山嶺隧道洞口軟弱段病害處治技術(shù)探討

龍雪峰,陳人豪

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

在山嶺隧道建設(shè)過(guò)程中,諸如軟弱段地基承載力不足、拱腳遇水軟化、初期支護(hù)沉降過(guò)大、洞內(nèi)排水不暢等一系列問(wèn)題給隧道洞口施工帶來(lái)了嚴(yán)重困擾[1-3]。廣西碎屑巖區(qū)分布廣泛,地層差異大,在這些地層中修建隧道,在隧道洞口段會(huì)經(jīng)常遇到上述問(wèn)題。隧道洞口段一般位于坡腳處,往往都會(huì)存在覆蓋層厚、地下水位高、地基承載力不足等問(wèn)題。若在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中處治不當(dāng),極易發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均勻、應(yīng)力集中等,進(jìn)而引發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂、失穩(wěn)[4-6]。因此,注重碎屑巖區(qū)隧道洞口段設(shè)計(jì)、保證施工質(zhì)量尤為關(guān)鍵。本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),分析了碎屑巖地區(qū)隧道洞口軟弱段地基承載力不足、排水不暢等對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,并提出了相應(yīng)的病害處治對(duì)策。

1 隧道洞口病害情況

某山嶺隧道設(shè)計(jì)為雙向四車道分離式中隧道,長(zhǎng)557 m。地質(zhì)勘察報(bào)告顯示,隧道進(jìn)口端洞口段從一中密狀碎石土層中穿過(guò),該碎石土層厚度為10～30 m,圍巖穩(wěn)定性極差,遇水易軟化,且地下水位位于設(shè)計(jì)高度以下約1.2 m。

2021年6月上旬,連續(xù)4～5 d強(qiáng)降雨過(guò)后,先后出現(xiàn)初期支護(hù)開裂、二次襯砌開裂、施工縫擴(kuò)大、地表開裂等病害。病害發(fā)生時(shí),右洞二次襯砌已施工完成,左洞已貫通但初期支護(hù)未封閉成環(huán)。其中,右洞二次襯砌多處出現(xiàn)縱向、環(huán)向裂縫,最大裂縫寬度為3 mm,仰拱施工縫被拉開約30 mm;左洞邊墻出現(xiàn)環(huán)向裂縫,最大約2 mm,部分噴射混凝土出現(xiàn)剝落情況。地表裂縫在開挖施工過(guò)程中以及強(qiáng)降雨后逐步形成,隨著時(shí)間的推移以及雨水的下滲裂縫逐漸擴(kuò)大。裂縫主要以縱向?yàn)橹?左右洞地表兩側(cè)均發(fā)育有數(shù)條裂縫,縫寬約2～200 mm。洞口邊仰坡坡頂發(fā)育有數(shù)條3～5 m長(zhǎng)裂縫,且左右洞鼻端土體被剪切推移,形成約5 m長(zhǎng)裂縫;明洞槽邊坡中部、坡腳等區(qū)域均出現(xiàn)了裂縫,臨時(shí)防護(hù)噴射混凝土開裂剝落。

2 成因分析

2.1 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)情況分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,原右洞初期支護(hù)施工過(guò)程中變形較大(拱頂下沉量為17.8～31.4 mm/d)段落與本次強(qiáng)降雨過(guò)后二次襯砌開裂段落基本一致;左洞于5～6月份初期出現(xiàn)支護(hù)施工拱頂沉降,約15.2～20.7 mm/d,均大大超過(guò)出了規(guī)范允許值。由此可見(jiàn),洞口碎石土層段隧道施工開挖沉降控制不當(dāng),未能控制拱腳沉降,初期支護(hù)封閉不及時(shí),造成山體松動(dòng)圈擴(kuò)大。

在連續(xù)多日強(qiáng)降雨影響下,洞頂山體飽水后荷載增大,雨水沿裂隙下滲軟化拱腳、仰拱底板基礎(chǔ),造成了初期支護(hù)拱腳、仰拱下沉,引起地表開裂后雨水沿裂縫入滲,進(jìn)一步弱化地基強(qiáng)度,加劇了洞口段的沉降問(wèn)題,繼而引發(fā)了洞內(nèi)二次襯砌、初期支護(hù)開裂,洞外地表開裂等一系列問(wèn)題。

2.2 數(shù)值分析

選取平面應(yīng)變數(shù)值模型,假定隧道洞身范圍內(nèi)圍巖均為碎石土,并考慮了不同程度雨水下滲弱化后受力變形情況[7-8]。采用飽和碎石土物理參數(shù)模擬圍巖弱化情況,共設(shè)置三種工況分析強(qiáng)降雨后二襯的變形和受力狀況:工況一:干燥碎石土;工況二:雨水下滲弱化拱頂圍巖;工況三:雨水下滲弱化拱頂、基底圍巖。數(shù)值模型見(jiàn)圖1。圖1中地層分為三層,第一層為拱頂巖層;第二層為基底巖層;第三層為不受影響的深層巖層。

圖1 淺埋碎石土段隧道數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

由圖2可知,在干燥狀態(tài)下,拱頂總下沉值為19.7 mm,拱頂滲水弱化后,拱頂總下沉值為28.5 mm,當(dāng)拱頂與基底均滲水弱化的情況下,拱頂總下沉值達(dá)到90 mm,基底弱化對(duì)于二襯開裂的影響最為明顯。這是由于在淺埋段圍巖荷載由全部上覆土層的自重引起,在滲水飽和后,土層重量增加有限,當(dāng)下部圍巖弱化時(shí),易引起整體沉降,同時(shí)導(dǎo)致頂部土體下沉范圍增加,進(jìn)而增加圍巖壓力,兩者結(jié)合導(dǎo)致頂部出現(xiàn)明顯沉降。

(a)工況一(干燥碎石土)

從圖3可以看出,碎石土層中二襯拱頂與基底受壓,兩側(cè)受拉,隨著圍巖條件變差,受力明顯變大。

(a)工況一(干燥碎石土)

從圖4可以看出,隨著隧道圍巖參數(shù)的減弱,隧道受到的剪力明顯大幅增大。

(a)工況一(干燥碎石土)

從圖5可以看出,在碎石土地層中,襯砌底部中心處受力較大,兩側(cè)受力相對(duì)較小,隨著隧道圍巖滲水弱化區(qū)域增加,隧道受到的彎矩明顯大幅增大。其中,當(dāng)基底處圍巖滲水弱化時(shí),彎矩增加明顯。

(a)工況一(干燥碎石土)

通過(guò)圖2～5分析可知,在已經(jīng)施作二襯的隧道中,基底圍巖滲水弱化對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)危害明顯,易引起襯砌變形、開裂。

3 處治技術(shù)

3.1 處治原則

通過(guò)對(duì)洞口軟弱段病害進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),控制支護(hù)沉降、及時(shí)封閉成環(huán)是主要措施,因此本隧道病害處治可以按以下原則進(jìn)行:

(1)注重防水、排水,洞外封閉裂縫,洞內(nèi)保持排水順暢。

(2)初支支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán),減少初支變形穩(wěn)定時(shí)間。

(3)加強(qiáng)鎖腳,控制初支支護(hù)沉降,減少松動(dòng)圈的形成。

(4)基底補(bǔ)強(qiáng)加固,提高地基承載力。

3.2 處治方案

根據(jù)前文處治原則,隧道處治方案在以上原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、施工組織等進(jìn)行調(diào)整,在保證質(zhì)量、安全、耐久的前提下做到經(jīng)濟(jì)合理。經(jīng)專家評(píng)審后,本隧道的處治方案如下:

(1)對(duì)地表裂縫進(jìn)行大范圍巡查,對(duì)裂縫灌漿封閉隔水,并完善洞頂截排水設(shè)施,保證順暢排水;對(duì)右洞施工縫進(jìn)行封堵,減少洞內(nèi)排水下滲軟化基底。

(2)暫停左洞掌子面開挖,及時(shí)施工下臺(tái)階、仰拱,縮短初支封閉成環(huán)時(shí)間,同時(shí)對(duì)沉降控制不利段落增加φ108 mm鋼管大鎖腳,增設(shè)臨時(shí)仰拱、臨時(shí)支撐等輔助措施,控制沉降變形。

(3)洞口鼻端增加反壓,對(duì)洞門墻基底采取鋼管樁加強(qiáng)處理,洞門墻配筋,兩側(cè)拱腳增設(shè)雙排鎖腳鋼管,來(lái)解決山體持續(xù)縱向變形。如圖6所示。

圖6 洞門墻基底鋼管樁加固設(shè)計(jì)圖(cm)

(4)結(jié)合補(bǔ)勘成果、現(xiàn)場(chǎng)地基承載力檢測(cè)成果,對(duì)左右洞基底為碎石土層的段落采取鋼管樁補(bǔ)強(qiáng)加固,提高地基承載力。如圖7所示。

圖7 暗洞基底鋼管樁加固設(shè)計(jì)圖

(5)針對(duì)右洞部分二襯開裂問(wèn)題,結(jié)合檢測(cè)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行處治,若開裂二襯拱圈已經(jīng)損傷嚴(yán)重,要進(jìn)行二襯全更換。若拱圈完好,可在已征地范圍內(nèi)適當(dāng)減載后進(jìn)行已開裂段加深仰拱的仰拱托換和基礎(chǔ)處理。

3.3 處治注意事項(xiàng)

針對(duì)該段落的病害處治,由于圍巖飽水、豎向荷載大,支護(hù)一直處在緩慢變形的狀態(tài)下,因此在進(jìn)行處治施工時(shí)要注意以下幾點(diǎn):

(1)基底鋼管樁施工應(yīng)分區(qū)實(shí)施,縱向分區(qū)長(zhǎng)度>4 m,橫向分區(qū)寬度以半幅洞寬為宜;對(duì)施工角度、樁位位置等進(jìn)行復(fù)查;鋼管樁鉆孔、灌漿等應(yīng)施作臨時(shí)橫撐,加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、制定應(yīng)急預(yù)案等。

(2)隧道地基加固施工方案應(yīng)綜合考慮施工機(jī)械、材料、人員等,采取合適的施工順序,不得采取大開大挖的做法,盡量控制洞內(nèi)人員數(shù)量。

(3)左右洞應(yīng)分批施工,拉開施工距離,減少相互影響,保證施工安全。

4 結(jié)語(yǔ)

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)到數(shù)值計(jì)算均表明洞口軟弱段需采用控制變形的施工技術(shù),支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán),控制施工進(jìn)尺、施工步距,杜絕通過(guò)擴(kuò)大預(yù)留變形量來(lái)保證支護(hù)結(jié)構(gòu)不侵限的做法。對(duì)于軟弱圍巖,特別是遇水軟化的巖層要注意排水,及時(shí)施工排水溝槽,及時(shí)封閉避免雨水下滲軟化圍巖;基底承載力不足時(shí),可通過(guò)混凝土換填、微型樁處理、攪拌樁等措施進(jìn)行基底補(bǔ)強(qiáng)。同時(shí),施工期間應(yīng)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),調(diào)整相應(yīng)的施工方案、支護(hù)結(jié)構(gòu)等,保證施工質(zhì)量、安全。