隧道淺埋段處置方案及安全要點分析

伍榮池

摘要：文章以位于武忻高速良塘3號隧道洞身淺埋區(qū)的沖溝段為案例工程，首先結合實際工程地質及地形條件，分析得出該沖溝段存在突水、突泥、崩塌、沉降等風險，并基于安全風險提出了相應的沖溝段施工處置方案。其次通過FLAC3D軟件，建立隧道沖溝段有限元模型，經過分析得出：隧道開挖后的圍巖變形規(guī)律；隧道圍巖穩(wěn)定性的綜合辨別依據(jù)；設計極限位移值及3個管理等級。最后根據(jù)模擬計算及現(xiàn)場實際工況，提出并采取了沖溝段施工安全技術措施，安全平穩(wěn)地度過了此沖溝段施工期。該處置方案及工藝可為類似沖溝下淺埋隧道施工提供有益借鑒。

關鍵詞：隧道沖溝；綜合處置措施；超前地質預報和監(jiān)控量測；安全預警制度

中圖分類號：U455.1? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0063-04

0 引言

巖溶地貌在我國西南地區(qū)分布廣泛，隨著國家經濟的飛速發(fā)展，下穿巖溶發(fā)育、特殊地質地貌的隧道數(shù)量激增，導致隧道工程施工中面臨的巖溶地質災害概率大大提高。隧道施工過程中，常遇到突泥涌水、巖溶坍塌等突發(fā)性事故，造成人員傷亡、財產損失的不良后果，也嚴重影響了隧道施工、營運的安全［1-3］。

根據(jù)路線要求，部分隧道處在淺埋、沖溝位置，地質結構較為松散，自穩(wěn)定較差，隧道掘進時極易出現(xiàn)坍塌、冒頂。為盡可能地降低隧道施工的風險、確保工程按期完成、保障隧道施工及營運安全，沖溝段進行超前地質預報、洞周隱伏巖溶的探測，輔助隧道安全預警工作顯得十分重要。已有眾多學者分別采用超前地質預報、數(shù)值模擬、新型支護方法等手段對此類問題進行了研究［4-7］。

隧道洞身淺埋區(qū)的沖溝段施工過程中通常存在較大的風險，本文以武忻高速良塘3號隧道為依托，通過沖溝段實際地質工況進行分析，提出詳細的處置方案，并利用FLAC3D有限元軟件進行數(shù)值分析，總結沖溝段施工主要安全技術措施成套技術，可為本工程的安全施工提供技術指導，為施工方案優(yōu)化提供理論依據(jù)，保證施工進度，提高工程施工的經濟性和安全性，為同類工程的設計與施工提供有益參考。

1 工程概況

武忻高速公路起點位于武宣縣二塘鎮(zhèn)渠盞村附近，接柳武高速公路，整體由東向西，終點位于忻城縣古蓬鎮(zhèn)板桑屯附近，接宜上高速公路（規(guī)劃）；其中，良塘3號隧道位于來賓市興賓區(qū)來國鎮(zhèn)境內。設計隧道為分離式隧道，左線起止里程為ZK69+442～ZK69+955.5，長度為513.5 m，右線起止里程為YK69+435～YK69+960，長度為525 m。

良塘3號隧道縱斷面中間處于沖溝段，中心樁號為K69+740，隧道沖溝段范圍為YK69+660～YK69+800（ZK69+660～ZK69+800）。該路段為隧道洞身淺埋區(qū)，隧道穿越段巖性主要為角礫土、局部為中風化灰?guī)r。角礫土厚度大，鉆孔揭露最大厚度約20 m，為殘坡積層，結構松散，自穩(wěn)定性較差，圍巖等級為V級，自穩(wěn)定性極差，隧道掘進時極易出現(xiàn)坍塌、冒頂，因此應加強超前支護。研究區(qū)內地下水的種類，主要為第四系松散巖類孔隙水和碳酸鹽類巖溶水兩大類。隧道位于地下水位以上，雨季時出水狀態(tài)為涌流狀。隧道沖溝處，距離設計高程埋深僅有8 m，離隧道左線冒頂1 m，右線拱頂開挖線埋深僅有1 m。前第四紀地層主要為二疊系下統(tǒng)棲霞階（P1q）灰?guī)r、白云巖等。根據(jù)地質調查及鉆探，隧址區(qū)基巖為硬質巖，巖質較硬，巖體破碎-較完整。第四紀地層主要為殘坡積角礫土、黏土，一般較薄， 為1～2 m，陡坡處覆蓋層缺失，可見基巖裸露。

2 沖溝段施工安全風險

良塘3號隧道沖溝段施工存在較大風險，在施工過程中，雖然采取了各種措施，但是也發(fā)生過突泥現(xiàn)象。ZK69+694～ZK69+784、YK69+686～YK69+767 段以強風化灰?guī)r、角礫土為主，灰?guī)r中厚層，巖質較堅硬-軟，巖體較破碎-破碎，本段多次遇到土巖交界帶，為巖溶強發(fā)育段，掌子面突泥、涌水坍塌可能性中-高度，圍巖分級為V級，地質災害等級為B級，有發(fā)生小-中型突水、突泥、崩塌的風險。本段存在土巖交界面，隧道存在不均勻沉降的風險。

3 處置方案

采用如下施工工藝流程：清表→截水溝施工→回填水泥土→澆筑30 cm厚的C25鋼筋混凝土→回填黏土→雙層小導管注漿加固圍巖→洞身開挖→初期支護→仰拱與鋪底→二次襯砌，具體如下所述。

（1）清表。清除地表垃圾、有機物殘渣及原地面以下至少30 cm內的草皮、農作物的根系和表土，并進行臺階開挖。清表完成后進行壓實處置，使壓實度不小于90%。

（2）截水溝施工。清表完成后，K69+700～780段應按要求進行截水溝施工，使地表排水順暢。溝槽開挖以機械開挖為主，輔以人工修整。機械開挖至距設計標高10 cm以上時，改用人工修整至設計標高，開挖做好超欠挖控制。溝槽開挖土方運出場外，禁止堆放在水溝外側。

（3）回填水泥土。排水施工完成后，應對隧道埋深不足5 m的地方回填水泥土。水泥土可采用水灰比為0.5的水泥漿與黏土混合，水泥漿含量不小于10%，水泥土材料應集中于隧道K69+740沖溝段附近進行集中拌和生產，采用機械輔以人工的方式進行拌和。

（4）澆筑30 cm厚的C25混凝土（如圖1所示）。水泥土填筑施工完成后，應按設計要求進行地表硬化，硬化的范圍應不小于水泥土填筑施工范圍50 cm。硬化需鋪設20 cm×20 cm、φ8 mm的鋼筋網(wǎng)，由鋼筋加工場按圖紙要求下料，嚴格按規(guī)范要求進行焊接、綁扎，安裝時做到尺寸準確?；炷翉姸缺仨毞蠄D紙要求，即C25。澆筑分層厚度為30 cm，采用插入式振搗器振搗密實，插入式振搗器應快插慢拔，均勻振搗，直到混凝土表面不浮漿、無氣泡，不下沉為止。

（5）回填黏土。地表硬化完成后，應回填30 cm厚的黏土，采用機械分層進行黏土的攤平、碾壓，回填范圍即混凝土硬化范圍，再采用人工撒播草籽并栽種灌木的方式進行防護，人工再覆30 cm厚的種植土，然后撒播草籽（糖密草和狗尾巴草），每1 000 m2撒播80 kg草籽。撒播完草籽后安排專人進行灑水養(yǎng)護。

（6）雙層小導管注漿加固圍巖。雙層小導管超前支護適用樁號為ZK69+660～ZK69+800（YK69+660～YK69+800）。采用φ42 mm×4 mm雙層小導管進行預加固處理。

（7）洞身開挖。隧道施工至K69+660-K69+800時，施工方法改用環(huán)形開挖預留核心土法，施工至冒頂位置前20 m即K69+720時，需停止施工，待地表處理完成后，再進行正常隧道開挖施工（如圖2所示）。

4 安全預警和安全要點分析

4.1 超前地質預報預警

在巖溶不良地質條件下，隧道施工風險極高。受圍巖完整性及結構面特性等影響，可能出現(xiàn)明顯的差異變形，影響洞身圍巖整體穩(wěn)定性，甚至引發(fā)冒頂、涌水突泥、大變形等不良地質災害。本節(jié)以實際模型計算作為標準，研究隧道開挖后圍巖變形特征影響，以此提出隧道開挖變形極限位移值。本次計算模型以隧道里程ZK69+698～ZK69+770段為背景，通過FLAC3D有限差分軟件，分析隧道開挖后圍巖變形規(guī)律。計算物理力學參數(shù)見表1。

計算結果如圖3～圖5所示，以ZK69+720斷面為例，隧道開挖后，X方向（橫向）位移在0～0.04 m，而Y方向（豎向）下沉位移在0～0.16 m。根據(jù)在隧道洞頂布設的3個監(jiān)測點的監(jiān)測曲線可知，開挖初期變形較小，而隨著開挖的逐步進行，洞頂下沉位移快速增加，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

隧道圍巖穩(wěn)定性的綜合辨別如下。①根據(jù)位移速率判斷：速率大于1 mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，此時應加強初期支護；速率變化在0.2～1.0 mm/d時，應加強觀測，做好加固的準備；速率小于0.2 mm/d時，圍巖達到基本穩(wěn)定的狀態(tài)。在巖溶裂隙發(fā)育段、軟弱破碎帶、大變形地段等不良地質中，應根據(jù)實際情況制定圍巖穩(wěn)定性標準。②根據(jù)位移速率變化趨勢判斷：當圍巖位移速率變化減小時，變形趨于穩(wěn)定，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；當圍巖位移速率變化保持不變時，圍巖處于持續(xù)變形狀態(tài)，應增強支護參數(shù)；當圍巖位移速率增大時，變形加劇，圍巖有失穩(wěn)可能，應立即停止施工，封閉掌子面。

由計算結果可知，設計極限位移值為300 mm。根據(jù)圍巖位移速率控制基準，分為3個管理等級，各等級安全性評價分析見表2。

良塘3號隧道地質預報發(fā)出預警4次，其中左洞2次、右洞2次，發(fā)出預警的原因基本為前方圍巖發(fā)生變化，遇到土巖交界面或前方物探異常推測為巖溶發(fā)育區(qū)。良塘3號隧道監(jiān)控量測發(fā)出預警38次，其中左洞20次、右洞18次，發(fā)出預警的原因基本為監(jiān)測位移速率加快，超過預警值或出現(xiàn)小規(guī)模坍塌，左洞在ZK69+698～ZK69+770段的位移沉降速率大，多次超過預警值，最大位移速率發(fā)生在ZK69+706斷面（2022-09-02，24.5 mm/d），最大累計位移發(fā)生在ZK69+706斷面，累計值為140.7 mm，左洞監(jiān)測斷面均未超過設計預留變形值（150 mm）。右洞在YK69+689～YK69+763段的位移沉降速率大，多次超過預警值，最大位移速率發(fā)生在YK69+756斷面（2022-12-06，45.5 mm/d），最大累計位移發(fā)生在YK69+726斷面，累計值為256.8 mm，右洞監(jiān)測斷面在YK69+716～YK69+800段多個監(jiān)測斷面超過設計預留變形值（150 mm）。對良塘3號淺埋段監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，該段圍巖自穩(wěn)能力差，一旦開挖擾動，變形速率馬上加快，最大可達45 mm/d，但隧道為整體變形下沉，因此一般洞內未出現(xiàn)較大裂縫，地表裂縫變化明顯。掌子面停止掘進，仰拱跟進閉環(huán)后，變形速率會降低，2～3 d后變形速率可降低至預警值以下。

4.2 沖溝段施工主要安全技術措施

（1）施工前應對勘察設計單位所提供的工程地質勘查報告及設計圖紙進行會審，詳細了解隧址工程地質情況，認真編制和實施施工組織設計。加強監(jiān)控量測，地質雷達超前地質預報和TSP地震波超前地質預報等多種物探手段要結合項目部探明的地質情況，同時采用超前鉆，進一步確保地質預報準確。

（2）遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”原則，確保施工安全。

（3）隧道開挖爆破應嚴格按照鉆爆設計組織施工，當?shù)刭|情況發(fā)生較大變化時，要及時調整爆破設計。施工至圍巖自穩(wěn)能力較差的軟弱破碎帶、淺埋軟巖和涌水地段時，為保證洞體穩(wěn)定，項目部采用雙層小導管注漿加固圍巖、地表預加固地層及設置截水溝排水等綜合措施。

（4）隧道采用錨噴支護施工。爆破后，如果開挖工作面存在坍塌風險，為確保安全，應盡早初噴混凝土實施封閉。當圍巖自穩(wěn)性很差，開挖輪廓面難以成形時，應及時施工超前支護，安裝鋼拱架及系統(tǒng)錨桿，保證初期支護的穩(wěn)定性。

（5）對于軟弱破碎帶等圍巖自穩(wěn)能力極差的不良地質地段，施工時開挖輪廓面難以成形，可采用注水泥漿液固結周邊圍巖，提高其自穩(wěn)能力，注漿漿液的濃度應由稀到濃，注漿壓力由低到高，逐級變換。

（6）不良地質隧道襯砌，當基底承載力不滿足設計要求時，應進行地基處理，保證基底承載能力。仰拱施工時，應在隧底開挖完成后抓緊閉環(huán)，或在滿足施工條件的情況下及時施工仰拱，改善整個初支受力體系；為提高混凝土的早期承壓能力，可提高拱墻混凝土標號或采用早強水泥，提高襯砌的早期承載能力。

（7）選擇旱季施工。良塘3號隧道沖溝開挖，控制水因素的影響，是確保隧道開挖安全的重要措施。地表通過截水溝、回填水泥土及進行地表硬化等多措施，減小地表水對施工項目的影響。2022年下半年，氣候干燥，降雨偏少，給順利通過沖溝創(chuàng)造了有利條件。

（8）項目施工時，邀請有經驗的專家給予質量把關非常重要。項目部要動態(tài)了解現(xiàn)場施工情況，結合專家意見，科學地調整施工方案。

（9）探明掌子面前方地質情況，迅速啟動預警體系，采取必要措施，確保人員和財產安全。統(tǒng)計監(jiān)控量測和超前地質預報預警數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，預警系統(tǒng)有效地指導了施工，確保了施工安全。

5 結語

針對武忻高速良塘3號隧道洞身淺埋區(qū)的沖溝段存在突泥等風險，通過FLAC3D軟件建立有限元模型，并結合現(xiàn)場實際工況，提出以下處置措施。

（1）施工工藝流程：清表→截水溝施工→回填水泥土→澆筑30 cm厚的C25鋼筋混凝土→回填黏土→雙層小導管注漿加固圍巖→洞身開挖→初期支護→仰拱與鋪底→二次襯砌。

（2）隧道開挖后圍巖變形規(guī)律：隧道開挖初期變形較小，而隨著開挖的逐級進行，洞頂下沉位移快速增加，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）隧道圍巖穩(wěn)定性的綜合辨別依據(jù)：①位移速率大于1 mm/d時，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應加強初期支護；位移速率為0.2～1.0 mm/d時，應加強觀測，做好加固的準備；位移速率小于0.2 mm/d時，圍巖達到基本穩(wěn)定。②當圍巖位移速率變化減小時，變形趨于穩(wěn)定，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；當圍巖位移速率變化保持不變時，圍巖處于持續(xù)變形狀態(tài)，應增強支護參數(shù)；當圍巖位移速率增大時，變形加劇，圍巖有失穩(wěn)可能，應立即停止施工，封閉掌子面。

（4）確定設計極限位移值為300 mm，當管理位移值低于100 mm時，管理等級為Ⅲ級，可正常施工；當管理位移值大于等于100 mm且小于200 mm時，管理等級為Ⅱ級，應加強支護；當管理位移值大于200 mm時，管理等級為Ⅰ級，應采取特殊措施。

（5）提出沖溝段施工可行性較高的安全技術措施。

6 參考文獻

［1］李勇良.云桂客專營盤山隧道穿越巨型溶洞處治技術研究［J］.鐵道建筑技術，2016（2）：57-60，74.

［2］伍軍.大跨度隧道施工與圍巖加固淺析［J］.山西建筑，2008，11（87）：258-263.

［3］石效民，鄧洪亮，張宇華，等.淺埋偏壓隧道施工過程圍巖應力變化規(guī)律研究［J］.施工技術，2001，40（3）： 57-60.

［4］崔芳，高永濤，吳順川.基于地質雷達的隧道掌子面前方地質預報研究［J］.中國礦業(yè)，2011，20（3）：115-118.

［5］王濤，陳曉玲，楊建.基于3DGIS和3DEC的地下洞室圍巖穩(wěn)定性研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（19）：3476-3481.

［6］莫陽春，周曉軍.巖溶隧道施工圍巖變形動態(tài)監(jiān)測與仿真分析［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（S2）：3816-3821.

［7］李昊，佴磊，徐燕，等.淺埋偏壓隧道初期支護參數(shù)影響分析及優(yōu)化設計建議［J］.路基工程，2017（1）：73-77.