偏壓小凈距隧道洞口段施工技術

郭長江

GUO Changjiang

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江湖州313000)

1 工程概況

徑子里隧道是漳州古雷港區(qū)至武平高速公路十方至東留段上的一座上下行分離的小凈距隧道。隧道左線起訖樁號為ZK33 +925 至ZK34 +210，長285 m，右線起訖樁號為K33 +950 至K34 +290，長340 m。隧道進出口端均采用端墻式洞門，左右洞洞門不在同一斷面上，相距80 m。隧道凈空為10.25 m×5.0 m，最大埋深69.22 m，其中右洞出口有長約60 m 淺埋地段，埋深約1.0～11.0 m，且沿隧道走向右洞左側覆蓋層厚度平均不足3.0 m。出口處山體自然坡度較陡約25°～40°，為凸形坡，坡向135°，山坡向與線路大角度相交，洞口嚴重偏壓，見圖1。

圖1 洞口偏壓、淺埋示意圖

2 工程地質特征

隧道區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，地勢稍有起伏。巖性以加里東期花崗巖及其風化層為主，圍巖Ⅲ～V 級。其中，右洞出洞口K34 +190 至K34 +290，長100 m，該段為V 級圍巖，巖性為全風化、強風化花崗巖及粉質黏土，具有遇水軟化、抗沖刷能力差、易風化的特點，圍巖自穩(wěn)能力差，易坍塌、冒頂及掉塊，在雨水作用下仰坡易產生滑塌，粉質黏土主要集中于右洞左側側面50 m 薄覆蓋層區(qū)域，雨季或強降雨時洞內地下水出水狀態(tài)為淋雨或涌流狀。綜上所述，隧道出口處存在成洞條件較差，易產生邊坡失穩(wěn)等工程地質問題。

3 設計支護參數(shù)及措施

本隧道為四車道小凈距隧道，洞口段淺埋且嚴重偏壓，最大開挖寬度達13 m，右洞左側粉質黏土覆蓋層不足3 m，在這種條件下，施工難度很大，設計主要考慮加強初期支護，采取強有力的輔助施工措施與初期支護密切配合，確保施工順利進行。洞口嚴重偏壓段采用S5a 襯砌，輔助施工措施主要有超前長管棚、超前小導管、超前錨桿。

3.1 S5a 襯砌

適用于小凈距隧道洞口V 級圍巖淺埋偏壓加強段，其承載能力由系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土層、鋼拱架及二次襯砌共同形成。系統(tǒng)錨桿采用D25 中空注漿錨桿，L=3.5 m(外)，L=6 m(內)，間距500 mm(縱)×1200 mm(環(huán));鋼筋網采用單層φ8 鋼筋網，間距200 mm×200 mm;C20 噴混凝土厚度260 mm，鋼拱架采用20a 工字鋼，縱向間距500 mm;拱墻、仰拱二襯均采用500 mm 厚C25 鋼筋混凝土結構。

3.2 超前長管棚

管棚鋼管均采用φ108 ×6 mm 熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距400 mm。接頭用長150 mm 的絲扣直接對口連接。當長管棚鋼管已深入中風化巖層時可以適當縮短長管棚長度。鋼管設置于襯砌拱部，平行路面中線設置。沿隧道縱向同一橫斷面內接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭數(shù)至少錯開1.0 m。為了保證鉆孔方向，在襯砌外設C25 鋼架混凝土套拱?？紤]鉆進中的下垂，鉆孔方向應較鋼管設計方向上偏1°。鉆孔位置、方向均應用測量儀器測定。在鉆進過程中也必須用測斜儀測定鋼管偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜有可能超限應及時糾正，以免影響開挖和支護。

3.3 超前小導管

設置在隧道洞內無長管棚的V 級圍巖地段，采用外徑42 mm，壁厚3.5 mm，長4000 mm 的熱軋普通鋼管，在鋼管距尾端1 m 范圍外鉆φ6 mm 壓漿孔。鋼管環(huán)向間距400 mm，外插角控制在10°～15°，尾端支撐于鋼架上，也可焊接于系統(tǒng)錨桿的尾端，每排小導管縱向至少須搭接1.0 m。

3.4 超前錨桿

設置在隧道洞身Ⅳ級圍巖淺埋地段。錨桿采用直徑22 mm，長3500 mm 的砂漿錨桿，環(huán)向間距約400 mm。實際施作時錨桿方向應根據(jù)巖體結構面形狀確定，以盡量使錨桿穿透更多的結構面為原則，外插角可采用5°～15°不等。采用早強砂漿作為粘結材料，每排錨桿的縱向搭接長度要求不小于1.0 m［1］。

4 施工狀況及變形原因分析

結合隧道設計圖紙、施工現(xiàn)場條件、總體工期和施工經濟成本等方面綜合分析考慮，隧道施工采取由東留往武平單向掘進。洞口段開挖施工前已施作好洞頂截水溝，邊仰坡開挖與防護同步進行。小凈距隧道由于左右線間距較小，為盡量減小兩洞開挖放炮的相互影響，保護中間巖柱的穩(wěn)定，待左洞進洞50 m 后開始施工右洞。右洞洞口段屬小凈距隧道V 級圍巖淺埋嚴重偏壓地段，采用中隔壁法施工，先開挖右洞右導坑，待噴射混凝土達到設計要求后再進行左導坑開挖，且保證左右導坑開挖工作面的縱向間距不小于15 m，開挖形成全斷面時，及時完成全斷面初期支護閉合，確保初期支護的承載能力，在初期支護落底后及時施作二次襯砌仰拱和仰拱回填層。當全斷面進洞15 m 時(里程K34 +271)，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，K34 +270 斷面拱頂沉降超限且有繼續(xù)增大趨勢，同時洞頂?shù)乇硐鲁粒唧w部位見圖2。隨即停止開挖，仰拱及仰拱回填跟進至右洞左導坑掌子面，觀察數(shù)日后，拱頂最大沉降已達245 mm，地表沉降加大。究其原因，主要有以下幾個方面:

4.1 地質原因

右洞右導坑成洞斷面為全風化花崗巖，部分為粉質黏土，地形切割較為強烈，沖溝發(fā)育，山體自然坡度較陡，嚴重偏壓，開挖時伴有滲水，自穩(wěn)能力差。右洞左導坑頂部及側面覆蓋層不足3 m，且為粉質黏土層，強度低。

4.2 勘察設計原因

雖然設計已經采取了一系列強有力的措施來應對淺埋、偏壓、小凈距隧道施工(如采用CD 法開挖，超前長管棚支護等)，但是對于隧道側向粉質黏土覆蓋層薄這一地質特征沒有詳細的地勘資料，設計單位對此重視程度不夠，造成開挖方法和支護措施不能滿足偏壓的要求。

4.3 施工原因

由于開挖活動造成隧道周邊應力的重新分布和調整，而施工中個別部位注漿和噴錨支護措施不到位，鋼拱架與圍巖不密貼，中隔墻工字鋼連接處弧度不精確，加之右洞左導坑開挖過程中對中隔墻的擾動，導致圍巖壓應力超過初期支護和中隔墻的承受能力而發(fā)生變形。

4.4 自然因素

隧道施工期間偶有降雨發(fā)生，增加了右洞右導坑一側偏壓土體的自重，同時右洞左導坑薄黏土覆蓋層受雨水浸泡，土質松軟，土體強度降低，不能有效平衡壓力，導致地表沉降。

圖2 拱頂沉降示意圖

5 施工綜合處治技術

5.1 總體方案

變形發(fā)生后，首先對拱部變形較大區(qū)域采取豎向鋼支撐，加強附近中隔墻強度，控制變形的進一步發(fā)展，然后進行徑向注漿加固，最后刻槽拆換變形支護。針對未施工的粉質黏土單側薄覆蓋層段落，采取在隧道側面覆蓋層外側增設重力式擋土墻，墻內回填土的施工方案。

5.2 已施工段變形處理

5.2.1 豎向鋼支撐

豎向鋼支撐的作用是控制初期支護變形的進一步發(fā)展，采用鋼管加工字鋼搭設。在拱頂沉降部位先施加橫向鋼支撐，分別與初期支護鋼拱架焊接牢固，橫向鋼支撐采用18a 工字鋼。橫向鋼支撐施作速度要快，避免變形過大引發(fā)坍塌等安全事故。然后在跨度中央及鋼拱架處分別增加豎向支撐，豎向支撐采用φ100 壁厚3 mm 的鋼管搭設，同時在中隔墻弧頂處架設豎向支撐，以增加強度，使中隔墻與豎向鋼支撐形成整體受力體系，阻止初期支護變形的進一步發(fā)展。

5.2.2 徑向注漿加固

初期支護變形后，其背后土體已松散，為了抑制變形的發(fā)展，加固松散土體，避免變形處理過程中發(fā)生坍塌及變形處理后發(fā)生二次變形，須對變形初期支護背后松散土體進行徑向注漿加固。采用φ42小導管，小導管前端部焊成尖錐形，便于插入孔中，管體上每隔150 mm 梅花形鉆眼，眼孔直徑為6～8 mm，尾部長度不小于300 mm 作為不鉆孔的止?jié){段。結合本段地質條件及變形情況，徑向注漿加固厚度3 m，注漿孔梅花形布置，間距1.0 m ×1.0 m(縱向×環(huán)向)，因變形段有少量滲水，注漿材料采用雙液漿。

注漿小導管安裝一根，注一根，不能為了方便連續(xù)安裝，以免注漿漿液從后安裝小導管流出，影響注漿效果，阻塞注漿管。注漿完成一根小導管，進行下根小導管鉆孔，可以對上根注漿效果進行檢驗，以便及時調整注漿小導管間距和注漿參數(shù)。

5.2.3 刻槽并安裝新鋼架

鋼架拆換不能直接拆除變形鋼架換上新鋼架，如此施工變相增加了鋼架間距，隧道更容易塌方。應首先在需拆換變形鋼架兩側刻槽，刻槽深度及鋼架安裝通過中線采用五寸臺進行控制?？滩鄄捎蔑L鎬進行，氧氣乙炔切割連接筋。然后安裝鋼架，但新安裝鋼架暫時不能全斷面封閉成環(huán)，且無法坐落在堅實的基巖上，要及時施作鎖腳錨桿，以防止鋼架下沉或兩底腳回收。之后拆除鋼支撐，再拆除變形鋼拱架。拆換鋼架本著先拱部后邊墻，先兩端后中間，拆除一榀安裝一榀的原則。

5.2.4 錨噴支護

上述工作完成后，要及時進行錨噴支護，使其初期支護盡早形成整體受力，發(fā)揮作用。

5.2.5 地表沉降處理

K34 +700 處右洞洞頂出現(xiàn)沉降開裂，受其影響，右洞邊墻外側土體也伴隨不同程度的開裂。在洞頂沉降處上方增設截水溝，以防止雨水流入塌坑處滲進隧道，塌坑邊界外2 m 設環(huán)形排水溝，并用砂漿抹面，與截水溝相連。對地表進行注漿處理，注漿強度達到80%后，再對塌坑分層夯實回填處理，回填至與地面線順接后，再用500 mm 厚黏土層對塌坑及周邊開裂處進行封閉堵水。

5.3 未開挖單側薄覆蓋層偏壓段處理措施

5.3.1 方案比選

K34 +280 至K34 +267 段變形處理后，K34 +267 至K34 +230 段施工方案的選擇尤為重要。方案1:在原設計CD 法施工的基礎上，進一步增加中隔墻的強度，工字鋼增加至22a，同時將右洞左右導坑分別分成上下臺階進行開挖，且每個臺階底部均設臨時鋼架或臨時仰拱。方案2:在右洞左側邊墻外側增加擋土墻，擋土墻內側回填土，既增加了隧道側面覆蓋層厚度，又平衡了偏壓力，經設計人員計算，擋墻施工完成后可以采用正臺階預留核心土法開挖。

綜合比較兩個方案，見表1。方案2 明顯優(yōu)于方案1，故選擇方案2。

表1 方案優(yōu)化比選費用及優(yōu)缺點列表

5.3.2 施工工藝

采用方案2 施工主要工序見圖3。

圖3 右洞施工工藝流程

5.3.3 擋土墻施工

在傳統(tǒng)護理職業(yè)偏見影響下，部分護生尤其是男護生在實習過程中可能產生自卑感。團體心理輔導是借助團體內人際交互作用，使團隊內成員相互傳遞正能量的一種心理輔導方式[30]，不僅能最大限度地改善護生自尊水平，還能提高護生人際溝通能力[31]。教學醫(yī)院及學?？赏ㄟ^組建實習生微信群、組織野外活動等方式，定期對實習護生開展團隊心理輔導。

(1)擋土墻位置確定。本隧道為小凈距隧道，左右洞測設線距離小于20 m。擋墻首先應滿足左幅路基寬度、水溝及碎落臺的要求，其次應保證墻背回填土方體積，以增加土壓力，平衡洞頂偏壓。綜合考慮，擋土墻平面位置見圖4。

圖4 擋土墻平面位置示意圖

(2)擋土墻形式選擇。隧道洞口段嚴重偏壓，故采用重力式擋土墻。其依靠圬工墻體的自重抵抗墻后土體的側向推力(偏壓土壓力)，以維持土體的穩(wěn)定。重力式擋土墻墻背形式多樣，結合現(xiàn)場地形地貌及工程特征，采用仰斜墻背。仰斜墻背所受土壓力較小，更有利于抵抗偏壓力，墻背與開挖面邊坡較貼合，易于排水，外形與洞頂邊坡自然融合。

(3)擋土墻受力分析。隧道開挖活動造成隧道周邊應力的重新分布，洞頂偏壓壓力一部分將通過初期支護，轉移到邊墻外側土體，此部分正是擋墻墻背回填范圍，墻后土體對擋墻形成水平推力。所以，擋土墻自重及墻后回填土自重均可有效平衡隧道偏壓問題。而且，隨著墻后填土寬度的增加，可平衡更大的偏壓力［2］。

(4)擋土墻施工。與傳統(tǒng)路基擋土墻施工方法類似。施工完成效果見圖5。

圖5 隧道完工效果圖

5.3.4 隧道開挖

擋土墻施工完畢后，施工重心轉移至隧道洞內。首先對先期施工長管棚變形超限部位，采取增加超前小導管作為輔助施工措施，待其注漿強度達到設計要求后，方可進行隧道開挖;然后施工方法由CD法轉換成正臺階預留核心土法，將右洞左導坑繼續(xù)施作至右導坑斷面，開挖形成全斷面，及時完成初期支護閉合，之后采用臺階法開挖。施工順序:①上臺階拱部開挖;②拱部初期支護;③上臺階核心土開挖;④下臺階開挖;⑤邊墻及仰拱初期支護;⑥完成初期支護后立即進行仰拱澆筑及仰拱填充施工;⑦澆筑二次襯砌。見圖6。

圖6 隧道開挖施工工序圖

(1)擋土墻施工墻背回填與墻身混凝土澆筑應同步進行，加強墻背回填的質量控制，減緩來自洞頂偏壓而產生的水平推力。

(2)小間距隧道由于兩洞之間間距較小，當右洞施工至左洞洞口里程后，為盡量減小開挖放炮對洞室的相互影響，保證中間巖柱的穩(wěn)定，左右洞掌子面錯開距離應不小于30 m，先行洞二次襯砌應落后于后行洞掌子面不小于20 m。先行洞二襯仰拱和仰拱回填應緊跟下臺階。

(3)隧道開挖必須在施工輔助措施注漿漿液凝固后才能進行，開挖后應立即進行噴錨支護。做好鋼架基礎保護，防止鋼架懸空。軟弱地質地段，由于地基承載力差且受水浸泡、行車碾壓等影響，極易造成鋼架懸空，導致鋼架下沉，鋼架周圍土體松散，最終表現(xiàn)為整個初期支護變形，甚至出現(xiàn)坍塌，所以做好鋼架基礎保護尤為重要。常用方法有:一是加設鋼架基礎連接縱梁，擴大開挖底腳;二是采用混凝土摻加速凝劑包裹鋼架底部［3］。

5.3.6 實施效果

通過在隧道右洞左側薄覆蓋層偏壓段外側增設擋土墻，有效地解決了本隧道先期施工中遇到的拱頂沉降超限、地表下沉等問題，同時平衡了隧道上部偏壓土體，消除了隧道支護變形的隱患，并且加快了施工進度，節(jié)約了施工成本，與線路左幅自然融合，線形美觀。

6 結 語

(1)徑子里隧道右洞洞口淺埋嚴重偏壓，地質條件差，施工過程中初期支護變形大，地表沉陷。采取增設豎向鋼支撐、徑向注漿加固及刻槽換拱相結合的處治技術措施，取得了較好的效果，采取的技術措施合理可行，施工工藝成功有效，能夠保證工程質量和隧道的運營安全。

(2)在薄覆蓋層外側增設擋土墻的施工方法，能防止隧道開挖擾動周圍土體而引起的塌方，加快了隧道施工進度，通過墻體自重有效地平衡了隧道偏壓問題，相對于CD 法施工安全系數(shù)提高且簡便易行，從而為單側薄覆蓋層條件下嚴重偏壓軟弱圍巖隧道洞口段施工提供了有益的參考。

［1]陳建申.隧道初期支護大變形處理技術［J］. 鐵道建筑技術，2014(2):43 -46.

［2]中交第一公路工程局有限公司.JTGF 60—2009 公路隧道施工技術規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［3]關寶樹. 隧道施工工程要點集［M］. 北京:人民交通出版社，2003.