土巖組合淺埋隧洞側(cè)穿老舊房屋施工風(fēng)險控制技術(shù)

劉新有 普恒 雷波 劉暢

摘要：

在城鎮(zhèn)地區(qū)采用淺埋暗挖法進(jìn)行的地下隧洞施工中，富水軟弱地層及復(fù)雜周邊環(huán)境對施工形成較大安全隱患。為控制施工風(fēng)險，以滇中引水工程龍泉隧洞出口段土巖組合淺埋隧洞施工實踐為例，以改造地質(zhì)條件為前提，以強(qiáng)支護(hù)、密監(jiān)測為原則，以控制地表沉降為重點，以格柵（或其他鋼結(jié)構(gòu)）和噴錨作為初期支護(hù)的手段，并采用預(yù)加固、大管棚、小導(dǎo)管超前注漿等措施。結(jié)果表明：各項措施合理可行，確保了復(fù)雜地層淺埋條件下隧洞的施工安全，可為引水隧洞施工提供參考。

關(guān)鍵詞：

土巖組合； 淺埋隧洞； 施工風(fēng)險； 滇中引水工程

中圖法分類號：TV52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.010

文章編號：1006-0081（2023）05-0059-06

0 引 言

復(fù)雜地質(zhì)淺埋隧洞施工安全控制作為隧洞工程建設(shè)的難點，一直受到高度關(guān)注。相關(guān)研究和實踐取得了許多技術(shù)成果和施工經(jīng)驗，如“三超”安全風(fēng)險控制措施、多層次施工風(fēng)險評價體系、深埋長輸水隧洞施工風(fēng)險評價模型以及通過建立分解樹模型提出的風(fēng)險控制措施等［1-3］。針對上軟下硬地層中隧洞上臺階拱腳未坐落于基巖時，易引起初支整體下沉、地表沉降過大等問題，杜學(xué)才等［4］以滇中引水工程龍泉隧洞出口段為工程背景，分析了隧洞開挖引起的沉降規(guī)律及原因，并進(jìn)行了水泥-水玻璃雙液漿膠凝試驗和地表注漿現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明：地下水入滲是引起初期支護(hù)整體下沉和地表沉降過大的主要原因，采用地表注漿取得了較好的止水效果，地表沉降和拱頂沉降顯著減小。

在中國城區(qū)淺埋暗挖法隧洞施工技術(shù)的開發(fā)中取得了重大成果，但仍存在諸多不足，施工過程中存在風(fēng)險與隱患［5］。本文以滇中引水工程龍泉隧洞出口段開挖支護(hù)為例，針對其地處上土下巖地層、埋深較淺、地表建筑物復(fù)雜的工程特點，分析了隧洞施工風(fēng)險，并通過采用的三臺階向兩臺階左右分步開挖法及超前預(yù)加固、構(gòu)建筑物隔離及時調(diào)整開挖支護(hù)等措施，結(jié)合采取風(fēng)險控制措施前后的拱頂沉降、地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，表明所采取的措施達(dá)到了有效控制隧洞開挖變形、減小地表沉降、保證隧洞施工安全的目標(biāo)，可為類似工程設(shè)計、施工提供參考。

1 工程概況

云南省滇中引水工程龍泉隧洞出口段位于昆明城區(qū)北部盆地與長蟲山交接地帶，長390 m，屬土巖組合淺埋暗挖段，周邊敏感建筑物眾多，對施工安全要求高。研究區(qū)位置及周邊環(huán)境見圖1。

該段隧洞設(shè)計流量為80 m3/s，斷面型式為馬蹄形，斷面凈空尺寸為6.68 m×7.22 m（寬×高），如圖2所示。隧洞地處滇池湖盆北部邊緣區(qū)，位于長蟲山背斜東翼，巖層走向與隧洞軸向大角度（≥60°）相交，陡傾下游方向；地勢平緩、開闊，地形坡度小于5°，埋深在7～26 m之間，上覆土多為第四系沖、洪積（Q 4al+pl）土體，全部位于地下水位以上。隧洞圍巖主要為裂隙溶蝕風(fēng)化巖體，局部為表面強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化巖體，主要穿越地層為第四系全新統(tǒng)沖、洪積層（Q 4al+pl）：紅褐色黏土（③-3），硬塑，局部可塑、礫質(zhì)土（③-6），硬塑（稍密）；大塘組上司段（C 1d2）：淺灰色角礫灰?guī)r。該段隧洞地質(zhì)情況見圖3。土層、巖層主要物理力學(xué)參數(shù)分別見表1，2。

2 施工風(fēng)險分析

龍泉隧洞出口段施工風(fēng)險主要為地質(zhì)風(fēng)險、周邊環(huán)境風(fēng)險以及開挖施工風(fēng)險。其中，地質(zhì)風(fēng)險主要包括：淺埋洞段圍巖穩(wěn)定性差、圍巖大變形、涌突水、巖溶地質(zhì)災(zāi)害等。周邊環(huán)境風(fēng)險主要包括：隧洞出口段穿越第四系沖洪積層（Q 4al+pl），其兩側(cè)地面建筑分布集中，隧洞施工引起的地下水位降低和圍巖變形破壞均可能引發(fā)地表沉降超標(biāo)、塌陷、建筑物裂損等。施工風(fēng)險則包括施工作業(yè)及管理不當(dāng)導(dǎo)致的事故風(fēng)險等。

2.1 地質(zhì)風(fēng)險

龍泉隧洞出口段地質(zhì)風(fēng)險主要為：① 存在紅黏土、白云質(zhì)灰?guī)r夾層、雜填土等不良地質(zhì)，地層強(qiáng)度低、

水穩(wěn)定性差，成洞條件及承載能力不足，有圍巖穩(wěn)定及大變形問題；② 隧洞埋深淺，上覆有效巖體厚度不足2倍洞徑，開挖易冒頂塌方，且易遭遇不均勻沉降問題；③ 部分巖體巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，透水性強(qiáng)，且隧洞處于長蟲山巖溶子系統(tǒng)排泄區(qū)邊緣，上游匯水豐富，隧洞通過可溶巖段時遭遇巖溶涌水的可能性大。根據(jù)圍巖詳細(xì)劃分標(biāo)準(zhǔn)，該段屬于Ⅴ類圍巖，地質(zhì)和水文條件復(fù)雜，地質(zhì)風(fēng)險較高。

2.2 周邊環(huán)境風(fēng)險

龍泉隧洞出口段周邊環(huán)境風(fēng)險主要指隧道開挖施工引起的地表沉降會對地表建筑物造成較大危害，輕則開裂，重則倒塌［5］。龍泉隧洞出口段LQUT8+810.653 m～LQUT9+200.653 m范圍內(nèi)地表環(huán)境較復(fù)雜，隧洞右側(cè)臨近地表建筑物主要有昆明重機(jī)廠家屬區(qū)第18棟、第14棟、第13棟、新6棟、第78棟和昆明重工中學(xué)教學(xué)樓，隧洞左側(cè)臨近地表建筑物主要有公交車維修檢修中心、燃?xì)夤巨k公樓等（圖1）。其中，重機(jī)廠家屬區(qū)老舊房屋為20世紀(jì)80年代修建，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)（深1.5 m），磚混結(jié)構(gòu)5層，隧洞開挖邊線距房屋僅9.7 m。隧洞埋深在7.0～9.6 m之間，最小埋深在洞口，若暗挖施工措施不當(dāng)，引起的地表沉降可能導(dǎo)致上述建筑物開裂、傾斜、倒塌。

2.3 開挖施工風(fēng)險

淺埋大斷面隧道開挖施工各方面都存在風(fēng)險。由于開挖斷面大、埋深淺、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)差，開挖后容易導(dǎo)致大變形及變形速度過快，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工安全［6］。開挖方法不合理、超挖、超前支護(hù)不到位、開挖支護(hù)不及時、對土體擾動較多等易導(dǎo)致土體或支護(hù)結(jié)構(gòu)、尤其是拱頂上方及兩側(cè)邊墻失穩(wěn)坍塌。臺階拱腳臨空時間較長易造成拱頂及地面下沉，進(jìn)而導(dǎo)致初支失穩(wěn)。還有如開挖支護(hù)時物體掉落傷及人員、施工過程中監(jiān)測不及時或異常數(shù)據(jù)未及時處理、施工質(zhì)量不符合要求、安全措施不到位等，均會造成事故的發(fā)生。

3 施工風(fēng)險控制措施

3.1 開挖方式選取

開挖方法選擇不當(dāng)或工序間安排不合理，將造成開挖面暴露時間過久，引起圍巖松動、掉塊等；支護(hù)不及時易導(dǎo)致地表沉降過大及塌方［7］。因此，必須采取正確的開挖方法并確保初期支護(hù)質(zhì)量，包括超前支護(hù)、加強(qiáng)初期支護(hù)、加強(qiáng)監(jiān)控量測、采用封閉型鋼成環(huán)、緊跟二次襯砌等。

滇中引水工程龍泉隧洞出口段起伏巖層以角礫灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等中硬巖為主，抗壓強(qiáng)度達(dá)60 MPa。為減小爆破振動影響，該段均采用非爆機(jī)械開挖。由于地質(zhì)不均勻，采用組合工法并動態(tài)調(diào)整開挖臺階及支護(hù)參數(shù)，具體如下。

（1） 臺階調(diào)整。將隧洞前30 m作為開挖試驗段，采用三臺階預(yù)留核心土開挖，核心土確保了掌子面穩(wěn)定，但拱腳破巖效率較低，開挖工序時間長，拱腳擾動次數(shù)多。而且，由于作業(yè)空間受限，錨桿施工不及時，拱架封閉成環(huán)周期長，不利于沉降控制。后半段結(jié)合已探明的巖層起伏情況，將開挖方案調(diào)整為兩臺階開挖。作業(yè)過程中加密監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果在設(shè)計超前支護(hù)措施上增加其他工程措施。

通過臺階調(diào)整，有效縮短了開挖面暴露時間，減小了拱頂沉降。由于土的固結(jié)過程中，土體水分排出，土體體積減小、密度及強(qiáng)度增大，易導(dǎo)致地層損失，故預(yù)埋注漿管及時進(jìn)行初支回填灌漿，降低了地層損失率。

（2） 支護(hù)調(diào)整。隧洞開挖后及時進(jìn)行初期支護(hù)，采用工字鋼橫撐將下臺階拱腳封閉，如圖4所示。上臺階鋼拱架之間加設(shè)I20a工字鋼作為縱向橫擔(dān)梁，并將縱向橫擔(dān)梁與初期支護(hù)鋼架腹板焊接成整體，如圖5所示。通過支護(hù)調(diào)整，在減小了裸洞時間的同時，加快了初支成環(huán)，有效控制了初期支護(hù)體系的整體下沉。縱向橫擔(dān)梁增加了初期支護(hù)鋼架的縱向剛度，有效控制了拱頂沉降。

為驗證新的開挖方式對隧道變形的控制效果，對隧洞里程LQUT9+185和LQUT9+140兩斷面的拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測，其中LQUT9+185斷面未進(jìn)行開挖臺階調(diào)整和支護(hù)調(diào)整，LQUT9+140斷面已進(jìn)行調(diào)整。圖6為兩斷面拱頂沉降時程曲線，可看出，變化開挖方式前，LQUT9+185斷面拱頂沉降增長速率較快，50 d后仍在緩慢增加，達(dá)到35 cm以上；變化開挖方式后，LQUT9+140斷面拱頂下沉減緩，且40 d后穩(wěn)定在20 cm附近，表明開挖臺階和支護(hù)調(diào)整對拱頂沉降具有良好的控制效果。

3.2 地質(zhì)風(fēng)險預(yù)報措施

從以往隧洞施工情況來看，圍巖條件較差洞段易出現(xiàn)塌方，而圍巖條件較好洞段也往往因超前地質(zhì)預(yù)報未落實到位，出現(xiàn)涌水突泥等地質(zhì)風(fēng)險。根據(jù)2.1節(jié)可知，龍泉隧道出口段不僅圍巖條件較差，且存在巖溶涌水的風(fēng)險，因此更需要考慮進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報工作。聯(lián)合使用物探法與鉆探法，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果和掌子面實際情況，研判是否需要進(jìn)行超前鉆探。采用超前地質(zhì)鉆探則進(jìn)行12 m及以上深度探測（連續(xù)施作大管棚時可代替超前鉆探），掌子面探測鉆孔不少于1個，探孔位置布置在掌子面洞頂范圍。在富水巖溶發(fā)育區(qū)域、設(shè)計風(fēng)險提示區(qū)域適當(dāng)增加物探探孔數(shù)量。鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)突進(jìn)、卡鉆或出水壓力較大時，停止鉆進(jìn)，召集參建四方進(jìn)行決策后采用合理的技術(shù)措施施工。

3.3 周邊環(huán)境風(fēng)險控制措施

3.3.1 建筑物隔離及洞外加固

為保證隧洞施工過程中周邊地面建筑物的安全穩(wěn)定，在全土層段和上土下巖段對地面建筑物采取隔離措施。采用小型機(jī)械地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行隔離樁施工，并分別按建筑物距離隧洞邊線距離和地質(zhì)情況進(jìn)行地層注漿加固、地層注漿加固+套管、地層注漿加固+鋼筋籠、地層注漿加固+套管+鋼筋籠的洞外加固措施。

3.3.2 安全監(jiān)測控制

通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證建筑物隔離及洞外加固應(yīng)用效果。除日常監(jiān)測項目外，還新增建筑物沉降、傾斜量測等項目，每日進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析并繪制關(guān)系曲線，預(yù)測后續(xù)數(shù)據(jù)的變形趨勢。通過監(jiān)測對施工過程進(jìn)行動態(tài)控制和信息化指導(dǎo)。若數(shù)據(jù)變化異常，則按要求進(jìn)行預(yù)警并加密監(jiān)測，及時采取相應(yīng)控制措施，確保施工和周邊地面建筑物安全。圖7為昆明重機(jī)廠住宅區(qū)附近地表沉降監(jiān)測值隨時間變化曲線，DBC01～07代表不同的測點。由圖7可得，住宅區(qū)地表沉降累計變化值介于-3.21～20.29 mm之間，沉降變化速率介于-5.97～4.45 mm/d之間。地表總體沉降累計變化值與沉降變化速率均在設(shè)計控制值之內(nèi)，表明采取的建筑物隔離及洞外加固措施對沉降控制較好。

3.4 開挖安全風(fēng)險控制措施

3.4.1 超前預(yù)加固

為控制地層沉降，通常對洞內(nèi)局部土體進(jìn)行加固，以有效改進(jìn)土體特性［8］，在隧道開挖施工后形成自然拱。為有效控制開挖風(fēng)險，該段設(shè)計采用超前灌漿，注漿孔布置如圖8所示。

在該段黏土層或上土下巖地層施工過程中，巖層起伏較大，掌子面超前灌漿為水平布孔，巖土交界面不易探明，灌漿過程中僅巖土分界線處灌漿孔具有可灌性，其余孔漿液擴(kuò)散通道均被黏土層隔斷，灌漿量較小，未達(dá)到超前堵水兼顧預(yù)加固圍巖的效果，仍存在突泥涌水風(fēng)險。經(jīng)試驗后調(diào)整為地表超前注漿加固，隧洞中心及左右邊線各布置一孔（間距1.5 m，鉆孔角度根據(jù)測量放樣及隧洞埋深設(shè)置，確保鉆孔位置延伸至隧洞拱腳）的方式施作鉆孔，通過鉆孔探明隧洞巖土分界線及溶腔位置，且根據(jù)鉆孔進(jìn)尺及回水情況判斷相應(yīng)區(qū)域地層性質(zhì)及可灌性，對灌漿起到指導(dǎo)作用。

通過超前灌漿和超前地表加固結(jié)合，使圍巖的裂隙被具有一定強(qiáng)度的漿體充填密實，加固了圍巖，形成了止水帷幕。后期開挖后揭露的隧洞土層及巖層大多較干燥、無滲漏水情況，且開挖過程中掌子面漿脈明顯，表明隧洞內(nèi)及周邊區(qū)域巖溶裂隙被水泥漿填充較好，地表超前預(yù)加固灌漿堵水效果明顯。

3.4.2 超前大管棚

根據(jù)隧洞模型試驗與現(xiàn)場監(jiān)測分析，隧道的破壞首先發(fā)生在拱頂位置，隨著隧道不同部分的開挖，破壞區(qū)向拱肩和地表擴(kuò)展［9］。管棚超前注漿技術(shù)能有效控制淺埋隧道的地層變形［10］，因此采用超前大管棚作為支護(hù)措施［11］，現(xiàn)場實際全土洞段布置范圍由頂拱120°調(diào)整為頂拱180°。采用Φ108熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm，間距0.5 m，長12 m，外插角15°，兩循環(huán)間搭接3 m，如圖9，10所示。

管棚與拱架可靠焊接形成穩(wěn)定支點。由于大管棚的梁效應(yīng)及擴(kuò)散傳遞荷載的作用，通過施作超前大管棚，一方面減少了工作面上覆的土壓力，避免了圍巖失穩(wěn)；另一方面其預(yù)支護(hù)作用減小了地表沉降及拱頂沉降。同時通過管棚注漿可改善圍巖狀況，加固巖體，與超前灌漿作用類似。在管棚鉆孔過程中做好詳細(xì)記錄，還可作為掌子面前方超前探孔依據(jù)。

3.4.3 超前小導(dǎo)管

實際開挖過程中，掌子面拱頂處局部滲水，上臺階巖層起伏，石芽夾黏土，黏土呈硬塑狀。受水浸泡后易軟化、崩解，開挖立架過程中黏土剝落掉塊，需要進(jìn)行大量清理排險工作，嚴(yán)重影響施工工期，且超挖嚴(yán)重，影響施工經(jīng)濟(jì)性。原設(shè)計小導(dǎo)管采用Φ42熱軋無縫鋼管，布置拱頂120°～180°，壁厚3.5 mm，間距0.5 m，長4.5 m，外插角10°～20°，兩循環(huán)間搭接1.5 m。為控制風(fēng)險，在原設(shè)計基礎(chǔ)上加密布置小導(dǎo)管，上土下巖洞段布置范圍調(diào)整為施作至巖土交界面且不小于頂拱180°范圍，長度3 m，間距0.4 m，每循環(huán)布置，搭接1.5～2.0 m，如圖11所示。

超前小導(dǎo)管一方面可起到超前管棚作用，另一方面可通過注漿與圍巖緊密黏結(jié)，形成共同體。加密超前小導(dǎo)管前，隧洞最大超挖可達(dá)25 cm；加密后，隧道最大超挖控制在10 cm以內(nèi)，表明加密后的小導(dǎo)管有效減少了超挖及掉塊，提高了施工效率和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 論

以滇中引水工程龍泉隧洞出口段為依托，結(jié)合施工工藝措施，針對上土下巖地質(zhì)及淺埋等工程特點進(jìn)行了風(fēng)險分析，并采取合理措施控制施工風(fēng)險，得到以下結(jié)論。

（1） 龍泉隧洞出口段施工具有諸多風(fēng)險，包括地質(zhì)風(fēng)險、周邊環(huán)境風(fēng)險以及開挖施工風(fēng)險，需分別采取相應(yīng)風(fēng)險控制措施。

（2） 采用三臺階預(yù)留核心土對全黏土段進(jìn)行開挖，采用兩臺階對上土下巖段分步開挖，輔以超前支護(hù)、支護(hù)參數(shù)調(diào)整、超挖掉塊部位及時采用初支回填注漿等，可確保高效施工、初支快速封閉成環(huán)，有利于初支整體穩(wěn)定、控制拱頂沉降。

（3） 采用物探法與鉆探法相結(jié)合的方式落實超前地質(zhì)預(yù)報工作，提前做好掌子面前方的地質(zhì)研判及處理。

（4） 采取微型隔離樁及洞外注漿對地表周邊建筑物進(jìn)行隔離加固，監(jiān)控量測結(jié)果表明該措施可有效減小隧洞開挖對周邊環(huán)境的影響。

（5） 采用超前注漿對地下水進(jìn)行超前封堵，堵水效果明顯。施作超前大管棚可控制地層變形，施作加密布置后的超前小導(dǎo)管可有效減少超挖及掉塊。

施工實施效果驗證了各項措施的可行性和合理性，可為今后引水隧洞建設(shè)提供思路和經(jīng)驗。

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（編輯：李 慧）

Abstract：

The water-rich soft stratum and complex surrounding environment in the construction of underground tunnel using shallow buried excavation method in urban area form great security risks.To control the construction risks，take the construction practice of the excavation of shallow buried tunnel in soil-rock combination stratum in the Longquan tunnel exit section of the Central Yunnan Water Diversion Project as an example，with the precondition of reforming structural geology，under the principle of reinforcement measures and intensive monitoring，and based on the priority of controlling ground settlement，steel grate（or other steel structures） and shotcrete and rock bolt support were used an effective rocky reinforcement measures at the early stage.Relevant measures such as pre-reinforced structure，pre-grouted big tube canopy and advanced grouting with small pipe were taken.The results showed that all the measures were reasonable and feasible，ensuring the safety of tunnel construction under shallow buried conditions of complex strata，which could provide references for the construction of diversion tunnel.

Key words：

soil-rock combination； shallow-buried tunnel； construction risk； Central Yunnan Water Diversion Project