型為JZ5-1，YK92+575—YK92+590段采用支護(hù)類型為JZ5-1（b），施工輔助措施均為JF2-1（Φ50 mm鋼管，長(zhǎng)度5 m，150°范圍環(huán)距50 cm，間距3 m），見表2。

表2 初期支護(hù)參數(shù)表

2017年6月8 日九峰隧道進(jìn)口右洞按CD法進(jìn)行先行上導(dǎo)坑施工，開挖YK92+498.6—YK92+499.2段時(shí)掌子面出現(xiàn)滲水，圍巖軟弱，含沙量大，無(wú)自穩(wěn)能力，局部有溜塌跡象，施工班組立即對(duì)掌子面進(jìn)行回填處理并噴漿封閉。6月9日業(yè)主組織四方到九峰隧道進(jìn)口右洞現(xiàn)場(chǎng)查看施工情況，定制處置方案為：雙排Ф50 mm小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，間距調(diào)整為2 m，恢復(fù)CD法掘進(jìn)。6月9日—6月10日現(xiàn)場(chǎng)完成掌子面軟弱圍巖處三榀鋼拱架支護(hù)，并施做了Ф50 mm超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)5 m；6月10日夜里23點(diǎn)開挖先行上導(dǎo)坑YK92+500—YK92+500.6段處掌子面又出現(xiàn)溜塌，持續(xù)時(shí)間將近1 h，溜塌體約300 m3、中隔壁臨時(shí)支護(hù)I14工字鋼被剪切破壞且初支表面出現(xiàn)不均勻裂縫（圖2），施工班組又立即對(duì)掌子面進(jìn)行回填處理并噴漿封閉。6月11日早晨在洞頂YK92+489—YK92+494段處發(fā)現(xiàn)地表沉陷，坑洞尺寸為5×3×2 m（長(zhǎng)×寬×深），我部立即撤離洞內(nèi)施工人員，等待四方到現(xiàn)場(chǎng)查看施工情況。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，YK92+480—YK92+500段拱頂沉降和周邊收斂數(shù)據(jù)異常，第三方監(jiān)控量測(cè)單位下發(fā)的預(yù)警報(bào)告聯(lián)系單顯示當(dāng)日最大下沉量達(dá)到52.1 mm，開累下沉量達(dá)到466 mm。

圖2 YK92+500中隔壁剪切破壞效果圖

3 原因分析

3.1 地形地質(zhì)因素

九峰隧道右洞進(jìn)口屬剝蝕丘陵地貌，丘頂渾圓，區(qū)內(nèi)峰頂標(biāo)高約380 m。隧道軸線大致呈近東西走向，2側(cè)坡面凹凸起伏，凸脊與凹坡相間展布，左側(cè)是個(gè)大沖溝，存在嚴(yán)重偏壓。左右洞間距小于12 m，屬于小間距隧道。地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)鉆孔揭示，隧址區(qū)表層多為第四系殘積積層（Qe1+d1），下伏侏羅南園組（J3n）凝灰?guī)r及其風(fēng)化層。洞口淺埋段主要地層特征性質(zhì)如下。

坡積黏土（Qd1）：磚紅色，硬塑，干-稍濕7-122，成分以黏粒粉粒為主，略有砂感，黏韌性中等，干強(qiáng)度中等，巖芯刀切面光滑，稍有光澤反應(yīng)，表層含少量植物根系。

坡積黏性土（Qel）：淺紅色，硬塑，濕，母巖為凝灰?guī)r，組織結(jié)構(gòu)全部破壞，礦物成分除石英外大部分已風(fēng)化成土狀，表層0～0.70含有植物根系，巖心遇水易軟化。

全風(fēng)化凝灰?guī)r（J3n）：灰黃色、紫紅色，芯呈沙土狀，礦物成分已基本風(fēng)化，遇水易軟化，手捏易散，原巖結(jié)構(gòu)可辨，巖體完整性程度為極破碎，巖石堅(jiān)硬程度為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ極。

3.2 地下水因素

受施工時(shí)間連續(xù)降雨的影響，地下水位高，巖體中裂隙水較豐富，致使巖層層面軟化，力學(xué)參數(shù)大大降低，易在巖體層面（弱面）形成滑動(dòng)面，掌子面滲水嚴(yán)重。

3.3 開挖方式及圍巖因素

隧道洞口淺埋段原設(shè)計(jì)開挖方式為CD法，由于工作面狹小，掌子面核心土無(wú)法保留，并且圍巖為砂性土，無(wú)黏結(jié)力，自穩(wěn)能力弱，一旦掌子面溜塌一部分，就會(huì)形成較大臨空面，最后演變成流沙。流沙是沙土或粉質(zhì)黏土在水的作用下喪失其內(nèi)聚力后形成的，多呈糊漿狀，對(duì)隧道施工危害極大。流沙可引起圍巖失穩(wěn)坍塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，甚至倒塌破壞。

4 流沙性軟弱圍巖施工措施

4.1 洞內(nèi)處置方案

4.1.1 開挖方式調(diào)整

為了保證掌子面土體穩(wěn)定性，將開挖方式由CD法調(diào)整為三臺(tái)階七步環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，如圖3所示。施工工藝流程主要步驟為：①上部弧形導(dǎo)坑環(huán)向開挖，施做拱部初期支護(hù)；②中、下臺(tái)階左右錯(cuò)開開挖，施做墻部初期支護(hù)；③中心預(yù)留核心土開挖、隧底開挖，施做隧底初期支護(hù)；④每部開挖后均應(yīng)及時(shí)支護(hù)，隧底初期支護(hù)后應(yīng)及時(shí)施做仰拱，盡早封閉成環(huán)。

圖3 三臺(tái)階七步開挖法施工作業(yè)圖

（1）技術(shù)特點(diǎn)：①施工空間大，方便機(jī)械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或土質(zhì)地段可以采用挖掘機(jī)直接開挖，工效較高；②在地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，便于靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法；③適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，初期支護(hù)工序操作便捷；④在臺(tái)階法開挖的基礎(chǔ)上，預(yù)留核心土，左右錯(cuò)開開挖，利于開挖工作面穩(wěn)定；⑤當(dāng)圍巖變形較大或突變時(shí)，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調(diào)整閉合時(shí)間；⑥三臺(tái)階七步開挖法規(guī)避了側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除臨時(shí)支護(hù)及受力轉(zhuǎn)換造成不安全的因素，及時(shí)調(diào)整閉合時(shí)間，方便機(jī)械施工，利于施工工序轉(zhuǎn)換。

（2）施工要求：①以機(jī)械開挖為主，必要時(shí)輔以弱爆破；②弧形導(dǎo)坑應(yīng)沿開挖輪廓線環(huán)向開挖，預(yù)留核心土，開挖后及時(shí)支護(hù)；③其他分步平行開挖，平行施做初期支護(hù)，各分部初期支護(hù)銜接緊密，及時(shí)封閉成環(huán)；④仰拱緊跟下臺(tái)階，及時(shí)閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系；⑤施工過(guò)程通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，掌握圍巖和支護(hù)的變形情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量，保證施工安全；⑥完善洞內(nèi)臨時(shí)防排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡拱墻腳基礎(chǔ)；⑦采用三臺(tái)階七步開挖法施工，應(yīng)盡量縮短臺(tái)階長(zhǎng)度，確保初期支護(hù)盡快閉合成環(huán)，仰拱和拱墻襯砌及時(shí)跟進(jìn)，盡早形成穩(wěn)定的支護(hù)體系。

4.1.2 初期支護(hù)參數(shù)調(diào)整

YK92+480—YK92+500段臨時(shí)中隔壁拆除，采用I20b工字鋼在洞中央豎立支撐；YK92+480—YK92+500段變更增加徑向Φ50 mm注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度5 m，間距0.8×0.8 m；YK92+500—YK92+590段初支I20b工字鋼間距由60 cm調(diào)整為50 cm；YK92+500—YK92+590段初支徑向Φ25 mm中空注漿錨桿替換為徑向Φ50 mm注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度由4 m變更為5 m，間距0.8×0.8 m；YK92+500—YK92+590段鎖腳Φ22 mm砂漿錨桿替換為Φ50 mm注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度由3 m調(diào)整為5 m，數(shù)量由2根調(diào)整為4根；加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，注意及時(shí)收集相關(guān)資料，如圖4、圖5所示。

圖4 初期支護(hù)參數(shù)調(diào)整布置圖

圖5 洞軸線豎向支撐圖

4.1.3 施工輔助措施調(diào)整

掌子面進(jìn)入YK92+500位置施作超前小管棚與原設(shè)計(jì)超前小導(dǎo)管共起超前加固作用，鋼管直徑為76 mm，長(zhǎng)度為9m/根，從起拱線位置開始環(huán)向布置間距為50 cm，縱向間距6 m；搭接長(zhǎng)度不小于3 m，外插角5°。注漿液選用水泥砂漿（水灰比W/C=0.5∶1，注漿壓力1～1.5 MPa），小管棚注漿固結(jié)圈厚度不得小于小管棚間距的0.7倍，如圖6所示。

圖6 超前小管棚圖

4.2 洞頂處置方案

右洞洞頂采用地表注漿方案，施作樁號(hào)為YK92+500—YK92+530，中間采用Φ76×6 mm鋼管，鋼管入土至開挖輪廓線；左右2側(cè)各3根鋼管為Φ108×6 mm鋼管，鋼管入土至開仰拱基礎(chǔ)底1 m；間距按1.5 m×1.5 m梅花形布置，鋼管注漿采用水泥漿液，水灰比為0.8∶1，注漿壓力1～1.5 MPa，開挖輪廓線6 m以外不設(shè)注漿孔，如圖7所示。

圖7 洞頂?shù)乇碜{平面圖

5 施工總結(jié)

不同施工方案效果對(duì)比見表3。在淺埋隧道施工中應(yīng)盡量少或不刷坡，超前支護(hù)后進(jìn)洞，盡量采用人工配合機(jī)械開挖，施工初期支護(hù)采用型鋼、錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴砼組合的支護(hù)方式。由于淺埋隧道覆蓋層很薄，隧道上方的巖土很難形成自承體系，而且圍巖早期壓力大，變形快，如果對(duì)隧道變形控制不當(dāng)，圍巖會(huì)很快松弛，產(chǎn)生張裂破壞，將導(dǎo)致直達(dá)地表面的塌陷。所以淺埋隧道開挖時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)圍巖變形的控制而不應(yīng)強(qiáng)調(diào)圍巖應(yīng)力的釋放，支護(hù)必須采用強(qiáng)度較高和剛度較大的初期支護(hù)，限制土體變形，以免破壞土體結(jié)構(gòu)。結(jié)合九峰隧道右洞洞口淺埋偏壓段軟弱圍巖施工，該工藝有利于保證施工質(zhì)量和安全，具有“安全、高效、節(jié)約、可靠”的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。并為今后類似和承接更為復(fù)雜環(huán)境條件下的隧道（城市地鐵、鄰近建筑物隧道等）工程施工提供技術(shù)保障；將推動(dòng)國(guó)內(nèi)隧道施工工法的升級(jí)換代，實(shí)現(xiàn)歷史性跨越，為全面推進(jìn)安全和諧社會(huì)建設(shè)作貢獻(xiàn)。

表3 不同施工方案效果對(duì)比表