淺埋膨脹性土質(zhì)隧道沉降和收斂控制措施

梁龍昇

（安徽天通路橋工程有限公司， 安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也不斷提高，隧道設(shè)計(jì)遵循“早進(jìn)晚出”的原則，盡量少占用地，充分保護(hù)地表植被，因而現(xiàn)在大部分隧道存在淺埋段，特別是淺埋段圍巖為膨脹性土質(zhì)，增加了隧道的施工難度。

1 工程概況

揚(yáng)滁公路平山隧道位于平山森林公園規(guī)劃區(qū)，自然和生態(tài)景觀環(huán)境極為敏感，設(shè)計(jì)采用四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，為分離式隧道，長(zhǎng)430延米，左、右線凈距17.5m～20.7m，單洞建筑限界凈寬為10.25m，凈高為5.0m。隧道圍巖為V級(jí)，圍巖破碎，覆蓋層厚3～42m，采用三臺(tái)階七步開挖法施工。

2 工程難點(diǎn)及特點(diǎn)

（1）隧道進(jìn)、出口段為斜坡地形，埋深3-18m，覆蓋層較薄，風(fēng)化裂隙和構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，大氣降水沿裂隙滲入形成基巖裂隙水，基巖裂隙連通性好，裂隙滲水量大。圍巖為可塑～硬塑狀的膨脹性黏土，易沉降坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌，處理不當(dāng)會(huì)引起大坍塌。

隧道地層為：粉質(zhì)表土、黏土夾碎石、膨脹性白色黏土、強(qiáng)風(fēng)化巖體（富含裂隙水，受地表水影響明顯）、膨脹性粉質(zhì)紅色黏土（松散）、膨脹性灰白色黏土（有節(jié)理性、割裂性，遇水或潮濕空氣易軟化剝離，強(qiáng)度消失）、黃色黏土（呈硬塑狀，具中強(qiáng)膨脹潛勢(shì)，含水率較大，遇水浸泡會(huì)很快喪失強(qiáng)度）。

（2）隧道圍巖上硬下軟，圍巖上部為玄武巖，比較破碎，部分地段為碎石塊夾土，富含裂隙水，受雨水影響明顯，下部為膨脹性黏土層，弱透水性，在施工的過程中，裂隙水下滲浸泡土體圍巖，影響圍巖的穩(wěn)定，使施工難度增大。開挖過程中在外力作用下導(dǎo)致土體松動(dòng)，圍巖結(jié)構(gòu)破壞，裂隙水下滲，土體遇水成泥，圍巖強(qiáng)度迅速降低，危險(xiǎn)系數(shù)陡增，沒有充足支護(hù)時(shí)間，繼而掌子面失穩(wěn)不時(shí)滑塌，造成拱頂坍塌；另外散水人工疏導(dǎo)困難，基底大面積泥濘化，由于浸泡拱腳，導(dǎo)致初支嚴(yán)峻下沉，隧道初支外圍巖發(fā)生膨脹，拱肩、拱腳收斂。

（3）隧道覆蓋層較薄，地質(zhì)情況較差，無法形成承力拱，圍巖自穩(wěn)力差，初期支護(hù)受到圍巖的壓力較大，同時(shí)，裂隙水量較大，且比較分散，不易集中引排，嚴(yán)重影響土體圍巖的穩(wěn)定，并浸泡鋼拱架拱腳底部的土體，導(dǎo)致初支沉降較大。洞內(nèi)圍巖拱頂和開挖面敏感，進(jìn)行開挖施工時(shí)，一方面水會(huì)從開挖面向下流，浸泡開挖面、軟化土巖體，導(dǎo)致開挖面土巖體呈塊狀掉落、界面土體變形，并且拱頂圍巖剝落掉塊嚴(yán)重，易形成空腔出水，產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)，產(chǎn)生擠出位移，繼而滑塌。另一方面由于土巖體失水，影響土巖體自身穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生收縮變形，掌子面前方拱頂和開挖面產(chǎn)生松動(dòng)，產(chǎn)生先行位移，嚴(yán)重時(shí)牽連周圍土體塌陷，危及施工作業(yè)人員人身安全。

（4）在前期施工的過程中，隧道洞口段山體出現(xiàn)滑移垮塌，暗洞內(nèi)圍巖沉降嚴(yán)重，初期支護(hù)多次出現(xiàn)侵限進(jìn)行換拱處理，圍巖多次出現(xiàn)坍塌、地表下陷，甚至出現(xiàn)冒頂，掌子面核心土體失穩(wěn)向前滑移，并伴有涌水、涌泥現(xiàn)象。

（5）膨脹性土體圍巖絕大部分為可塑～硬塑狀的黏土，注漿施工難度大，整體性不好，易風(fēng)化，圍巖開挖外露后，土體失水收縮，易出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，洞內(nèi)滲水量較大，給施工安全帶來重大隱患。

3 膨脹性土質(zhì)隧道沉降和收斂的控制措施

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用加大預(yù)沉量、加強(qiáng)預(yù)支護(hù)、變更支護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)格、增強(qiáng)鎖腳錨桿、增加拱腳受力面積、臨時(shí)仰拱、拱腳拱腰注漿等措施控制隧道沉降和收斂。

（1）由于土質(zhì)隧道的不確定性，進(jìn)入暗洞開始就要考慮是否擴(kuò)大預(yù)留量，以留給土體應(yīng)力釋放后足夠的沉降和收斂，在特殊地段要考慮預(yù)留量是否需要改變，是否需變更支護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)格，增加鎖腳錨桿的數(shù)量和剛度，如高強(qiáng)度鎖腳（Φ32螺紋鋼）、大口徑鎖腳（φ108鋼花管）、噴射高強(qiáng)砼和高強(qiáng)工字鋼等；擴(kuò)大預(yù)留量和減小凌空面也是矛盾的，在保證安全的前提下減少施工工序，預(yù)留量增加開挖高度可適當(dāng)減小，大拱腳施作困難可用墊設(shè)槽鋼來代替。

連接筋的擺布（八字形、三角形、直線型）焊接符合力學(xué)要求及焊接可靠牢固，必要時(shí)加密，使“連挑”效果和整體性更強(qiáng)。鎖腳錨桿焊接較為重要，采用“U”型鋼筋與拱架滿焊連接，焊接后對(duì)鎖腳錨桿進(jìn)行注漿固結(jié)，增加鎖腳錨桿承載能力，有效的防止拱架下沉及收斂。鎖腳的打設(shè)角度和高度：1.防止沉降時(shí)，設(shè)小角度的“樁式鎖腳”，能補(bǔ)強(qiáng)圍巖抗剪強(qiáng)度和支撐樁作用；2.防止收斂和沉降時(shí)，可多設(shè)有“懸吊”作用及增加內(nèi)壓約束力的“側(cè)向垂直式鎖腳”，給圍巖加筋、拱架加力，能有效分散荷載和抵抗水平收斂力，可45°角打設(shè)，并為中導(dǎo)做超前支護(hù)，抑制下半斷面的側(cè)向位移，高度宜靠近拱腳，在拱肩以下。

（2）在沉降較大的地段應(yīng)考慮加強(qiáng)拱腳支護(hù)和增加拱腳受力面積（大基礎(chǔ)、大拱腳），拱架拱腳必須加強(qiáng)整體性（拱腳處連接筋用工字鋼），否則打入鎖腳后存在剛性約束，拱腳分散易收斂，開挖困難危險(xiǎn)的地段把大拱腳拱架放置拱圈外側(cè)就不合適了，此時(shí)可考慮放置內(nèi)側(cè)或者墊設(shè)槽鋼，同時(shí)考慮可操作性和節(jié)省材料。

（3）下沉嚴(yán)峻地段必須施作臨時(shí)仰拱，須成環(huán)牢固，必要時(shí)可增加豎支撐或弧支撐（CRD半斷面用，考慮成環(huán)的可能性）,保證豎支撐間的連接、腳部的穩(wěn)定。臨時(shí)仰拱最好是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，也就是和仰拱一樣的弧形結(jié)構(gòu)，能很好的控制平衡、抑制下沉，另有很好的引水作用，臨時(shí)仰拱施作后強(qiáng)度未滿足要求時(shí)嚴(yán)禁機(jī)械碾壓，可覆蓋 50cm土體做緩沖；下沉、開裂嚴(yán)峻地段還可施作“拱上拱”，即在初支拱圈下面在施作一層初支，以起到反壓和穩(wěn)定作用，此舉措對(duì)初支變形和開裂有很好的抑制作用，屬?gòu)?qiáng)制性反壓，效果明顯，此時(shí)務(wù)必考慮后續(xù)施工工序是否好施工，接中導(dǎo)時(shí)可一并連接。

（4）加強(qiáng)超前支護(hù)。超前導(dǎo)管其實(shí)質(zhì)為“預(yù)應(yīng)力梁作用”，在不注漿時(shí)只起到對(duì)上部荷載的托舉作用，同時(shí)亦加重了拱架、拱腳的負(fù)擔(dān)和破壞了前方圍巖，加大了掌子面擠出位移的發(fā)生的概率，所以導(dǎo)管打設(shè)前必須相應(yīng)的對(duì)拱腳做加固處理，噴設(shè)混凝土?xí)r必須對(duì)掌子面封閉。另外，為減少前方圍巖松弛、減小拱腳負(fù)擔(dān)、減小施工難度、快速封閉拱架錨噴系統(tǒng)，增加托舉力，導(dǎo)管施工時(shí)，要注意其長(zhǎng)度須適宜，不宜太長(zhǎng)（我部施工多為3m，縱向60cm*環(huán)向30cm布設(shè)），注重搭接，要做到“管幕”效果，導(dǎo)管尾端與拱架焊接牢固等。

（5）滑塌、垮塌、內(nèi)應(yīng)力大的地段要注意土體的反壓作用: 塌方、冒頂段要注意山體邊坡的穩(wěn)定和初支結(jié)構(gòu)的收斂和拱頂上浮，需保證洞身初支結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡，可考慮在頂部施工鋼筋砼護(hù)拱、回填土體反壓，洞內(nèi)加橫梁桁架等以保證圍巖體系平衡。明洞段開挖后，明暗交界處立面較陡，若此時(shí)存在偏壓，可能會(huì)出現(xiàn)山體滑坡，此時(shí)要考慮卸載或者施做混凝土擋墻（傾向于后者，前者易失控）。

（6）淺埋段下沉明顯時(shí)優(yōu)先考慮洞內(nèi)施工措施，不建議洞頂卸載，因?yàn)槎错斝遁d作用甚微反易擾動(dòng)山體和增加透水性，隧道拱頂壓力減小時(shí)側(cè)壓力會(huì)增大，會(huì)增加收斂和塌空的可能性。

（7）在適宜注漿的地段還可在拱腰、拱腳補(bǔ)注漿，可注性難、有水地段應(yīng)采用高壓雙夜?jié){止水：采用小導(dǎo)管高壓注水泥水玻璃=1:1的雙液漿，利用水玻璃的侵透性、較好的瞬結(jié)性以及水泥良好的充填效果來進(jìn)行止水補(bǔ)強(qiáng)，效果明顯，導(dǎo)管長(zhǎng)度和注漿范圍成正比，導(dǎo)管短時(shí)拱架周圈注漿較多，導(dǎo)管長(zhǎng)時(shí)能加固前方圍巖，涌水時(shí)傾向于短導(dǎo)管，止?jié){墻須一次封閉到位；在孔壁不能自穩(wěn)的地層（黏土系、砂層圍巖等）應(yīng)采用鉆孔注漿同錨桿的自鉆式工法，直接將小導(dǎo)管強(qiáng)行打入即可，此時(shí)強(qiáng)行成孔會(huì)起反效果甚至鉆桿拔不出來。

（8）不論采取何種施工方法，均要注意核心土和掌子面錨桿的重要性、水的災(zāi)害性：

在淺埋隧道中要考慮掌子面的穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生擠出位移，控制掌子面擠出位移最好的方法就是預(yù)留核心土和掌子面長(zhǎng)錨桿（實(shí)質(zhì)為錨桿的內(nèi)壓和封閉的反壓固定作用，打入錨桿越長(zhǎng)內(nèi)壓越明顯，我部施工均采用3-4m鋼花管，效果明顯，需注意的是掌子面錨桿施工時(shí)圍巖可能出現(xiàn)剝離滑塌，應(yīng)與掌子面噴射砼封閉并用，即打錨桿掛網(wǎng)封閉，能增加拱頂穩(wěn)定性和抵消掌子面剪力（與洞口邊仰坡出現(xiàn)滑移的錨固處理是相同原理），掌子面和核心土最好是斜面形，圍巖不好時(shí)必須留環(huán)形核心土，核心土易剝離時(shí)可打設(shè)錨桿錨固，固定鋼管可部分向下按梅花形打設(shè)數(shù)排，用鋼筋固定，起到“抗滑樁”的作用，另外需考慮在易施工鎖腳錨桿的前提下控制好核心土上面開挖面的均勻性，不宜過大。

水害防治：水能使基底泥濘化、圍巖軟化、初支質(zhì)量和水位下降。裂隙水還會(huì)危及掌子面的自穩(wěn)性、在噴射砼背后沖刷成空洞，黏土系吸水膨脹，產(chǎn)生圍巖流變、內(nèi)應(yīng)力增大，促進(jìn)剝離，極易造成崩塌，尤其注意水不可浸泡拱腳，可引至核心土之后，拱架背部插打大孔徑短鋼花管、臨時(shí)仰拱下埋管等方式進(jìn)行引排，對(duì)于一定程度的涌水，可增加速凝劑的添加量，采用錨桿、鋼筋網(wǎng)等提高其附著性，否則極易造成不可控的局面，水的集中引排很重要，安排專人進(jìn)行疏水引水作業(yè)，若引排困難，則要設(shè)法注漿止水，力爭(zhēng)將水?dāng)D到隧道初支范圍外，并對(duì)圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)沖刷空洞進(jìn)行填充，使隧道周身形成隔水層和補(bǔ)強(qiáng)層。

（9）保證拱架的圓順性，弧形結(jié)構(gòu)是最好的受力體。上中臺(tái)階連接板處，此處為應(yīng)力集中區(qū)，易產(chǎn)生鼓包、變形、收斂、裂縫等，弧形結(jié)構(gòu)能很好的傳力和消力，膨脹性土質(zhì)對(duì)隧道周圈存在同樣的膨脹作用，難以自穩(wěn)，支護(hù)時(shí)務(wù)必保證其圓順。

（10）注重小型塌洞的處理，務(wù)必噴實(shí)。平山隧道上導(dǎo)坑斷面和拱頂約1m處為有節(jié)理發(fā)育的膨脹性黏土，易剝落掉塊，1.5-2m處為自穩(wěn)性較小的紅色粘土，易滑塌，2m以上為強(qiáng)風(fēng)化富水破碎巖，開挖時(shí)土體垮塌勢(shì)必帶動(dòng)周圍土體的擾動(dòng)，造成黏土系隔水層的破壞，繼而引起水體下滲，產(chǎn)生相互作用，軟化滲水，甚至出現(xiàn)坍塌涌水，即便是拱頂無水時(shí)也給下步開挖帶來極大的安全隱患，所以對(duì)于土質(zhì)隧道務(wù)必設(shè)法噴實(shí)封閉。待塌方地段過后，對(duì)封閉不夠的要補(bǔ)打鋼花管進(jìn)行高壓雙液注漿，此時(shí)初支拱架須加固或施作臨時(shí)仰拱以防變形過大，特殊地段施工務(wù)必謹(jǐn)慎對(duì)待。

（11）施工中斷面圍巖情況要及時(shí)跟進(jìn)預(yù)判。勤觀測(cè)初支構(gòu)件變化，加強(qiáng)圍巖量測(cè)，掌握圍巖與支護(hù)之間的收斂動(dòng)態(tài)，力學(xué)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定程度，正確分析圍巖測(cè)量數(shù)據(jù)（三相位移記錄）指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)預(yù)留沉降量及初期支護(hù)參數(shù)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而在保證施工安全的前提下，節(jié)約成本。不允許圍巖變形到有害程度，若出現(xiàn)大變形，應(yīng)立即做出控制對(duì)策。

（12）軟弱圍巖隧道施工必須把好管理和技術(shù)兩大關(guān)：只有精細(xì)化管理才能發(fā)揮關(guān)鍵技術(shù)的指導(dǎo)作用，管理人員要時(shí)刻保持頭腦清醒，注重施工工序銜接緊湊，不留下任何隱患，善于整合現(xiàn)場(chǎng)資源，做好成本控制，爭(zhēng)取做到“一步做，三步過”：施工時(shí)能產(chǎn)生哪些有利和不利的影響？能否發(fā)揮多種作用？哪一種作用更加明顯？是否可以改進(jìn)和完善？

4 結(jié)束語(yǔ)

淺埋隧道土體極易擾動(dòng)，土體不能自穩(wěn)會(huì)將山體的重量全部壓在隧道結(jié)構(gòu)上，所以淺埋土質(zhì)隧道要非常注重初支結(jié)構(gòu)的施工，保證施工質(zhì)量，提高安全性、穩(wěn)定性，盡量避免二襯提前受力。平山隧道前期施工中出現(xiàn)了初支下沉、地表下沉開裂及掌子面滑塌、垮塌等地質(zhì)災(zāi)害，關(guān)鍵有效的施工技術(shù)措施，可以減少工程地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，為施工提供安全保障，為同類工程的施工提供了一定的參考作用。