董奉山隧道大跨徑斷面初支變形侵限處置措施分析

■林振宇

（福州市交通運(yùn)輸綜合執(zhí)法支隊(duì)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督大隊(duì)， 福州 350000）

本研究依托福州國道G316 線長(zhǎng)樂漳港至營(yíng)前段董奉山隧道施工實(shí)例，針對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)條件的大斷面、小凈距、洞口段淺埋隧道群，在淺埋段開挖支護(hù)施工過程中出現(xiàn)大變形侵限后的處置施工技術(shù)進(jìn)行分析，為今后類似條件的隧道群初支大變形侵限處置提供借鑒。

1 工程基本概況

1.1 隧道概況

董奉山隧道為四洞并行隧道群（圖1），主路隧道凈寬17.5 m，最大開挖寬度為20.2 m，輔路隧道凈寬10 m，最大開挖寬度12 m，四洞進(jìn)口端均為分離式小凈距淺埋隧道，主路隧道兩洞間最小凈間距19 m， 輔路隧道與主路隧道最小凈間距12.9 m，淺埋段下穿董奉山國家森林公園保護(hù)區(qū)。

圖1 隧道洞口及淺埋段地形地貌

1.2 地形地貌

隧道進(jìn)口淺埋段屬于坡積平原地貌單元，坡度為5°～10°，上覆坡積粘性土，地表植被發(fā)育，主要為林木、果園，地勢(shì)平坦。 進(jìn)洞口及明挖段開挖高度11.76～16.27 m。

1.3 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探資料，淺埋段地質(zhì)條件復(fù)雜，處于巖性變化區(qū)域，地層多變，母巖以石英閃長(zhǎng)巖和花崗巖為主，局部存在凝灰熔巖。

1.4 水文地質(zhì)

淺埋段裂隙很發(fā)育，富水性高，開挖時(shí)拱腳呈股狀流水，初支多處呈點(diǎn)滴狀或淋雨?duì)顫B水，通過打設(shè)地表降水井進(jìn)行抽排后，開挖時(shí)掌子面明顯減少，初支局部滴水，上、中臺(tái)階左右側(cè)滲水量明顯減少，下臺(tái)階及仰拱開挖時(shí)拱腳仍有股狀水流出（圖2）。

圖2 隧道地質(zhì)狀況

淺埋段地表穿越或緊鄰多條山凹沖溝，屬季節(jié)性溝谷，具有典型的山區(qū)溝谷特征，左輔洞旁鳳凰溪匯水面積61 萬m2， 暴雨天氣洪峰達(dá)3.7 m3/s；右輔洞進(jìn)洞70～110 m，右側(cè)50 m 處存在一處面積約2 300 m2水塘， 該水塘高于右輔洞設(shè)計(jì)標(biāo)高約15 m，地表植被茂盛，水力聯(lián)系密切。

2.4.3 TCT 1項(xiàng)研究報(bào)道了TCT[6]，采用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析，詳見圖6。Meta分析結(jié)果顯示，兩組患者TCT比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[MD＝－5.87，95%CI（－17.69，5.95），P＝0.33]。

2 初支變形侵限情況

2.1 地表開裂

地表發(fā)生20～70 cm 沉降 （面積約2 500 m2），地面大范圍開裂， 裂縫圍繞掌子面呈環(huán)向放射狀，裂縫從掌子面前方約30 m 至后方15 m，中軸線右側(cè)35 m 至左側(cè)18 m，局部裂縫寬度大于30 cm，深度貫穿覆蓋層，山體出現(xiàn)滑坡跡象（圖3）。

圖3 地表裂縫

2.2 鋼架及初支變形

初支噴射砼出現(xiàn)開裂，裂縫斜向約30°；上臺(tái)階處拱架型鋼出現(xiàn)往小里程扭曲變形， 扭曲變形近30 cm（圖4）。

圖4 拱架扭曲變形

2.3 測(cè)量侵限量

截至2021 年9 月5 日， 各隧道變形侵限情況如下：左輔洞初支侵限范圍為FZK6+230～FZK6+272，最大侵限110.5 cm；左主洞初支侵限范圍為ZK12+254～ZK12+290，最大侵限33.8 cm；右主洞初支侵限范圍為YK12+327～YK12+368， 最大侵限36.5 cm；右輔洞初支侵限范圍為FYK6+369～FYK6+401，最大侵限10.1 cm（圖5）。

圖5 各隧道典型侵限斷面圖

3 侵限原因分析

3.1 國家森林公園的影響

董奉山隧道進(jìn)口端位于國家級(jí)森林公園保育區(qū)范圍，環(huán)水保要求高，導(dǎo)致隧道淺埋段未設(shè)計(jì)降水、注漿等地表處理措施。

3.2 地質(zhì)水文條件復(fù)雜

（1）淺埋段隧道地層地質(zhì)主要為坡積粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化凝灰熔巖和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖層，結(jié)構(gòu)較為松散，挖后穩(wěn)定性較差，開挖時(shí)無自穩(wěn)能力，易產(chǎn)生洞頂或洞壁失穩(wěn)塌方；（2）地下水位長(zhǎng)期高于洞頂且水量豐富，土層含水率>30%，砂土狀地層富水更高，隧頂最大壓力水頭約35 m；（3）淺埋段地形地貌復(fù)雜，下穿和緊鄰多條溪流、沖溝、水塘，雨季洪水頻發(fā)，雨季對(duì)洞身開挖影響大。

3.3 隧道特點(diǎn)

隧道四個(gè)洞均為小凈距隧道，主洞與輔洞間距為12.9～27 m，主洞與主洞間距為17～31 m，易產(chǎn)生群洞效應(yīng)。

3.4 施工影響

隧道施工過程中不可避免的擾動(dòng)造成周邊圍巖松散，擾動(dòng)后即成流土、流砂；拱腳附近處于最低點(diǎn)，成為股狀滲流主要出水點(diǎn)，進(jìn)一步降低拱腳承載力。

4 應(yīng)急處置措施

4.1 蓄水池水位強(qiáng)降及基礎(chǔ)處理

左輔洞洞頂攔水壩蓄水進(jìn)行強(qiáng)排，采用污水泵進(jìn)行抽排及開閘放水，并設(shè)置專門人員值守，通過強(qiáng)排減小水壩蓄水；攔水壩蓄水范圍內(nèi)池底、攔水壩靠左輔洞一側(cè)的土體采用干水泥及水泥漿進(jìn)行封閉（圖6）。 后續(xù)施工雨天時(shí)應(yīng)及時(shí)排除壩內(nèi)的積水，必要時(shí)在攔水壩上游采用排水管及時(shí)將水引流至攔水壩的排水口排出，避免攔水壩內(nèi)在隧道施工期間積水。

圖6 蓄水池水位強(qiáng)降

4.2 地表裂縫處理

對(duì)地表裂縫采用灌漿處理， 灌漿采用1∶1 水泥漿，水泥漿可添加早強(qiáng)劑、速凝劑等。 深根系植物根系深入土壤可達(dá)3～5 m，為保護(hù)國家森林公園植被生長(zhǎng)， 灌漿至水泥漿面低于地表約6 m 即停止，剩余裂縫采用回填土，由人工進(jìn)行夯實(shí)封閉處理。 安排專人對(duì)隧道地表巡查， 加強(qiáng)對(duì)地表裂縫的觀測(cè)，裂縫有新的擴(kuò)展時(shí)及時(shí)封閉，大的裂縫封閉后采用彩條布或防水卷材進(jìn)行遮蓋，防止降雨時(shí)地表水滲入隧道（圖7）。

圖7 地表裂縫處理

4.3 注漿堵水

根據(jù)左輔洞及左主洞初支滲水與攔水壩抽排情況，攔水壩周邊及壩底與地表裂縫、洞內(nèi)環(huán)形裂縫形成貫通縫，導(dǎo)致鳳凰溪內(nèi)流水大量滲透。 大量滲水對(duì)洞身開挖、仰拱開挖造成影響，并且影響運(yùn)營(yíng)期間二襯防排水質(zhì)量。 攔水壩與左輔洞之間采用注漿堵水，封閉滲流通道，防止攔水壩處地表水滲入隧道。

4.4 原初支徑向注漿加固

變形段換拱前應(yīng)對(duì)隧道初支變形侵限段進(jìn)行徑向注漿加固，增加隧道圍巖的自穩(wěn)能力[1]。 加固采用長(zhǎng)4.5 m，外徑42 mm，壁厚4 mm 的花管，環(huán)向保持間距1 m，縱向保持間距1 m，梅花狀交錯(cuò)布置。注漿采用單液漿，水灰比控制0.5∶1～1∶1，注漿壓力控制0.5～1.0 MPa，注漿施工之前，必須進(jìn)行注漿試壓、試驗(yàn)，來調(diào)整注漿參數(shù)。

5 換拱施工

根據(jù)測(cè)量對(duì)初支支護(hù)斷面掃描結(jié)果，對(duì)初支支護(hù)局部侵限段采取“由外向內(nèi)、先固后換、逐榀施作”的原則進(jìn)行處理；對(duì)于全斷面侵限段采取從小樁號(hào)到大樁號(hào)逐榀拆換，拱架拆換遵循“由外向內(nèi)、先固后換、先墻后拱、隔環(huán)拆除（若有套拱）、逐節(jié)換拱、逐榀施作”的原則進(jìn)行處理。

5.1 拆除初期支護(hù)

拱架逐榀進(jìn)行拆除，拆除主要以人工以及機(jī)械破碎開挖為主，降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)[2]。

5.1.1 初期支護(hù)噴射混凝土鑿除

（1）按照斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，工人在初支變形位置標(biāo)記出侵限的范圍且標(biāo)出該處的侵限量。 （2）嚴(yán)禁大面積鑿除初期支護(hù)，應(yīng)逐榀鑿除，防止出現(xiàn)塌方和冒頂。 （3）為減小拱架拆除對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞，嚴(yán)禁爆破拆除，應(yīng)采用機(jī)械+人工等方法靜態(tài)破除，破除順序仍遵循“先墻后拱、逐榀拆除”的方法[3]。

5.1.2 初期支護(hù)鋼拱架割除

鋼拱架拆除應(yīng)逐榀拆除，一次只能拆除一節(jié)鋼拱架單元（圖8），割除前需對(duì)本節(jié)鋼拱架進(jìn)行支撐，防止切割后直接砸落，先使用氣焊割除本節(jié)鋼拱架兩端，再割除鋼拱架各榀之間的縱向連接筋和鋼筋網(wǎng)片，然后用風(fēng)鎬或撬棍松動(dòng)鋼拱架，最后由人工配合葫蘆吊，將鋼拱架吊離換拱臺(tái)車。

圖8 鋼拱架拆除順序

5.2 圍巖欠挖處理

在拆除初期支護(hù)后，因變形侵限造成的圍巖欠挖，采用機(jī)械+人工進(jìn)行拆除，對(duì)原拱架的鎖腳錨管進(jìn)行保留，直至輪廓滿足施工和設(shè)計(jì)要求，開挖按仰拱封閉時(shí)預(yù)留沉降量為15 cm， 鋼拱架落地時(shí)預(yù)留沉降為20 cm、 鋼拱架施工至中臺(tái)階時(shí)預(yù)留沉降為30 cm、 鋼拱架施工至上臺(tái)階時(shí)預(yù)留沉降為40 cm 開挖。欠挖處理后應(yīng)立即進(jìn)行初噴，并按原設(shè)計(jì)要求掛設(shè)鋼筋網(wǎng)。

5.3 鋼架安裝

（1）按照斷面測(cè)量尺寸加工的對(duì)應(yīng)鋼拱架單元吊上換拱臺(tái)車，調(diào)整定位后進(jìn)行安裝。 原施工的鎖腳鋼花管與新安裝拱架也采用L 型筋進(jìn)行焊接固定，新?lián)Q鋼拱架與原臨時(shí)仰拱進(jìn)行焊接閉環(huán)。 （2）兩側(cè)拱腳位置各加設(shè)2 根3.5 m 長(zhǎng)的φ42×4 mm 鎖腳錨鋼花管，用L 型筋將鎖腳錨管和鋼拱架進(jìn)行焊接固定。 （3）鎖腳錨鋼花管注漿采用單液漿，水灰比控制在0.5∶1～1∶1，注漿壓力控制在0.5～1 MPa。

5.4 噴射混凝土

每榀初支鋼拱架完成更換后及時(shí)濕噴C25 砼，噴射砼厚度應(yīng)滿足原設(shè)計(jì)要求。

5.5 超前小導(dǎo)管安裝

換拱段落位于砂土狀地層，穩(wěn)定性差時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行超前支護(hù)，超前支護(hù)采用長(zhǎng)度3.5 m，φ42×4 mm 的小導(dǎo)管，環(huán)向布置間距25 cm，縱向布置間距1.2 m，外插角為13°。

5.6 初期支護(hù)拆換注意事項(xiàng)

（1）在置換拱架期間，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)及洞內(nèi)外觀測(cè)，適當(dāng)加密監(jiān)控量測(cè)斷面及頻率。 （2）換拱前進(jìn)一步核查該段邊墻拱架侵限值，鑒于該換拱段圍巖自穩(wěn)性較差，換拱作業(yè)時(shí)危險(xiǎn)性較大，侵限值較小時(shí)經(jīng)設(shè)計(jì)單位驗(yàn)算是否換拱，必要時(shí)通過加強(qiáng)初期支護(hù)和二襯支護(hù)參數(shù)來減少換拱長(zhǎng)度。 （3）各工作面嚴(yán)禁積水、浸流，洞內(nèi)拱腳嚴(yán)禁浸泡水及懸空，初支換拱后應(yīng)做到不滲不漏。

6 換拱過程監(jiān)控量測(cè)

在董奉山隧道換拱期間， 必須對(duì)拱頂下沉、周邊收斂、地表沉降三項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

6.1 布點(diǎn)監(jiān)測(cè)

換拱前在侵限變形段初支鋼拱架上安設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)， 拱頂下沉和周邊收斂觀測(cè)點(diǎn)按照每2 m 1 個(gè)斷面進(jìn)行布置，監(jiān)測(cè)初支及圍巖的位移變化；洞頂原地表，設(shè)置一排沉降觀測(cè)點(diǎn)，來監(jiān)測(cè)地表沉降。拱頂下沉、周邊收斂和地表下沉各觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)同一斷面布設(shè)，利于量測(cè)成果分析。 對(duì)初支侵限變形處，安設(shè)絕對(duì)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，特別是連接鋼板處。應(yīng)使用高精度全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)頻率保證每天2～3 次，監(jiān)測(cè)應(yīng)持續(xù)到二襯施工完成。

換拱過程中應(yīng)細(xì)心觀察初期支護(hù)的狀態(tài)包括噴射混凝土層是否出現(xiàn)裂縫、 脫落和剪切破壞、鋼支撐是否出現(xiàn)壓彎變形。 對(duì)出現(xiàn)上述狀況要進(jìn)行詳細(xì)描述和記錄并評(píng)估，作為及時(shí)采取應(yīng)急處置措施選擇的參考和依據(jù)。

6.2 位移管理等級(jí)劃分

根據(jù)換拱期間監(jiān)測(cè)成果分析可參照（表1）所列位移區(qū)間按照不同等級(jí)指導(dǎo)施工[4]。

表1 位移管理等級(jí)

7 結(jié)語

結(jié)合董奉山隧道初支大變形侵限處置前后監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析， 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形位移均在正常范圍內(nèi)，且換拱期間地表裂縫未進(jìn)一步發(fā)展，未發(fā)生隧道冒頂?shù)任ｋU(xiǎn)情況， 變形侵限段圍巖注漿效果良好，提高了圍巖自穩(wěn)定能力。 通過排盡洞頂壩內(nèi)水，注漿截?cái)帏P凰溪地表水滲入隧道，進(jìn)一步降低大量滲水對(duì)洞身開挖、仰拱開挖造成影響，營(yíng)造隧道變形換拱處置期間安全環(huán)境。

換拱過程遵循著“先拱后墻、隔環(huán)拆除、逐榀拆除”的原則，采用機(jī)械+人工等方法靜態(tài)破除侵限和欠挖部位，最大程度減小拱架拆除對(duì)圍巖的破壞和擾動(dòng)，保證了換拱施工的安全。 通過對(duì)董奉山隧道初支變形侵限段的處置， 有效解決了隧道大變形，確保了隧道后續(xù)施工的安全可靠。