滑坡松散堆積體軟弱圍巖大變形隧道施工技術(shù)

毛永強(qiáng) 陽 俊 李紅君 鄭世杰

（1 中交二航局第五工程分公司；2 中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司)

(3 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4 文山州交通運(yùn)輸工程造價(jià)管理站）

0 引言

近年來，隨著高速公路網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展，山嶺地區(qū)高速公路項(xiàng)目日益增多，為保證高速公路的整體平穩(wěn)性，山嶺地區(qū)高速公路多以隧道形式進(jìn)行公路設(shè)計(jì)。特別是云貴高原地區(qū)極大多數(shù)隧道，滑坡松散堆積體是常見的復(fù)雜地質(zhì)，存在圍巖軟弱、富水嚴(yán)重、進(jìn)洞條件差等現(xiàn)象，具有松散、透水性強(qiáng)、強(qiáng)度低、吸水軟化等特征。而在未經(jīng)處治的松散堆積體軟弱圍巖隧道施工，易引起洞口坡體滑坡、掌子面坍塌、地表沉陷、支護(hù)變形過大、隧道基底不均勻沉降等一系列問題，從而引發(fā)工程事故，對(duì)工程人員的安全造成極大威脅。因此，在松散堆積體地層隧道施工時(shí)，采取合理的地層預(yù)加固措施、制定切實(shí)可行的處治方案是十分必要的。

1 項(xiàng)目概況

文山至麻栗坡高速項(xiàng)目位于云南省東南部文山州境內(nèi)，建設(shè)規(guī)模74.591km，橋隧比高達(dá)43%。軟弱圍巖區(qū)隧道共計(jì)3 座，其中大法郎隧道左線起訖樁號(hào)ZK42+330～ZK45+720，總長3390m，隧道最大埋深約206.5m，位于ZK43+840 處，右線起訖樁號(hào)K42+355～K45+730，最大埋深約195.5m，位于K44+040 處。

項(xiàng)目沿線地質(zhì)條件極為復(fù)雜。隧道穿越山體，進(jìn)出口端均位于斜坡上，處于兩沖溝之間，洞頂上方為農(nóng)田，常年含水；進(jìn)洞巖層破碎且薄弱，圍巖以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖為主，風(fēng)化裂隙與次生構(gòu)造裂隙極發(fā)育，巖體呈碎屑狀、碎塊狀，完整性差；山體主要以風(fēng)化裂隙水為主，旱季以滲水為主，雨季可呈涌流狀滲出，加之雨季時(shí)間長，降水量大，水體危害大。在隧道建設(shè)過程中多次連續(xù)沉降預(yù)警、掌子面連續(xù)溜塌、地表塌陷、初支侵限大變形。

圖1 大法郎隧道左線掌子面地質(zhì)素描示意圖

圖2 大法郎隧道松散堆積體大變形及滑塌

2 滑坡松散堆積體軟弱圍巖施工方案及要點(diǎn)

軟弱圍巖隧道具有自穩(wěn)差、易坍塌、變形大等特點(diǎn)，因隧道承受壓力的不確定性及隧道圍巖本身承載力差的因素，建議采取以下施工方案。

2.1 隧道施工工藝及支護(hù)設(shè)計(jì)

合理采用“三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱”施工工藝，依據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，嚴(yán)格執(zhí)行施工工藝標(biāo)準(zhǔn)化，強(qiáng)化支護(hù)體系，必要時(shí)結(jié)合監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)增加豎向支撐?？刂粕吓_(tái)階長度在5m 以內(nèi)，高度控制在4m 以內(nèi)，臨時(shí)仰拱榀數(shù)不得少于4 榀，中臺(tái)階長度控制在8m 以內(nèi)，臨時(shí)仰拱榀數(shù)不得少于4 榀，下臺(tái)階長度控制在8m 以內(nèi)。

隧道開挖后及時(shí)進(jìn)行噴射混凝土、拱架、鎖腳、錨管等施工，約束圍巖變形，并根據(jù)圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析圍巖變形趨勢，確定二襯施工時(shí)機(jī)。隧道施工過程中遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的施工原則。

2.2 超前輔助措施

隧道施工工程中超前小導(dǎo)管對(duì)松散、軟弱巖層起到加固作用，注漿后增強(qiáng)了松散、軟弱圍巖的穩(wěn)定性，有利于完成開挖后與完成初期支護(hù)時(shí)間內(nèi)圍巖的穩(wěn)定，防止圍巖失穩(wěn)破壞直至坍塌。松散堆積段軟弱圍巖由于溜塌、掉塊現(xiàn)象較為嚴(yán)重，需結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)及實(shí)際施工情況，及時(shí)調(diào)整小導(dǎo)管長度、施作范圍及施工間距。

2.3 初支噴射混凝土

應(yīng)確保噴射混凝土質(zhì)量，噴射混凝土應(yīng)采用濕噴工藝，初噴、復(fù)噴應(yīng)滿足以下要求：

⑴初噴混凝土

軟弱圍巖隧道富水量較大，開挖后極易發(fā)生掉塊現(xiàn)象，應(yīng)在掌子面開挖前，現(xiàn)場配備好小型濕噴機(jī)，在隧道開挖完成后及時(shí)對(duì)開挖斷面進(jìn)行初噴2-4㎝混凝土，防止因圍巖擾動(dòng)造成掉塊現(xiàn)象，以降低后續(xù)工序施工時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)初噴混凝土能平整開挖面，保證輪廓平順，與鋼拱架緊密貼合。

⑵復(fù)噴混凝土

待錨桿、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架、鎖腳錨管等施工完成后，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，形成初期支護(hù)體系，阻止圍巖松動(dòng)變形。噴射混凝土?xí)r避免產(chǎn)生空隙、空洞，復(fù)噴混凝土覆蓋拱架厚度不小于2㎝。

2.4 鋼拱架

確保拱架垂直度，鋼拱架間采用“兩正兩反”形式連接。中、下臺(tái)階開挖時(shí)避免挖機(jī)觸碰連接鋼板導(dǎo)致變形，鋼拱架連接鋼板時(shí)避免存在縫隙，針對(duì)不可避免的縫隙采用適宜的鋼筋或鋼板塞焊密實(shí)，使鋼拱架連接緊密。鋼拱架縱向連接采用10#槽鋼進(jìn)行焊接，拱架連接板位置采用22#槽鋼進(jìn)行焊接，對(duì)初支拱腳采用28#槽鋼進(jìn)行支墊，防止拱腳因承載力不足發(fā)生沉降。另外，隧道內(nèi)初支變形、剝落現(xiàn)象多發(fā)生在鋼拱架連接部位，應(yīng)在鋼拱架連接部位采用雙層鋼筋網(wǎng)片，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。

2.5 系統(tǒng)錨桿

在軟弱圍巖中，系統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖的加固作用尤為明顯。系統(tǒng)錨桿采用長短結(jié)合的方式支護(hù)。短錨桿采用樹脂錨桿，長度為3m；長錨桿采用中空注漿錨桿，長度為4.5m；錨桿環(huán)、縱向間距60cm。施工系統(tǒng)錨桿使初支外側(cè)形成“加固圈”，承受來自圈外的荷載，減少圍巖傳遞至噴射混凝土層的荷載。錨桿必須安裝錨墊板，錨墊板應(yīng)緊貼圍巖面（初噴混凝土面），確保錨固質(zhì)量。

2.6 臨時(shí)仰拱

結(jié)合圍巖沉降、收斂數(shù)據(jù)分析，在上臺(tái)階、中臺(tái)階后側(cè)施工臨時(shí)仰拱，采用I20b 鋼架。臨時(shí)仰拱每循環(huán)跟進(jìn)2 榀，滿足“先支后拆”。必要時(shí)在臨時(shí)仰拱及初支鋼拱架之間增加臨時(shí)斜撐。

2.7 二襯強(qiáng)度加強(qiáng)

隧道二襯施工正常情況下均是待隧道初支趨于穩(wěn)定后才可施做。由于隧道圍巖屬于軟弱圍巖，在隧道永久仰拱施做后，隧道初支還會(huì)有沉降變形，為防止初支變形侵限，二襯在有施工空間的情況下盡量往前跟進(jìn)。

對(duì)于復(fù)合型襯砌，在Ⅴ級(jí)圍巖（軟弱圍巖段）段襯砌，初期支護(hù)的承載能力大于設(shè)計(jì)總荷載50%，二次襯砌的承載能力大于設(shè)計(jì)總荷載60%。仰拱及二襯環(huán)向鋼筋間距由20cm 加密15cm，防止因圍巖沉降導(dǎo)致仰拱起拱、開裂。

2.8 其他輔助措施

⑴超前地質(zhì)鉆探

掌子面超前水平鉆孔，對(duì)掌子面前方地質(zhì)條件進(jìn)行勘探，提前預(yù)報(bào)前方工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，以便及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工工法。施工時(shí)超前采取相應(yīng)的控制措施，而不是在監(jiān)測到沉降變形較大后再采取相應(yīng)的措施，以達(dá)到控制隧道初支的變形沉降的目的。即對(duì)控制圍巖收斂及變形的措施應(yīng)具有超前性，而不是事后性。

⑵受力監(jiān)測

增加洞內(nèi)選測項(xiàng)目（圍巖壓力、工字鋼應(yīng)力、二襯應(yīng)力等），同時(shí)加強(qiáng)成果總結(jié)與運(yùn)用。

⑶監(jiān)控量測及數(shù)據(jù)分析運(yùn)用

隧道沉降、收斂檢測斷面為拱頂沉降點(diǎn)1 點(diǎn)、收斂點(diǎn)4 個(gè)，每3m 設(shè)置一個(gè)斷面。每個(gè)斷面開挖工序前后布點(diǎn)測量，采集收斂點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，分析相對(duì)收斂和沉降數(shù)據(jù)，以判斷初支是否存在整體沉降。

結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷臨時(shí)仰拱拆除時(shí)機(jī)。對(duì)初支監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，確認(rèn)隧道初支處于穩(wěn)定狀態(tài)后，可先對(duì)前方臨時(shí)仰拱施做后，再進(jìn)行后方臨時(shí)仰拱的拆除，并及時(shí)跟進(jìn)中臺(tái)階和下臺(tái)階鋼架的安裝施工。

3 大法郎隧道軟弱圍巖施工出現(xiàn)的問題及處治措施

根據(jù)大法郎隧道松散堆積體軟弱圍巖段施工中出現(xiàn)各種問題，采用了如下措施：

3.1 拱腰溜塌致使洞頂形成空洞

及時(shí)對(duì)拱腰溜塌位置反壓回填，防止溜塌發(fā)展，空洞擴(kuò)大。采用地質(zhì)雷達(dá)掃描，確定空洞大小及位置，對(duì)拱腰背后空洞施做小導(dǎo)管進(jìn)行引水排水，對(duì)空洞位置采用6m 小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前加固。

3.2 掌子面垮塌及隧頂?shù)乇硭?/h3>

采用“先穩(wěn)定，后處理，先洞內(nèi)，后洞外”的總體方針，先對(duì)未變形初支段落臨時(shí)支撐加固，再對(duì)洞內(nèi)掌子面溜塌進(jìn)行封堵，封堵完成后再對(duì)洞頂上方塌陷作進(jìn)一步有效處理，混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，對(duì)掌子面進(jìn)行雙層小導(dǎo)管加固。

圖3 小導(dǎo)管加密、注漿加固

3.3 掌子面持續(xù)預(yù)警

采用超短三臺(tái)階施工方法并預(yù)留核心土，每個(gè)臺(tái)階長度控制在4m 以內(nèi)，仰拱跟進(jìn)至下臺(tái)階附近，及時(shí)施作仰拱封閉成環(huán)，防止變形加劇。

3.4 溶洞處置措施

及時(shí)對(duì)開挖拱架進(jìn)行噴錨支護(hù)，加密拱架，對(duì)緊貼掌子面的拱架進(jìn)行超前支護(hù)，施做雙層小導(dǎo)管并嚴(yán)格注漿，防止掌子面出現(xiàn)垮塌，同時(shí)根據(jù)溶洞大小對(duì)拱腳溶洞進(jìn)行混凝土回填等措施，逐步推進(jìn)掌子面掘進(jìn)施工。在溶洞仰拱位置要求施做沉降縫，防止不均勻沉降造成路面損壞。

3.5 初支開裂

封閉臨時(shí)仰拱，采取洞渣反壓回填、工字鋼橫向及扇形支撐加固等措施，并對(duì)已完成的初期支護(hù)進(jìn)行徑向小導(dǎo)管注漿加固處理。同時(shí)加強(qiáng)鎖腳施工，確保鎖腳錨桿與拱架連接牢靠。

圖4 加強(qiáng)鎖腳錨桿與拱架連接

3.6 初期支護(hù)侵限

初期支護(hù)侵限，需作換拱處理。換拱段施工前須進(jìn)行初期支護(hù)封閉成環(huán)，確保仰拱及填充混凝土已施工完畢。侵限段初支背后圍巖松散體采取徑向注漿加固，基本穩(wěn)定后方可開始換拱。換拱采用弱爆破結(jié)合破碎錘、風(fēng)鎬的開挖方式，逐榀進(jìn)行換拱。

4 結(jié)語

大法郎隧道屬于山嶺特長隧道，所在區(qū)域氣候復(fù)雜，雨季時(shí)間長，在施工過程中出現(xiàn)掌子面溜塌、初支大變形、地表塌陷、支護(hù)侵限、下穿暗河及高壓電塔等一系列問題，在前期嚴(yán)重影響了質(zhì)量安全及施工進(jìn)度。通過現(xiàn)場踏勘、資料收集、監(jiān)測預(yù)警并論證分析，形成了一套完善的技術(shù)措施及隧道大變形應(yīng)急處置機(jī)制，有效地保障了隧道施工質(zhì)量、安全。工程實(shí)踐證明，針對(duì)滑坡體下軟弱圍巖段隧道工程，應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)與隧道監(jiān)測管理，復(fù)雜地質(zhì)輔以超前水平鉆探，優(yōu)化支護(hù)受力體系，合理預(yù)留初支變形量。只有在施工過程中充分了解地質(zhì)情況，靈活調(diào)整施工方法，加強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)，強(qiáng)化質(zhì)量管控，才能確保復(fù)雜地質(zhì)條件下的安全施工。