馬山頂隧道地表變形處治技術(shù)

王艷波

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

公路隧道進(jìn)出口段由于埋深較淺，圍巖軟弱，地質(zhì)條件差，如果施工方法不當(dāng)，則會對地面變形造成較大影響[1]。目前隧道開挖方法大概分為以下幾類：a）全斷面法；b）臺階法，其中臺階法又分為長臺階法、短臺階法、超短臺階法；c）環(huán)形開挖留核心土法，也稱三臺階七步開挖法；d）中隔壁法（CD法）；e）交叉隔壁法（CRD法）；f）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，也稱眼睛法。除了上述的常規(guī)施工方法，國內(nèi)外學(xué)者對隧道不良地質(zhì)的施工技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，如徐兵結(jié)合茅山西隧道淺埋段，對明挖和蓋挖兩種施工方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并對蓋挖法施工方案及施工工藝進(jìn)行了介紹，實(shí)踐證明，蓋挖法節(jié)省了投資，縮短了工期，保護(hù)了環(huán)境[2]；黃成造等人針對特大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時預(yù)留核心土的穩(wěn)定性問題，提出一種新的隧道施工工藝——對拉錨桿，通過在實(shí)踐中檢驗(yàn)，認(rèn)為該工藝在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中是可行的[3]。本文以某條在建高速公路隧道為背景，針對進(jìn)口端地表沉降開裂采取相應(yīng)的工程措施，以期對以后類似的工程提供參考。

1 工程背景

1.1 隧道基本情況

馬山頂隧道為中隧道，穿越構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)，為左右分離式隧道，隧道走向219°。左線隧道起訖樁號ZK32+047—ZK32+643，隧道長度596.0 m，最大埋深約107.6 m。右線隧道起訖樁號K32+048—K32+645，隧道長度597.0 m，最大埋深約107.6 m。隧道穿過構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)，起伏較大，地面標(biāo)高70.15～171.05 m，最大相對高差約100.9 m。山體植被茂密。兩端洞口坡形較陡，最大坡角約45°～60°。

根據(jù)施工圖工程地質(zhì)調(diào)繪成果及鉆孔情況，隧道進(jìn)口為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土和寒武系中統(tǒng)高灘組全-強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖組成，強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)合差，碎裂狀結(jié)構(gòu)，若受地表水沖刷或坡腳開挖影響，易產(chǎn)生滑塌，穩(wěn)定性較差。

1.2 進(jìn)口端開裂情況

2016年10月24號隧道進(jìn)口端左洞完成邊仰坡開挖及支護(hù)；10月25號開始施做套拱；11月10號完成管棚打孔、安裝及注漿；11月20號開始進(jìn)行暗洞開挖，施工方法采用三臺階七步開挖法。由于進(jìn)口段覆土層較?。╖K32+065—ZK32+100范圍內(nèi)最大覆土高度為16 m），且地質(zhì)情況為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，12月8號，開挖ZK32+080上臺階時，地表出現(xiàn)第一處裂縫，裂縫最大寬度約為5 cm，仰坡噴射混凝多處剝落；洞內(nèi)開挖中臺階時，由于拱架基礎(chǔ)懸空，造成拱頂及拱腰部分初期支護(hù)開裂及剝落，裂縫走向與路線縱向垂直。

圖1 全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖

圖2 地表裂縫

圖3 仰坡噴射混凝土剝落

圖4 初期支護(hù)剝落及開裂

圖5 隧道進(jìn)口端左洞地表下沉觀測點(diǎn)布置圖

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示：12月13日馬山頂進(jìn)口端地表下沉累計最大值116.7 mm；12月15日上午11時天溝上方出現(xiàn)3條裂縫，地表下沉累計最大值246.2 mm，拱頂（ZK32+070）累計下沉 135.8 mm；12月16日，地表下沉累計最大值255.6 mm，進(jìn)口端拱頂（ZK32+070）累計下沉211.5 mm；12月17日，地表下沉累計最大值257.1 mm，進(jìn)口端拱頂（ZK32+070）累計下沉211.9 mm，組織人員割除進(jìn)口端地表草、標(biāo)記裂縫；12月18日，進(jìn)口端拱頂（ZK32+070）累計下沉212.9 mm；12月19日進(jìn)口端拱頂（ZK32+070）累計下沉218.2 mm。

2 隧道進(jìn)口端專項(xiàng)勘察方案

針對隧道進(jìn)口管棚施工完畢后隧道頂部地表裂縫，拱頂下沉，對其進(jìn)行補(bǔ)充勘察。勘察工作遵照“勘察技術(shù)要求”規(guī)定和工作程序進(jìn)行，廣泛收集利用已有資料，調(diào)查測繪工點(diǎn)路段所屬工程地質(zhì)單元的地質(zhì)環(huán)境特征。對地質(zhì)覆蓋層較薄處以挖探井為主；對覆蓋層厚度較大處以鉆探為主。綜合分析后提供工點(diǎn)調(diào)查報告。

2.1 地質(zhì)描繪

在詳細(xì)勘察工作的基礎(chǔ)上，對工點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)地質(zhì)調(diào)繪。復(fù)核巖層產(chǎn)狀，重點(diǎn)調(diào)查邊坡現(xiàn)場破壞行跡、裂縫性質(zhì)。同時搜集隧道施工過程，以及施工過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，為隧道破壞模式提供依據(jù)。

2.2 地質(zhì)鉆探

在地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，按照邊坡的地質(zhì)勘察要求，本次勘察布置并完成鉆孔11個，布置橫斷面3條（1條主剖面和2條輔助剖面），詳見圖6。通過鉆探查明：

a）地層風(fēng)化分界線，巖層分布情況，為下一步處治設(shè)計提供依據(jù)；

b）布置測斜管和地面監(jiān)測點(diǎn)，查明隧道變形情況。

圖6 隧道進(jìn)口端左洞地表下沉觀測點(diǎn)布置圖

2.3 綜合分析

分析地質(zhì)調(diào)繪成果，初步為隧道變形定性；結(jié)合地質(zhì)鉆探成果和監(jiān)測成果，明確變形原因；提出處治建議。

3 地表裂縫處治方案

3.1 預(yù)加固措施

由于馬山頂隧道進(jìn)口端左洞為粉質(zhì)黏土及全強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，且含有少量水分，圍巖承載力較低，施工單位剛進(jìn)洞時已將原設(shè)計的上下臺階留核心土法調(diào)整為上中下三臺階七步開挖法，并將每環(huán)8根φ22藥卷縮腳錨桿調(diào)整為每環(huán)16根φ 42縮腳注漿小導(dǎo)管，但初期支護(hù)仍有較大沉降。考慮到圍巖的軟弱性，采用地表注漿對隧道進(jìn)行預(yù)加固。注漿采用φ 42熱軋無縫鋼管，壁厚4 mm，管口段0.5 m范圍內(nèi)鋼管不開孔，其余部分按15 cm間距交錯設(shè)置注漿孔，孔徑8 mm，小導(dǎo)管長度為隧道開挖外輪廓50 cm至地面的垂直高度。地表注漿寬度為拱腳以上45°范圍內(nèi)，長度為ZK32+070—ZK32+120。

在地表注漿過程中，首先按照1.0 m×1.0 m的間距梅花型布置鉆孔，然后利用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔后進(jìn)行孔位檢查，然后埋設(shè)導(dǎo)管，對導(dǎo)管進(jìn)行注漿。小導(dǎo)管注漿壓力建議為0.5～1 MPa，注漿過程中注漿壓力應(yīng)逐級緩慢提升，當(dāng)?shù)叵滤^大時則壓注水泥-水玻璃漿液，水泥漿水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，水玻璃濃度35波美度，注漿壓力不變。

對于洞身段的軟弱圍巖，對原設(shè)計的XS-Ⅴa型襯砌進(jìn)行加強(qiáng)，未開挖的掌子面拱架間距由60 cm改為50 cm，其余支護(hù)參數(shù)不變；超前支護(hù)由原設(shè)計的4榀一環(huán)調(diào)整為3榀一環(huán)，即縱向間距調(diào)整為1.5 m，每環(huán)仍為37根，間距40 cm；鎖腳錨桿由原設(shè)計一榀8根3.5 mφ22藥卷錨桿調(diào)整為一榀16根3.5 mφ22藥卷錨桿；對于已經(jīng)施做初期支護(hù)的段落（ZK32+070—ZK32+080段），每3榀施做一環(huán)，即縱向間距調(diào)整為1.8 m，每環(huán)仍為37根，間距40 cm；對于仰拱底部，先進(jìn)行標(biāo)貫，如承載力無法滿足要求，進(jìn)行注漿加固。

3.2 開挖工法

雖然三臺階七步開挖法可將整個隧道分為上中下3個臺階，并且每個臺階分為左右兩個部分開挖，但由于中間核心土的存在，無法使初期支護(hù)盡早閉合成環(huán)，對減少地表沉降方面作用有限。結(jié)合馬山頂隧道的實(shí)際情況，建議將三臺階七步開挖法優(yōu)化為交叉中隔壁法（CRD法），交叉中隔壁法能夠有效地減小掌子面開挖跨度，使隧道的開挖掌子面由扁平改為豎高，并且由于臨時仰拱的存在，能夠讓初期支護(hù)閉合成環(huán)，因此可有效地減少地表沉降，保證施工安全。圖7為交叉中隔壁法施工步序。

圖7 交叉中隔壁法（CRD法）

3.3 其他措施

由于隧道洞口端地表出現(xiàn)多處裂縫，為防止雨水下滲，造成更大裂縫甚至土體大面積滑塌，將對出現(xiàn)裂縫的地面進(jìn)行夯實(shí)，然后用水泥砂漿填實(shí)，最后對地表注漿范圍進(jìn)行噴射混凝土封閉處理。此外，在原截水天溝上游5 m處增設(shè)一道截水天溝，以保證截水效果。

4 地表處治效果及結(jié)語

本文以馬山頂隧道為工程背景，通過地表注漿及CRD開挖工法，順利通過進(jìn)口淺埋段軟弱圍巖。主要結(jié)論如下：

a）采用上述方法注漿后，地表下沉得到有效抑制。第三方監(jiān)控結(jié)果顯示，地表累計沉降量及沉降速率明顯減少。地表注漿處治后，通過對注漿范圍內(nèi)土體進(jìn)行鉆芯取樣，隧道開挖外輪廓范圍外圍巖整體性及穩(wěn)定性良好。

b）CRD開挖工法由于中支撐的存在，將隧道一分為二，使隧道的斷面形狀由扁平變?yōu)樨Q高，有利于結(jié)構(gòu)受力；并且設(shè)置了臨時仰拱，使初期支護(hù)能夠盡早成環(huán)，在抑制地表沉降方面要優(yōu)于其他開挖工法。因此對于隧道進(jìn)出口淺埋段、軟弱圍巖及對地面沉降要求較高的段落，建議采用CRD法。

c）隧道進(jìn)出口邊仰坡的地表水及隧道內(nèi)的裂隙水，對隧道結(jié)構(gòu)的安全影響較大。因此，在開挖明洞之前，一定要做好洞頂截水天溝的鋪砌；洞內(nèi)掘進(jìn)時，必須設(shè)置臨時排水設(shè)施，保證初期支護(hù)的穩(wěn)定。