公路隧道洞口變形侵界處理方法

于海龍 王 飛

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，安徽合肥 230088)

0 引言

在山區(qū)修建高速公路隧道工程的過程中，常遇到一些不利于隧道施工的地質(zhì)情況，如隧道洞口段的淺埋、偏壓、巖溶等現(xiàn)象。在隧道施工開挖過程中，由于各種因素的影響都可能發(fā)生土石坍塌、坑道受壓、支撐變形、襯砌結(jié)構(gòu)斷裂等施工問題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、安全和質(zhì)量，甚至對以后安全運(yùn)營造成威脅。因此，如何處理隧道在不良地質(zhì)條件下施工中出現(xiàn)的問題有著重要的意義。

1 工程地質(zhì)概況

佛嶺隧道為分離式單向雙車道，隧道左線長3 704 m，里程樁號ZK24+459～ZK28+163，隧道左線進(jìn)口端洞口位于山谷斜坡坡腳位置，隧道入口處坡向朝北，山坡自然坡度較陡，上覆角礫土層厚約0.5 m～2.0 m，洞門巖石為砂巖與泥巖巖組，洞門以后夾薄層花崗閃長巖。砂巖與泥巖巖組呈薄～中厚層狀構(gòu)造，花崗閃長巖呈塊狀構(gòu)造，但巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)度較低，遇水易軟化，整體穩(wěn)定性差。另外，在隧道進(jìn)口處有一斷裂破碎帶，與路線在洞口處斜交，該斷裂破碎帶較寬，在地貌上表現(xiàn)為沖溝，第四系覆蓋層較厚。隧道進(jìn)口處受斷裂破碎帶影響，巖石破碎，因此成洞條件較差，圍巖易產(chǎn)生坍塌、冒頂。

2 洞口變形情況及原因分析

2.1 洞口變形情況

佛嶺隧道施工中遇連續(xù)下雨，隧道左線洞口上、中導(dǎo)開挖及初期支護(hù)完成了200多米，下導(dǎo)半斷面開挖、支護(hù)完成了17 m。在后序仰拱緊跟的施工過程中，由于強(qiáng)降雨天氣影響，隧道洞口地表滲水嚴(yán)重，泥漿從洞內(nèi)初期支護(hù)背后滲流出來，洞口段初期支護(hù)橫向發(fā)生急劇變形，并造成山體沉陷變形開裂，產(chǎn)生了大范圍地表沉降裂縫(見圖1)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和施工人員測量復(fù)核分析，隧道左線ZK24+475～ZK24+487段埋深只有2.0 m～4.5 m，該段初期支護(hù)橫向變形達(dá)1.2 m，地表沉降變形達(dá)0.8 m(見圖2)，支護(hù)已經(jīng)嚴(yán)重變形侵限，ZK24+487～ZK24+525段初期支護(hù)收斂變形較大，噴射混凝土開裂脫落，部分鋼拱架裸露，其中ZK24+487～ZK24+510初期支護(hù)輪廓線已經(jīng)有不同程度侵限，二襯施工厚度已不能滿足要求。ZK24+475～ZK24+515段地表覆蓋層已經(jīng)松動開裂，地表橫向裂縫長度達(dá)19.0 m，對后面山體覆蓋層穩(wěn)定性有一定影響。

2.2 原因分析

2.2.1 氣候降雨影響

由于隧道埋深淺，在施工期間遇到連續(xù)降雨，雨水滲透快，地表覆蓋層巖體受降水侵蝕后，產(chǎn)生濕陷及飽和流塑狀態(tài)，在短時間內(nèi)減弱甚至喪失了原巖的承載和自穩(wěn)能力，洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)由承載體轉(zhuǎn)換為受壓體，側(cè)向壓力、上部土壓力荷載急劇增大。初期支護(hù)背后泥巖巖體及覆蓋層內(nèi)碎石土體受雨水侵蝕風(fēng)化，已經(jīng)崩塌裂解，發(fā)生流變現(xiàn)象，支護(hù)背后形成空洞現(xiàn)象。另外，隧道洞口段沉陷變形發(fā)生期間遇到強(qiáng)降雨天氣，洞口積水較嚴(yán)重短時間內(nèi)無法排出。

圖1 洞口段地表沉降開裂

圖2 洞內(nèi)初期支護(hù)嚴(yán)重變形侵限

2.2.2 地質(zhì)狀況影響

據(jù)現(xiàn)場觀察，隧道洞口出露的地層為角礫土層，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖和砂巖巖組，隧道洞口斷裂面巖層不一致，左側(cè)地質(zhì)條件差，巖體破碎，結(jié)構(gòu)松散，屬軟弱地層，圍巖自穩(wěn)、承載能力有限，而右側(cè)為整體性好的石質(zhì)巖層。據(jù)此判斷，該處屬地層構(gòu)造帶，巖層接觸面較明顯，左右側(cè)地質(zhì)不對稱為后面滑塌變形創(chuàng)造了條件。另外，隧道支護(hù)基礎(chǔ)巖層為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖與泥巖巖組，吸水后基礎(chǔ)承載力降低，容易喪失穩(wěn)定性。

2.2.3 施工工藝因素

在施工過程中，洞口下導(dǎo)坑已經(jīng)開挖成形，仰拱錨噴支護(hù)施工作業(yè)已完成，襯砌鋼筋已經(jīng)綁扎，仰拱混凝土沒有及時澆筑，形成支護(hù)拱架懸空的局面。地表覆蓋層沉降變形過大，加上洞口地形的不利影響，覆蓋層巖體沉降對拱架擠壓，造成拱架橫向變形過大。由于支護(hù)拱架之間通過縱向連接鋼筋形成整體受力狀態(tài)，洞口ZK24+475～ZK24+487段初期支護(hù)變形延伸至后面，導(dǎo)致ZK24+475～ZK24+515段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在很短的時間內(nèi)呈不同程度的變形破壞。

3 變形處理技術(shù)方案

3.1 處理方案依據(jù)

根據(jù)相關(guān)專家技術(shù)人員討論分析，在對洞口沉陷變形段加固處理時，首先應(yīng)減小地表水的影響，洞口段地表沉降產(chǎn)生了大范圍的地表裂縫，加上降雨正持續(xù)進(jìn)行，需對已下沉的地表覆蓋層進(jìn)行覆蓋，避免雨水匯入沉陷變形巖體內(nèi)，增大自重荷載。地表沉降裂縫應(yīng)采用黏土回填夯實，避免雨水滲入，同時在裂縫區(qū)域周圍地表設(shè)置排水溝，引排地表水。其次，應(yīng)對洞口段圍巖采取注漿加固措施，改善巖層物理力學(xué)性能，提高其整體穩(wěn)定性;然后，對洞口段地表采取加固措施，避免松動覆蓋層及后面山體滑塌。在地表覆蓋層穩(wěn)定后，根據(jù)隧道洞口ZK24+475～ZK24+525段初期支護(hù)具體變形情況以及現(xiàn)場施工條件，選擇挖除或換拱方案。

3.2 施工處理方案

1)洞口ZK24+475～ZK24+487段埋深僅為2.0 m～4.5 m，該段地表沉降達(dá)0.8 m，洞內(nèi)初期支護(hù)拱架變形達(dá)1.2 m，采取換拱+注漿加固處理方案造價過高，施工難度較大，故將該段調(diào)整為明洞，將該段地表覆蓋層與洞內(nèi)已變形支護(hù)拆除，臨時邊坡采取噴錨+鋼筋網(wǎng)加固處理措施，噴射混凝土厚度為20 cm，錨桿采用φ22砂漿錨桿，長度4.0 m，間距1.0 m×1.0 m，采用φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm。

2)洞口ZK24+487～ZK24+525段地表覆蓋層為碎石土與強(qiáng)風(fēng)化砂巖與泥巖巖組，厚度為4.5 m～14.0 m，該段地表覆蓋層沉降變形較大，洞內(nèi)初期支護(hù)噴射混凝土開裂脫落，部分鋼拱架裸露，洞內(nèi)支護(hù)收斂變形較大。為確保該段洞內(nèi)安全，對該段開裂部位及裸露拱架進(jìn)行混凝土補(bǔ)噴，然后對覆蓋層巖體采取徑向小導(dǎo)管注漿加固處理措施，導(dǎo)管采用φ50 mm×5.0 mm注漿小導(dǎo)管，間距1.0 m×1.0 m，長度6.0 m。

3)洞口ZK24+487～ZK24+515段地表沉降變形過大，地表覆蓋層松動破裂，整體穩(wěn)定性差，為避免該段與后面山體覆蓋層在施工過程中滑塌，對ZK24+487～ZK24+520段采取地表錨桿加固處理措施，錨桿采用φ25中空注漿錨桿，間距1.5 m×1.5 m，長度采用4.0 m～6.0 m，錨桿間距和長度可根據(jù)覆蓋層厚度進(jìn)行局部調(diào)整。

4)洞內(nèi)ZK24+487～ZK24+510段初期支護(hù)變形較大，其支護(hù)輪廓線已經(jīng)侵入隧道限界，故對該段采取換拱方案。換拱時首先要做好套拱及超前管棚加固措施，然后再進(jìn)行拱架更換施工。

3.3 施工工藝及工序

在對洞口變形段加固處理時，施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照“洞內(nèi)徑向小導(dǎo)管注漿加固—洞口段地表錨桿加固—洞口ZK24+475～ZK24+487段拆除—洞口套拱設(shè)置與超前管棚—洞內(nèi)侵界段換拱”的施工工序進(jìn)行施工。洞口ZK24+475～ZK24+487段拆除應(yīng)等地表覆蓋層穩(wěn)定后方可進(jìn)行，在施工過程中，對洞口ZK24+475～ZK24+487段已嚴(yán)重變形支護(hù)可增設(shè)臨時支撐等輔助措施，洞內(nèi)其他變形段也根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置施工輔助措施，確保施工人員安全。

在換拱施工時，采用風(fēng)鎬鑿除原表層噴射混凝土，破除寬度滿足型鋼安裝空間要求即可，然后根據(jù)欠挖深度進(jìn)行深層鑿除，直至深度滿足設(shè)計凈空要求，截斷拱架須拆除的部位，將已加工好的型鋼與原型鋼進(jìn)行焊接，并使用角鋼用于型鋼連接部位的加強(qiáng)，同時將原設(shè)計的縱向連接鋼筋焊接于新安裝型鋼之上，加密布置新?lián)Q型鋼的縱向連接鋼筋及鋼筋網(wǎng)片。拱架更換工作完成后檢查新?lián)Q型鋼的牢固性，滿足要求后，重新采用人工持風(fēng)鎬破除下一榀需要換拱位置之間的混凝土，施工方法相同，兩榀新?lián)Q型鋼安裝完成后，破除舊型鋼之間巖面凸出的噴射混凝土，滿足設(shè)計凈空要求后，將兩榀型鋼之間的縱向連接鋼筋、鋼筋網(wǎng)片連接，噴射混凝土，以此繼續(xù)進(jìn)行下一循環(huán)。

4 施工中的問題及解決措施

4.1 存在的主要問題

1)在施工過程中，由于覆蓋層內(nèi)巖層裂隙水已飽和，初期支護(hù)背后空洞較多，漿液向空洞內(nèi)充填并不能對開挖起到穩(wěn)定作用，注漿效果差，同時又造成浪費，如何防止?jié){液向空洞內(nèi)滲流也是注漿中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。洞內(nèi)施工時增設(shè)了臨時支護(hù)，施工操作空間較小，操作困難，危險系數(shù)大，為此調(diào)整為地表注漿。

2)管棚孔的施鉆過程中，經(jīng)常碰到原始支護(hù)內(nèi)錨桿，存在卡鉆、掉鉆頭、退鉆與頂管困難等問題，從而導(dǎo)致鉆孔成孔與下管極其困難。

4.2 主要技術(shù)措施

隧道地表塌陷較嚴(yán)重，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況分析，地表變形為沉降，裂縫延伸至地表覆蓋層1.0 m左右厚度范圍內(nèi)，故采取了清除地表1.0 m厚的覆蓋層，采用噴射混凝土將地表覆蓋，避免降雨對洞口段影響，同時對地表采取注漿措施。管棚施設(shè)較困難，換拱必須配合管棚才能完成，根據(jù)管棚施工情況，在洞內(nèi)采取超前小導(dǎo)管配合換拱施工，確保施工安全。

5 結(jié)語

隧道洞口段一般埋深較淺，地質(zhì)條件差，施工開挖時拱頂不穩(wěn)定的表現(xiàn)較明顯，一旦拱圈不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，就會產(chǎn)生很大的松弛壓力。另外，由于隧道埋深淺，設(shè)計時按土體厚度計算的結(jié)構(gòu)荷載并不大，在此種情況下隧道更容易受地形、地質(zhì)、水文、降水、落石、地震等因素的影響。因此，隧道洞口段施工時，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)本身受力影響，再加上外部不利條件因素，洞周圍巖容易喪失原有的承載能力，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)短時間內(nèi)承受荷載突然增加，引起結(jié)構(gòu)的突然破壞。

隧道洞口處在不良地段時，在有條件的情況下，應(yīng)采取一些輔助工程措施，改善巖層物理力學(xué)性能，減小外部因素對洞口施工影響。在施工過程中，合理控制施工工法及工藝，盡量減少對圍巖的擾動。同時，應(yīng)加強(qiáng)洞口段地表沉降觀測及洞內(nèi)支護(hù)收斂變形監(jiān)控措施，并根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確保洞口施工安全。

［1］ JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］ 劉志剛，趙 勇.隧道隧洞地質(zhì)施工技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［4］ 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］ 李曉紅.隧道新奧法技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.