某小凈距隧道堆積體進(jìn)洞段仰坡開(kāi)裂分析與處治研究

摘要：文章通過(guò)對(duì)某隧道堆積體進(jìn)洞段仰坡開(kāi)裂進(jìn)行分析，提出處治應(yīng)對(duì)措施。對(duì)臨近堆積體隧道施工，進(jìn)洞開(kāi)挖需要爆破開(kāi)挖時(shí)，宜盡量采用松動(dòng)爆破，并且控制分段藥量；進(jìn)洞過(guò)程中宜盡量避開(kāi)雨期，避免堆積體受大氣降雨入滲坡體，坡體弱化疊加爆破振動(dòng)雙重作用引起仰坡滑移開(kāi)裂。地表監(jiān)測(cè)表明：采用超前大管棚增設(shè)超前小導(dǎo)管的方法在堆積體淺埋段可以取得良好的控制地表變形效果。

關(guān)鍵詞：開(kāi)挖變形；變形控制；堆積體

U457.+3A250793

0 引言

小凈距隧道在開(kāi)挖過(guò)程中表現(xiàn)出復(fù)雜多變時(shí)空變形與應(yīng)力調(diào)整，易引發(fā)生支護(hù)開(kāi)裂、塌方、冒頂?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)事故，諸多學(xué)者對(duì)小凈距隧道施工方案優(yōu)化進(jìn)行了研究。秦玉賓［1］采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬對(duì)淺埋偏壓小凈距隧道寶豐隧道采用原CD法施工方案出現(xiàn)的異常監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，并綜合分析其變形和開(kāi)裂原因，在此基礎(chǔ)上提出了三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工方案。杜立兵等［2］為分析小凈距交叉隧道臺(tái)階法施工過(guò)程中新建隧道和既有隧道的襯砌安全性，基于斷裂力學(xué)的Griffith準(zhǔn)則，提出了判定襯砌開(kāi)裂的開(kāi)裂安全系數(shù)CF，并依托實(shí)際工程采用有限元軟件分析交叉隧道的襯砌安全性。蔣宗鑫等［3］以竹山隧道為例，利用壓力盒測(cè)試得到初期支護(hù)和二次襯砌所承擔(dān)的圍巖壓力數(shù)據(jù)。馮義［4］采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，針對(duì)低跨比的雙洞八車道隧道，研究了不同凈距隧道近接時(shí)的襯砌內(nèi)力、洞周位移、接觸壓力。劉曉飛等［5］為確保崇愛(ài)高速公路觀音山隧道施工安全，對(duì)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖采用數(shù)值模擬方法分析了軟弱破碎圍巖小凈距隧道開(kāi)挖間距與支護(hù)方案。戴俊等［6］為確定某小凈距隧道適宜的開(kāi)挖方法，利用有限元軟件對(duì)全斷面法、臺(tái)階法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行模擬，分析不同開(kāi)挖方法引起的圍巖應(yīng)力，并對(duì)不同的開(kāi)挖方法引起先行洞圍巖及中夾巖柱的受力變化進(jìn)行研究。李忠等［7］為分析淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道在開(kāi)挖后底部隆起變形的圍巖壓力情況，利用極限分析上限法構(gòu)建隧道破壞模式，推導(dǎo)了M-C準(zhǔn)則下圍巖壓力計(jì)算式。陳平［8］以鄭家塔隧道與瓦塘2#隧道鄰近施工為研究對(duì)象，論證小凈距隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的合理性。郭立軍［9］結(jié)合湖南省張家界市吳家邊隧道工程實(shí)例，對(duì)隧道不同凈跨的雙線隧道施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值分析。本文通過(guò)對(duì)某小凈距隧道堆積體進(jìn)洞段后行洞的仰坡開(kāi)裂機(jī)制進(jìn)行分析，并提出應(yīng)對(duì)處治措施，以期為類似地質(zhì)條件的隧道施工提供參考。

1 工程背景

圖1所示為某高速公路分離式隧道出口端洞門(mén)立面設(shè)計(jì)圖。該分離式隧道在左洞里程ZK22+528～ZK22+400段，右洞YK22+532～YK22+410段，設(shè)計(jì)凈間距為13.8～15 m，為小凈距段。此外，設(shè)計(jì)標(biāo)高在左洞進(jìn)口端標(biāo)高為786.468 m，出口端標(biāo)高為801.477 m，縱坡坡率為2.3%；右洞進(jìn)口端標(biāo)高為786.636 m，在出口端標(biāo)高為804.753 m，縱坡坡率為2.8%。左右洞在出口端洞門(mén)處標(biāo)高相差3.3 m。在標(biāo)高方向上，左洞里程ZK22+528～ZK22+400段，右洞YK22+532～YK22+410段還為高低錯(cuò)幅隧道。該里程段落內(nèi)的設(shè)計(jì)頂板埋深為0～68 m，洞身圍巖為可塑粉質(zhì)狀黏土及強(qiáng)至中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r，巖石軟硬相間，下伏中風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，巖體極破碎～破碎，呈松散結(jié)構(gòu)。隧道進(jìn)洞段設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)均為Ⅴ級(jí)，左、右洞均分別采用28 m大管棚，管棚采用108 mm×6 mm無(wú)縫鋼管，環(huán)向間距為40 cm，仰角為1°～3°。設(shè)計(jì)支護(hù)等級(jí)為SX-Ⅴa。SX-Ⅴa設(shè)計(jì)初期支護(hù)為60 cm間距Ⅰ20工字鋼，26 cm掛網(wǎng)C20噴射混凝土，縱環(huán)間距為60 cm×120 cm的42 mm×4 mm注漿花管，二次襯砌50 cm厚C30鋼筋鋼混凝土。洞門(mén)設(shè)計(jì)采用削竹式洞門(mén)，隧道開(kāi)挖斷面凈寬為12.86 m，斷面開(kāi)挖面積約為107.6 m2。見(jiàn)圖1。

由于進(jìn)洞條件限制，隧道從出口端進(jìn)行進(jìn)洞施工。在進(jìn)行場(chǎng)地平整后，由于受出口端洞口場(chǎng)地限制，隧道施工以右洞作為先行洞，左洞作為后行洞開(kāi)挖掘進(jìn)。右洞進(jìn)洞30 m后，左洞開(kāi)始進(jìn)洞，在開(kāi)挖6 m后拱頂與右洞間隔巖墻之間出現(xiàn)了開(kāi)裂，左洞區(qū)域的仰坡位置發(fā)現(xiàn)地表開(kāi)裂。

2 開(kāi)裂機(jī)制分析

先行洞右洞開(kāi)挖至YK22+522處時(shí)，掌子面揭露圍巖為半巖半土，其中掌子面右側(cè)主要為褐黃色軟塑狀粉質(zhì)黏土，成分以黏粒為主，其次為粉粒，偶夾3～10 cm灰?guī)r碎石與強(qiáng)風(fēng)化泥巖碎塊；掌子面左側(cè)為淺灰色薄層水平狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r，巖質(zhì)軟～較軟，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體整體破碎，掌子面潮濕；圍巖自穩(wěn)能力差，無(wú)支護(hù)時(shí)拱頂易掉塊、坍塌。后行洞左洞進(jìn)洞采用三臺(tái)階預(yù)留核心土機(jī)械逐榀開(kāi)挖支護(hù)，掌子面開(kāi)挖至ZK22+518處時(shí)，掌子面揭示主要為粉質(zhì)黏土，成軟塑狀，成分以黏粒為主，其次為粉粒，偶夾3～10 cm灰?guī)r碎石與強(qiáng)風(fēng)化泥巖碎塊。后行洞左洞開(kāi)挖過(guò)程中遭遇中小降雨天氣，上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖至ZK22+514處時(shí)，地表巡查發(fā)現(xiàn)左洞仰坡出現(xiàn)兩道主裂縫，裂縫展布如圖2所示。其中，后緣裂縫在仰坡整體呈半回型狀，裂縫張開(kāi)度為3～18 mm；另一主裂縫分布基本與隧道軸向垂直，為錯(cuò)臺(tái)型裂縫，錯(cuò)臺(tái)2～3 mm，張開(kāi)度為1～3 mm。

根據(jù)左、右洞揭示的圍巖情況，可知隧道下伏的巖層產(chǎn)狀主要為水平薄層狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r，巖質(zhì)軟～較軟。從左、右洞掌子面揭示圍巖情況結(jié)合左洞地質(zhì)雷達(dá)回波圖（詳見(jiàn)圖3），掌子面前方20 m范圍內(nèi)電磁波反射波形較雜亂，局部振幅較高，能量團(tuán)分布不均勻，同相軸連續(xù)性較差，時(shí)斷時(shí)續(xù)。結(jié)合該段地形以及地表補(bǔ)充踏勘情況，推測(cè)左洞進(jìn)洞段處于堆積體區(qū)域，該堆積體為小型堆積體，分布于左洞里程ZK22+518～ZK22+498段內(nèi)，堆積體深度為8～12 m。堆積體推測(cè)周界如圖2所示。

根據(jù)薩道夫斯基爆破振動(dòng)方程，取單段藥量分別為10 kg、15 kg、20 kg、25 kg、30 kg、35 kg（K=300，α=2.0），右洞掌子面從YK22+522處至YK22+492處開(kāi)挖爆破過(guò)程中爆破振動(dòng)曲線如圖4所示。即使分段藥量在10 kg時(shí)，對(duì)仰坡的爆破振動(dòng)在推進(jìn)至YK22+492處時(shí)，仍達(dá)到0.98 cm/s，隧道掌子面爆破孔深為1.5～2.5 m，屬于淺孔爆破，其振動(dòng)頻率在40～100 Hz。參考規(guī)范［10］，對(duì)土窯洞振動(dòng)加速安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為0.9～1.5 cm/s，而實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程分段藥量高達(dá)30 kg，對(duì)仰坡爆破振動(dòng)速度根據(jù)薩道夫斯基爆破振動(dòng)方程，右洞振動(dòng)速度從YK22+515處向YK22+492處推進(jìn)過(guò)程中為4.252～2.038 cm/s，遠(yuǎn)大于對(duì)土窯洞振動(dòng)加速安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。此外，堆積體開(kāi)裂時(shí)還受大氣降雨入滲坡體，坡體弱化疊加爆破振動(dòng)雙重作用下更易引起仰坡滑移，并產(chǎn)生地表開(kāi)裂。

因此，推測(cè)左洞仰坡發(fā)生開(kāi)裂的原因主要為仰坡所處的地質(zhì)巖體為堆積體，巖體的自穩(wěn)定性較差；先行洞右洞的爆破開(kāi)挖對(duì)臨近的仰坡堆積體造成振動(dòng)損傷并累積，進(jìn)一步弱化了仰坡堆積體的自穩(wěn)定性；小凈距的后行洞左洞開(kāi)挖擾動(dòng)，且其處在較低標(biāo)高，進(jìn)一步放大了圍巖開(kāi)挖擾動(dòng)的影響；外加地表大氣降雨的疊加，仰坡堆積體往隧道大里程方向發(fā)生滑移變形，最終引起左洞仰坡的堆積體滑移開(kāi)裂。

3 處治措施與設(shè)計(jì)調(diào)整

（1）立即停止左、右洞掌子面開(kāi)挖，并及時(shí)封閉裂縫。

（2）在左洞仰坡布置2 m深鉆孔埋鋼化管排除堆積體地下水，間排距為3 m，梅花狀布置，防止雨水或大氣降雨下滲惡化仰坡圍巖。

（3）為防止開(kāi)挖過(guò)程中拱部出現(xiàn)垮塌，保證邊仰坡的穩(wěn)定性，在ZK22+516～ZK22+495段管棚中間增設(shè)42 mm×4 mm超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管長(zhǎng)L=4.5 m，環(huán)向間距為0.35 m，縱向間距為1.2 m，設(shè)置區(qū)域?yàn)榻衣秴^(qū)域?yàn)槎逊e體上半拱130°區(qū)域。

（4）為保證邊仰坡的穩(wěn)定，隧道洞門(mén)型式由設(shè)計(jì)的直削式洞門(mén)調(diào)整為端墻式，左、右洞明洞長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)10 m調(diào)整為8 m。

（5）隧道為分離式隧道，左、右幅隧道凈距較小，隧道進(jìn)洞段左、右福開(kāi)挖擾動(dòng)相互影響較大。此外，左幅隧道設(shè)計(jì)高程比發(fā)幅隧道設(shè)計(jì)高程最大處低3.3 m左右，隧道施工中先施工標(biāo)高較低側(cè)的隧道（即左洞），再施工標(biāo)高較高側(cè)的隧道（右洞）。

（6）施工過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注圍巖變化情況并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，有異常及時(shí)通知各方到現(xiàn)場(chǎng)處理。

采取前述措施后，左洞開(kāi)挖掘進(jìn)堆積體仰坡未再出現(xiàn)新的地表裂縫，布置左洞仰坡沉降觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線如圖5所示，地表沉降監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)顯著沉降變形，封閉裂隙未發(fā)生明顯張開(kāi)。此外，地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用管棚加小間距的超前小導(dǎo)管在堆積體隧道淺埋段可以取得良好的地表變形控制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)臨近堆積體隧道施工，進(jìn)洞開(kāi)挖需要爆破開(kāi)挖時(shí)，宜盡量采用松動(dòng)爆破，并且控制分段藥量。

（2）進(jìn)洞過(guò)程中宜盡量避開(kāi)雨期，避免堆積體受大氣降雨入滲坡體，坡體弱化疊加爆破振動(dòng)雙重作用引起仰坡滑移開(kāi)裂。

（3）超前大管棚增設(shè)42 mm×4 mm超前小導(dǎo)管后，在堆積體淺埋段可以取得良好的地表沉降控制效果。

（4）對(duì)隧道凈距較小且高低錯(cuò)幅的隧道施工中宜先施工標(biāo)高較低的隧道，再施工標(biāo)高較高的隧道。

參考文獻(xiàn)：

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