小凈距偏壓平行公路軟巖隧道大變形成因分析及處治措施研究

趙勇 ZHAO Yong；周洋 ZHOU Yang；諶蛟 CHEN Jiao

（①云南賓南高速公路有限公司，大理 672100；②云南交投公路建設(shè)第一工程有限公司，昆明 650000；③云南通衢工程檢測有限公司，昆明 650000）

0 引言

小凈距隧道指并行的兩隧道間凈距較小、兩洞結(jié)構(gòu)彼此產(chǎn)生有害影響的隧道。當(dāng)高速公路穿越高原山區(qū)，因地形條件和土地保護等因素限制，往往無法完全設(shè)置彼此不產(chǎn)生有害影響的分離式隧道?！豆匪淼涝O(shè)計規(guī)范》（JTG D70-2004）[1]中關(guān)于并行兩隧道彼此不產(chǎn)生有害影響，需考慮隧道平面線型、圍巖地質(zhì)條件、斷面形狀和尺寸、施工方法等因素。目前測量技術(shù)不斷地完善和發(fā)展，也不乏隧道采取小凈距進洞，曲線逐步過渡到分離式，再小凈距出洞的情況?！豆匪淼涝O(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）[2]中增加了隧道洞口接線、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工期要求等因素，并對兩洞間凈距較04版規(guī)范Ⅴ級圍巖3.5倍開挖寬度放寬至0.8～2.0倍開挖寬度。劉鵬飛[3]提出：當(dāng)凈距為10～15米時，未出現(xiàn)塑性區(qū)域貫通現(xiàn)象，隧道周邊塑性區(qū)域基本在錨桿支護范圍之內(nèi)，隧道周邊塑性區(qū)域也大大減小。

偏壓隧道指圍巖壓力關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)中心面極不對稱的隧道。呂康成[4]提出：當(dāng)隧道軸線與地形等高線小角度相交或平行時，對于隧道工程來說便會出現(xiàn)地形偏壓。隧道偏壓問題實質(zhì)上是隧道工程與邊坡穩(wěn)定的相互影響問題。并將坡體內(nèi)有隧道的邊坡分為：順層邊坡、半軟邊坡、勻質(zhì)邊坡。關(guān)于隧道偏壓進洞已不乏研究，賈英凱[5]提出：由于先進洞埋深較深一側(cè)洞體即對地層造成較大擾動，后續(xù)再開挖埋深較淺一側(cè)洞體時，淺埋側(cè)受二次擾動易變形，形成較大范圍的剪切帶和塑性區(qū)，由此說明先進洞埋深較淺一側(cè)對圍巖穩(wěn)定性有利。徐前衛(wèi)[6]提出：對于淺埋偏壓隧道，掌子面內(nèi)圍巖的變形、初期支護的受力狀態(tài)具有非對稱性，靠近淺埋側(cè)圍巖的變形量小于深埋側(cè)圍巖的變形量且隨各開挖步的影響顯著，初期支護靠近深埋側(cè)拱肩承受較大壓應(yīng)力，而淺埋側(cè)拱腳則承受較大的拉應(yīng)力。

隧道軟巖大變形問題已屢見不鮮，易在隧道施工中出現(xiàn)初期支護侵限、仰拱縱向開裂甚至隆起、塌方等問題。有的軟巖如泥巖、泥質(zhì)砂巖更是有“遇風(fēng)成塊、遇水成泥”的特點，開挖掘進后封閉不及時，在與氧氣接觸后迅速崩解成塊，裂隙密集發(fā)育，當(dāng)?shù)叵滤秩牒筌浕?、泥化發(fā)生塑性流動，造成隧道施工成洞困難，極大影響施工進度和工程造價。

1 工程概況

某隧道按左、右線分離式設(shè)計。左線隧道里程樁號ZK89+170～ZK90+100，長930米，屬中隧道；右線隧道里程樁號K89+140～K90+143，長1003米，屬長隧道。設(shè)計進口凈距24.3米，出口17.8米，出口為小凈距。隧道區(qū)東側(cè)400米為紅河斷裂，走向與隧道走向平行，該斷裂形成于古生代以前，斷層運動具有多期性，第四紀(jì)時期活動性仍然很強，斷層活動方式以走向滑動為主。隧址區(qū)西側(cè)約800米為牛街斷裂，走向與隧道走向平行，該斷裂發(fā)育有50～200米寬的擠壓破碎帶，為一壓性構(gòu)造，不屬于全新世活動斷裂。原設(shè)計巖性為：上覆第四系全新世殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏二疊系上統(tǒng)泥質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)砂巖、砂巖和泥煤，見圖1。巖色主要有：黃褐、褐紅、青灰、灰綠、黑。地下水主要有：第四系松散巖類孔隙潛水、碎屑巖類基巖裂隙水。

圖1 隧道進口左幅地質(zhì)縱斷面圖

不良地質(zhì)有：①泥煤層；②崩塌位于距離隧道進口90米，基本無影響；③滑坡：K89+130左132米～K89+376左127米為H8號滑坡，離路線最近48米，對隧道基本無影響；④斷層：設(shè)計里程ZK89+395～ZK89+420（洞身段）/K89+395～K89+420（洞身段）寬度約25米，為F3斷層；ZK89+904～ZK90+014（洞身段）/K89+922～K90+032（洞身段）寬度約110米。

隧址區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬無嚴寒，夏無酷暑，氣候溫和，只有干季、雨季之別，總體偏干燥。

2 工程問題

該隧道于2021年4月29日開始左幅暗洞掘進，5月15日右幅暗洞掘進。6月27日左幅掌子面掘進至ZK89+266，右幅K89+207，先后行洞錯開59米，洞內(nèi)外觀察和監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)ZK89+246～+266段初期支護變形嚴重，最大侵限28.9厘米。因工期緊，左幅一邊換拱、一邊掘進，右幅同時掘進。

8月20日，左幅掌子面掘進至ZK89+314，右幅掌子面K89+302，先后行洞錯開12米，發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)初支表面滲水量增大，排查洞頂?shù)乇?，發(fā)現(xiàn)6條不規(guī)則裂縫，其中最大一處裂縫位于右洞右側(cè)約40米處，沿縱向發(fā)育，長度約195米，寬度30～80厘米。

8月21日對洞內(nèi)全面排查，發(fā)現(xiàn)左、右洞初支、二襯及仰拱段均有不規(guī)則裂縫，見圖2；洞頂?shù)乇肀O(jiān)測數(shù)據(jù)顯示單日最大沉降量407毫米，施工單位立即封閉掌子面，暫停施工。經(jīng)初期支護臨時加固、圍巖注漿加固、地表裂縫封閉后觀測，洞內(nèi)外均已穩(wěn)定。

圖2 某隧道仰拱縱向開裂圖

3 成因分析

3.1 地質(zhì)原因

原設(shè)計圖提供的主要巖性為泥質(zhì)砂巖、砂巖、泥煤，風(fēng)化程度主要為強風(fēng)化和中等風(fēng)化，主要存在的不良地質(zhì)為穿越F3、F4兩個斷層破碎帶。洞內(nèi)開挖主要巖性為泥巖和泥質(zhì)砂巖互層，全～強風(fēng)化，多不見層理，呈紅、黑、白三色，且部分位置為散體狀，可見明顯擠壓構(gòu)造痕跡，見圖3。結(jié)合原設(shè)計圖和地勘資料，進口段殘坡積風(fēng)化層厚，為典型的斷層破碎帶影響區(qū)。后期隧道貫通后，發(fā)現(xiàn)該隧道穿越的巖層均是此類巖體，進一步證明隧道并不是橫穿斷層破碎帶，而是縱向穿越斷層破碎帶及其影響區(qū)。此類散體狀圍巖無需爆破開挖，臨空后裂隙密集發(fā)育，迅速松散成碎石土狀，無自穩(wěn)能力，極易發(fā)生大變形。因掌子面并無地下水，呈潮濕狀，否則經(jīng)軟化后，產(chǎn)生塑性流動，會出現(xiàn)更大的災(zāi)害。

圖3 左幅ZK89+312掌子面地質(zhì)圖

在地形上，隧道左、右幅均不同程度地存在偏壓，雙幅埋深均較淺，介于10～51米之間，左幅開挖至ZK89+312實際是地表箐溝正下方，埋深僅38米。

3.2 氣候原因

經(jīng)統(tǒng)計，在隧道施工期間，6月共計下雨14天，7月下雨21天，隧道進口端植被較發(fā)育，且發(fā)育箐溝，地表水的下滲，增大了洞內(nèi)初期支護的圍巖壓力。地表開裂后，實際隧道拱部至地表裂隙已導(dǎo)通，地下水逐漸下滲，進一步軟化圍巖。

3.3 施工原因

①盲目搶工。因工期緊，在6月27日左幅初支出現(xiàn)大范圍侵限后，就應(yīng)立即停止施工，進行處治，待圍巖和支護結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定后，再針對此類特殊圍巖調(diào)整專項施工方案。但施工方左幅邊換拱、邊掘進，右幅同步掘進，左右洞的掌子面錯開間距從59米縮短至12米。相關(guān)文獻要求平行雙洞的掌子面縱向錯開距離一般應(yīng)為3～5倍洞徑，主要是考慮了雙洞之間的施工擾動，并且以先行洞作為地質(zhì)導(dǎo)洞，指導(dǎo)后行洞的施工。規(guī)范規(guī)定的軟巖隧道小凈距為2倍洞徑26米，進口段左、右幅凈距為27.3米，但相關(guān)文獻證明，此類極軟巖施工引起的周邊圍巖塑性區(qū)遠遠大于27.3米，此隧道平行施工的相互擾動因掌子面縱向錯開間距的縮小實際是增大了。②施工引起邊坡滑動。從此隧道左、右幅掌子面接近ZK89+320附近的箐溝，雙幅隧道及其中夾巖、左幅左側(cè)和右幅右側(cè)一定范圍的松散殘坡積邊坡產(chǎn)生了大范圍的擾動，原穩(wěn)定的斜坡產(chǎn)生了向隧道左側(cè)和隧道內(nèi)凈空滑移，表現(xiàn)為地表大范圍土體的開裂和洞內(nèi)初支侵限、二襯和仰拱開裂，見圖4。③支護閉環(huán)不及時不合理。進口段因圍巖條件差，專項施工方案中為三臺階七步開挖預(yù)留核心土法。從開挖來看，隧道左、右幅均存在一定程度的中臺階、下臺階馬口錯開間距過小的情況，比如右幅8月2日左側(cè)中臺階開挖樁號K89+269.15，右側(cè)中臺階開挖樁號K89+267.95僅錯開1.2米。開挖工序就一定程度地造成了臺階落底時較大的下沉，因是三臺階開挖，下沉就分為上臺階、中臺階、下臺階三個階段，形成了對圍巖的多次擾動，加之雙洞小凈距，擾動的圍巖范圍更大。從閉環(huán)來看，仰拱閉環(huán)周期最長的斷面左幅ZK89+250位置達33天，二襯閉環(huán)更是長達43天。在施工的案例中，不乏軟巖、膨脹巖仰拱閉環(huán)后仍不斷產(chǎn)生沉降和收斂的情況。一般軟巖隧道，要求仰拱閉環(huán)周期不大于14天。

圖4 隧道地表裂縫示意圖（灰線）

4 處治

處治主要分為三個階段。一是在發(fā)現(xiàn)險情后的臨時加固措施：封閉掌子面，改為由出口端掘進；初期支護表面增加I20a型鋼護拱，縱向間距1.2米，并設(shè)置間距1米的縱向連接筋；采用長4.5米的Φ42注漿花管，按100×60厘米梅花型布置注漿加固圍巖，見圖5；二襯采用初支相同的參數(shù)臨時加固，并觀測。二是變形穩(wěn)定后逐步拆除臨時支護，緩慢更換侵限的拱部和腰部初期支護；對出現(xiàn)開裂的仰拱，采用長6米的Φ108鋼花管，按100×60厘米梅花型布置注漿加固；二襯拱腳采用長9米的Φ108鋼花管，按縱向間距120厘米注漿加固；三是后續(xù)施工段落的支護參數(shù)由SF5a型加強為SF5f型，大幅提升了復(fù)合式襯砌的承載力。

5 處治效果

施工單位按照經(jīng)過專家論證的專項處治施工方案施工，并及時調(diào)整了出口掘進為主，進口處治完成并穩(wěn)定后再掘進的計劃，進口端順利穿越箐溝，左幅于2022年9月30日，右幅于7月17日貫通。后期監(jiān)測結(jié)果表明，隧道洞身和地標(biāo)邊坡未發(fā)生變形，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 總結(jié)

某隧道施工期遭遇的小凈距偏壓平行軟巖隧道大變形其成因相當(dāng)復(fù)雜，通過總結(jié)可得到幾點啟示：①高原山區(qū)高速公路隧道地質(zhì)條件極其復(fù)雜，在施工階段應(yīng)重視地質(zhì)工作，施工單位應(yīng)及時核查掌子面實際地質(zhì)和設(shè)計存在偏差的情況，及時根據(jù)現(xiàn)場實際制定專項施工方案，真正做到“動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工”。②在施組階段，施工單位應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場地形、地質(zhì)條件，保證小凈距平行雙洞掌子面的錯開距離，以充分發(fā)揮先行洞的地質(zhì)導(dǎo)洞效果和減少平行雙洞之間圍巖的擾動。一般軟巖隧道錯開5倍洞徑、硬巖隧道錯開3倍洞徑。③關(guān)于偏壓平行隧道，應(yīng)優(yōu)先掘進靠溝側(cè)，待埋深較淺支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，再掘進靠山側(cè)。④軟巖隧道應(yīng)注意防范大變形問題，在施工中主要原則為：減少擾動、及時封閉、加強支護?！靶聤W法”施工理念中柔性支護、充分利用圍巖自承能力在軟巖隧道中存在一定的局限，軟巖承載力低，變形大，柔性支護并不能有效限制圍巖大變形。⑤對于特殊隧道工程，不應(yīng)盲目搶工期，應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)等條件制定專項施組，才能保證施工和運營期結(jié)構(gòu)的安全。⑥徑向注漿和隧道基底注漿加固周邊圍巖是處理軟巖隧道大變形的有效措施。