劉旭東

（中鐵一局集團有限公司，陜西西安 710054）

0 引言

淺埋隧道常因隧道周圍應力分布不均勻，在隧道洞口段或者部分洞身段部位出現(xiàn)偏壓的情況，這樣便形成了淺埋偏壓隧道。一般情況下，淺埋偏壓隧道在地表以下一定深度范圍內的圍巖主要由強風化層和坡積層構成，其主要是Ⅴ級圍巖或者是節(jié)理化十分嚴重的Ⅳ級圍巖構成[1]。由于偏壓隧道埋深淺、圍巖差、荷載不平衡，在隧道開挖過程中經常會出現(xiàn)圍巖變形超限、冒頂、底板鼓脹，而且因偏壓效應引起的隧道襯砌受力不對稱性，使得襯砌結構受力狀態(tài)不平衡，嚴重情況下將導致初期支護乃至二次襯砌的開裂，降低了隧道結構的承載能力，且破壞了隧道的防排水系統(tǒng)，導致了滲漏乃至突水突泥情況的發(fā)生[2]。針對淺埋偏壓隧道的施工技術，已有專家、學者和一線工程師根據(jù)實際情況從結構設計、掘進工藝、支護方法、加工工藝等多方面進行了研究和探討，并提出了諸多行之有效的處理方法。鐵道部第二勘察設計院根據(jù)二郎山隧道出口段圍巖軟弱、地形嚴重偏壓，在隧道開挖過程中常發(fā)生坡體失穩(wěn)，隧道襯砌開裂的特點，提出了壓漿改善襯砌結構的受力狀況從而保障隧道穩(wěn)定的施工方法[3]。汪東明等人根據(jù)夾坑隧道右洞進口段圍巖軟弱，偏壓段施工過程中明洞段塌方的情況，在淺埋段實施地表注漿加固以改善圍巖力學性能；對支護結構進行糾偏調整，保證了隧道順利通過了不良地質段[4]。李銳對松南隧道施工期間出現(xiàn)的病害進行深入分析以后，采用洞內自進式錨桿和洞外灌漿錨桿聯(lián)合加固的方案，收到了預期效果[5]。韋寥英根據(jù)桓婭壩隧道洞口段偏壓嚴重的特點，采用地表加固，超前小導管預支護和鋼格柵網噴聯(lián)合支護，確保隧道安全通過淺埋偏壓段[6]。王立川、聶玉文等根據(jù)多年施工設計經驗總結了淺埋偏壓隧道的諸多設計要點，提出了“強支護、快閉合、勤監(jiān)測”等設計要領[7-9]。

本文以福建平潭某隧道為例，提出了在圍巖等級差、埋深淺、跨度大等嚴重不利條件下的扁平隧道糾偏、加固技術，并對其可行性和可靠性進行分析。該隧道位于平潭城西側，屬上下分離式小凈距扁平隧道。隧道北線長868 m，南線長829 m。南北兩線隧道進口局部段凈距小于40 m，為小凈距隧道，中間段凈距大于40 m，為分離式隧道。南洞出口端Ⅴ級圍巖長52 m，隧道洞頂以上10 m范圍殘積砂質粘土層，全風化花崗巖，洞身巖土體主要由全風化花崗巖至中風化花崗巖組成。

經測量，南線出口段偏壓淺埋段坡度為1:2.75，偏壓較為嚴重。根據(jù)設計方案，南線出口處V級圍巖小凈距段初期支護、永久支護鋼拱架型號為I25，臨時支護鋼拱架型號為I16，采用雙側壁導坑法施工，將隧道斷面分成左、右及中間三部分開挖，每側壁導坑分為二層臺階開挖。各導坑上下臺階的縱向間距離不小于5 m，左右側導坑同時施工，具體開挖順序如圖1所示。

其開挖順序為：（1）開挖右側導坑上臺階；（2）施工右側導坑上臺階初期支護、臨時支護、臨時仰拱、鎖腳錨桿；（3）開挖右側導坑下臺階；（4）施工右側導坑下臺階初期支護、臨時支護、鎖腳錨桿；（5）開挖左側導坑上臺階；（6）施工左側導坑上臺階初期支護、臨時支護、鎖腳錨桿；（7）開挖左側導坑下臺階；（8）施工左側導坑下臺階初期支護、臨時支護、鎖腳錨桿；（9）開挖中部導坑上臺階；（10）施工拱部第一層初期支護；（11）開挖中部導坑中臺階；（12）施工臨時仰拱；（13）開挖中部導坑下臺階；（14）施工中部導坑下臺階第一層初期支護；（15）施工仰拱第二層初支、二襯及仰拱回填；（16）拆除臨時支護及臨時仰拱（一次拆除縱向長度不大于 1 m）；（17）施工拱墻部第二層初期支護；（18）鋪設環(huán)向盲溝及防水板，整體澆注拱墻部二次襯砌。

圖1 原設計施工方案工序圖

如圖2所示，隧道南線出口淺埋偏壓段偏壓嚴重，隧道開挖過程中發(fā)現(xiàn)，因開挖引起的地表沉降、拱頂下沉、拱腳下沉均較大，其中深埋側導坑拱頂下沉、地表沉降均超過預警值。南線出口處于地形偏壓地段，深埋側導坑承受較大垂直土壓力及水平壓力。由于導坑的開挖形成的人為偏壓，加劇了偏壓的形成，進而對結構產生不利影響，初期支護及地表形成裂縫。洞內沿著初期支護中部、臨時支護中部（鋼架節(jié)點位置）形成縱向裂縫，裂縫寬度1～2 mm，長度10～12 m；地表裂縫寬度1.5～2 cm，深度4 m，在未開挖這段時間內，收斂及變形穩(wěn)定，裂縫不擴展。考慮到中導坑開挖及下部開挖均可能使變形加大，因此采取了偏壓處理方案，待偏壓處理后才能進行隧道開挖。

圖2 隧道南線出口實景

1 偏壓隧道襯砌受力特征分析

采用公路隧道設計規(guī)范(JTG D70-2004)中提供的偏壓隧道壓力計算方法[10]，如圖3所示。

圖3 偏壓隧道襯砌受力計算模型圖

偏壓隧道垂直壓力的解析計算公式為：

式中：h、h'——內外側拱頂水平面到地面的距離，m；

B——隧道跨度；

γ——圍巖重度；

θ——頂班土柱量測摩擦角，（°）；

λ、λ′——內外側的側壓力系數(shù)，由公式（2）、（3）計算。

式（2）～式（5）中：

α——山體坡度角，(°)；

φc——圍巖摩擦角，(°)；

β、β′——內外側產生最大推力時的破裂角。

由（1）可得，隧道內、外側的垂直壓力分別為：

隧道左右兩側的垂直壓差為：

偏壓隧道水平側壓力的解析計算公式為：

隧道左右兩側的水平壓差為：

由式（10）、式（11）可見，水平和垂直偏壓力與兩側圍巖高差、山體坡度、巖體計算摩擦角密切相關，在隧道兩側地表高差較大的情況下，隧道支護將受到水平和垂直兩個方向上的壓差作用。要減小壓差帶來的影響，有3個渠道，其一為隧道外側進行回填或者內側挖方以平壓；其二為加固山體，提高圍巖自穩(wěn)和抗變形能力；其三為加強隧道支護強度，提升隧道支護本身抵抗偏壓作用的能力。

2 偏壓段聯(lián)合處置方案

施工過程中發(fā)現(xiàn)南線出口段出現(xiàn)地表裂縫，隧道結構初支混凝土表面出現(xiàn)裂縫，且裂縫有逐步擴大的趨勢，因此立即停工并研究裂縫產生的原因及處理措施。通過對南線出口橫斷面進行復測后發(fā)現(xiàn)偏壓嚴重是導致裂縫產生的主要原因，如繼續(xù)進行中導坑開挖及下部開挖，可能使隧道結構變形加大和裂縫持續(xù)擴展甚至引起隧道垮塌。采取以下措施進行偏壓糾正：

（1）在開挖前對沿線山體一側的巖體進行加固，采用間距1.0m×1.0m梅花型布置的Φ108mm微型鋼管樁，并內插φ22鋼筋籠進行加固，一排共設置4根，為了使其成為整體，在管樁頂部設置混凝土冠梁。通過微型鋼管樁施工，實現(xiàn)了對內側巖體的加固，減少了偏壓偏載，由鋼管樁提供側壓抗力保證施工安全，管樁具體布置如圖4、圖5所示。

圖4 鋼管混凝土加固結構剖面圖（單位：mm）

圖5 鋼管混凝土平面布置圖（單位：m）

（2）采用反壓回填，以提高外側圍巖的承載平衡能力。挖除表層的種植土、坡積亞粘土及坡積碎石，全段擋墻基坑開挖后夯實，再進行基礎砌筑。右側邊墻設置里程為SK5+090～SK5+080段,在SK5+090處為4.03 m，其余段落可根據(jù)現(xiàn)場地形調整。

（3）優(yōu)化開挖工法，該段處于Ⅴ級圍巖淺埋偏壓段，采用雙側壁導坑法，根據(jù)現(xiàn)場工況，由于施工方原因，雙側壁導坑的左右導坑上臺階已經超前50 m，為保證導坑的及時封閉，先開挖各導坑下臺階，及時封閉成環(huán)，導坑錯開距離，按照開挖一側導坑引起圍巖應力重分布的影響不至于波及另一側已成導坑的穩(wěn)定為原則予以確定，錯開30 m距離，待兩側的上下導坑開挖完成后，再開挖中間的導坑。

（4）監(jiān)控量測：為實施監(jiān)控隧道圍巖變化情況，加強南線出口淺埋偏壓段的監(jiān)測，地表沉降由原設計2個斷面，加密為4個斷面；洞內加密為每5 m設1個監(jiān)測斷面。同時進行專項監(jiān)控量測，對初支鋼支撐應力、圍巖壓力及層間支護壓力進行監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與支護結構強度、剛度進行相互印證，并根據(jù)監(jiān)測結果及時采取加固措施或調整開挖方案。

3 實測結果分析

采取山體加固和調整施工方案進行削減偏壓處理后，繼續(xù)進行開挖施工，并對地表、拱頂、拱腳等部位進行沉降監(jiān)測，對隧道結構進行收斂監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，與偏壓處理前的檢測結果進行對比分析，一方面是為了檢驗減偏措施的實際效果，另一方面是隨時掌握結構變形動態(tài)，一旦變形超出預警范圍，即考慮采取新的處理措施。

地表監(jiān)測點布置在南線出口的洞頂，共布置2條測線，各6個測點?，F(xiàn)采用第一條測線作為分析對象，測定名稱和位置如圖6所示。通過監(jiān)測，共記錄了糾偏施工前后各8個連續(xù)監(jiān)測日的沉降數(shù)據(jù)。

圖6 地表監(jiān)測點布置圖

隧道結構變形監(jiān)測中，共有4個斷面進行了糾偏前后的連續(xù)監(jiān)測。如圖7所示，各斷面拱頂沉降點有2個，左右導洞頂部各1個；拱腳沉降點共4個，2個導洞左、右拱腳處各1個；收斂監(jiān)測點共10個，分別布置在初支表面和臨時支撐柱上。通過監(jiān)測得到了每個點糾偏施工前后各8個或者5個連續(xù)監(jiān)測日的累積變形數(shù)據(jù)。

圖7 隧道內監(jiān)測點布置示意圖

圖8為南線出口隧道頂部地表加固前后各8個連續(xù)監(jiān)測日的累積沉降值對比曲線。從圖8可以看出施工引起的地表沉降已基本到位，加固后沉降值保持平穩(wěn)態(tài)勢，在最大沉降值附近小幅度波動，未發(fā)生進一步明顯增大現(xiàn)象。

圖8 加固前后地表沉降對比曲線圖

圖9～圖12為加固前后左右導坑的4個拱腳監(jiān)測點的累積沉降曲線。從圖9～圖12可以看出，受偏壓作用的影響，拱腳受力復雜，沉降值波動較大，特別是GJ6-2測點沉降的趨勢較為明顯。經加固糾偏處理后，沉降得到了明顯控制或者改善，曲線基本保持直線水平，在最大值附近小幅度波動，部分點在偏壓減除后發(fā)生了回彈，表明了拱腳處由偏壓帶來的影響得到了明顯削弱。

圖9 SK 5+060監(jiān)測斷面拱腳沉降曲線對比圖

圖10 SK 5+070監(jiān)測斷面拱腳沉降曲線對比圖

圖11 SK 5+080監(jiān)測斷面拱腳沉降曲線對比圖

圖12 SK 5+090監(jiān)測斷面拱腳沉降曲線對比圖

圖13～圖15為加固前后左右導坑的2個拱頂監(jiān)測點的累積沉降曲線。從圖13～圖15可以看出，受偏壓作用的影響，拱頂受力復雜，部分監(jiān)測點沉降值波動較大。經加固糾偏處理后，沉降得到了明顯控制或者改善，曲線基本保持直線水平，在最大值附近小幅度波動，部分點在偏壓減除后發(fā)生了回彈，如GD6-2和GD9-2，表明了拱頂處由偏壓帶來的影響得到了明顯削弱。

圖13 SK 5+060監(jiān)測斷面拱頂沉降曲線對比圖

圖14 SK 5+070監(jiān)測斷面拱頂沉降曲線對比圖

圖15 SK 5+090監(jiān)測斷面拱頂沉降曲線對比圖

圖16～圖19為加固前后左右側的收斂曲線。從圖16～圖19可以看出，經加固糾偏處理后，收斂曲線基本保持直線水平，在平均值附近小幅度波動，大部分收斂值在偏壓減除后逐漸減小，如SL6-2和SL7-1等，表明了由偏壓帶來的結構面收斂變形得到了明顯削弱。

圖16 SK 5+060監(jiān)測斷面收斂曲線對比圖

圖17 SK 5+070監(jiān)測斷面收斂曲線對比圖

圖18 SK 5+080監(jiān)測斷面收斂曲線對比圖

圖19 SK 5+090監(jiān)測斷面收斂曲線對比圖

對地表和隧道內的所有監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)，加固糾偏后，部分點變形進一步增大，部分點保持不變，其它點變形減小，也就是發(fā)生了回彈。對這些點進行了分析統(tǒng)計，結果如表1所列，加固后變形增大點共7個，占總共40個點的17.5%；變形基本保持不變（10%）的點共18個，占總監(jiān)測點的45%；變形減小的點共15個，占總監(jiān)測點的37.5%；即變形得到有效控制的點占總點數(shù)的82.5%，充分說明了加固糾偏方案是有效的。

表1 加固糾偏前后監(jiān)測值統(tǒng)計表

4 結論

本文以福建平潭牛寨山隧道為例，研究了偏壓淺埋扁平隧道的受力機理，提出了施工的不利條件。針對偏壓引起的地表開裂、洞壁變形破壞等不良現(xiàn)象，提出了超淺埋段進行山體加工并優(yōu)化施工工序以糾正偏壓。為了驗證方案的可行性，根據(jù)結構沉降和變形監(jiān)測結果進行了檢驗，得到了以下成果或者結論：

（1）淺埋扁平隧道受偏壓影響明顯，壓差超限后會導致隧道表面結構嚴重變形甚至破壞；地表發(fā)生不均勻沉降，引起開裂等現(xiàn)象。

（2）在淺埋段進行山體加固能夠有效地減輕山體內側壓力，使得作用在隧道結構上的壓差減小，保證其結構穩(wěn)定并安全通過淺埋段。

（3）通過調整和優(yōu)化施工工序，先開挖靠山體內側導洞，釋放部分高壓，再開挖外側導洞，減小了最終作用在隧道上的壓差，保證了隧道受力均衡。

（4）地表沉降和隧道結構變形監(jiān)測結果表明，采用文中所提出的加固和糾偏措施后，變形得到了有效的控制，開裂等破壞現(xiàn)象再未發(fā)生。

綜上所述，本文結合工程實例提出的偏壓條件下，扁平隧道穿越淺埋段的加固和優(yōu)化方法是可靠的，能夠有效地減小偏壓，增強隧道抵抗偏壓地形影響的能力，保證隧道順利通過淺埋段。

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