杜榮生

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，公路隧道不斷向崇山峻嶺地區(qū)邁進(jìn)，其不可避免地要穿越破碎圍巖、淺埋、偏壓、富水等不良地質(zhì)段，給公路隧道的建設(shè)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。目前，學(xué)者們針對(duì)隧道不良地質(zhì)段的施工技術(shù)已開展了大量的研究工作。黃成造[1]等人針對(duì)某公路隧道破碎圍巖塌方段的工程實(shí)例，在研究采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)預(yù)留核心土的穩(wěn)定性問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出對(duì)拉錨桿的新型隧道施工工藝；吳華忠[2]等人結(jié)合茅山西隧道的淺埋段，根據(jù)實(shí)際量測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，對(duì)明挖法和蓋挖法進(jìn)行深入研究，研究結(jié)果表明，蓋挖法節(jié)省了投資，保護(hù)了環(huán)境；邵利平[3]以沈陽(yáng)市某人行過(guò)街通道為工程實(shí)例，針對(duì)其超淺埋段，采用二重管深孔注漿技術(shù)有效加固了地層，在保證地面正常交通及地下管線安全的前提下，順利完成施工；張慧[4]等人以六武高速公路某隧道為工程實(shí)例，在其施工中遇到淺埋、偏壓、軟弱圍巖等情況下，采用“零開挖進(jìn)洞”等一系列施工方案，既可保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又可保證施工安全。本文依托太佳高速公路老龍山隧道工程，針對(duì)其不良地質(zhì)段提出相應(yīng)的施工控制措施，并對(duì)其施工效果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，以期為類似工程提供借鑒意義。

1 工程概況

老龍山隧道是一座雙向四車道分離式隧道，其左洞長(zhǎng)4 970 m，右洞長(zhǎng)4 940 m，最大埋深230 m。隧址區(qū)位于太原盆地西部，呂梁山脈東部，屬黃土覆蓋中山區(qū)，其地形地貌主要為黃土峁、梁溝壑區(qū)，地勢(shì)起伏較大，相對(duì)高差約200～300 m，“V”字型沖溝發(fā)育且分布較為密集，其縱橫交錯(cuò)，溝谷深度一般為35～50 m，坡度為50°～70°。在隧道地表局部發(fā)育有黃土陡壁，其高度約30 m。隧道進(jìn)口端位于山坡坡腳，連接一段填方路基；出口端位于山體中部，連接路塹邊坡。

根據(jù)隧道鉆探及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果可知，隧址區(qū)內(nèi)覆蓋層主要包括第四系全新統(tǒng)沖洪積卵石（Q4al+pl）、晚更新統(tǒng)沖洪積成因卵石和風(fēng)積黃土（粉土）（Q3eol）、第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積成因的黃土（粉質(zhì)黏土）（Q4eol）。該隧道基巖主要包括晚第三系上新統(tǒng)（N2）礫巖和奧陶系中統(tǒng)（O2）泥灰?guī)r、灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r等，其巖層風(fēng)化層較為發(fā)育。

由于隧址區(qū)位于呂梁-太行斷塊西部的呂梁隆起區(qū)及其中部的五臺(tái)山隆起區(qū)，其巖體形態(tài)受褶皺構(gòu)造影響較大，因此其巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體較為破碎，對(duì)隧道施工影響較大。尤其在隧道左線ZK53+875—ZK53+905段，其埋深僅有5 m，屬于黃土超淺埋段，在施工過(guò)程中出現(xiàn)掉塊、塌方現(xiàn)象，在其上導(dǎo)坑施工完成后，其拱部即發(fā)生較大沉降，拱肩部位出現(xiàn)鋼拱架嚴(yán)重剪切變形現(xiàn)象，其具體情況如圖1、圖2所示。

圖1 隧道塌方

圖2 隧道鋼拱架剪切變形

2 不良地質(zhì)段施工控制措施

2.1 預(yù)加固措施

由于老龍山隧道洞口段圍巖極為破碎，極易發(fā)生塌方，且部分圍巖為富水軟弱土質(zhì)，因此應(yīng)采用管棚進(jìn)行預(yù)加固。管棚是由鋼管和鋼支撐組成的超前支護(hù)體系，可用于預(yù)加固和支撐自穩(wěn)能力較差的隧道段。

在管棚施工過(guò)程中，首先利用人工送管，再利用鉆機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)，直至頂進(jìn)至設(shè)計(jì)深度，其在洞身段易受施工空間的影響，因此主要用于洞口預(yù)加固。在管棚支護(hù)體系中，鋼管為縱向支護(hù)，宜采用φ80的鋼管，以1°～2°的仰角鉆進(jìn)至前方圍巖中，其長(zhǎng)度為35 m，可用絲扣進(jìn)行連接加長(zhǎng)，每節(jié)鋼管長(zhǎng)度為4～6 m，縱向搭接長(zhǎng)度不小于3 m，環(huán)向布設(shè)間距為45 cm。鋼管鉆孔直徑應(yīng)大于鋼管自身直徑2 cm，以利于鋼管頂進(jìn)。鋼支架為環(huán)向支護(hù)，可采用普通鋼拱架，其與鋼管共同構(gòu)成超前支護(hù)體系。

對(duì)于洞身段的破碎圍巖，主要采用超前小導(dǎo)管注漿法進(jìn)行加固，首先利用鉆機(jī)將小導(dǎo)管以5°～10°的外插角向隧道掌子面前方打設(shè)，再連接注漿機(jī)以3～5 m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行注漿加固。結(jié)合老龍山隧道的實(shí)際情況，本項(xiàng)目組決定采用滲透注漿法進(jìn)行圍巖預(yù)加固，即利用中低壓將具有一定滲透性的漿液注入圍巖中，并逐漸滲透入圍巖裂隙中，從而將破碎圍巖進(jìn)行加固。為保證注漿效果，本項(xiàng)目采用的單管漿液擴(kuò)散半徑為0.5 m。

2.2 開挖工法

由于分部開挖可將整個(gè)隧道掌子面分成不同部位而逐步開挖，因此可將一部分超前開挖作為超前導(dǎo)坑，為下一步開挖提供指導(dǎo)。分部開挖可有效減小掌子面開挖跨度，利于圍巖穩(wěn)定，適用于軟弱破碎圍巖段。結(jié)合老龍山隧道的實(shí)際情況，選用臺(tái)階分部開挖法，即環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，一般開挖進(jìn)尺為0.5 m，其上部預(yù)留的核心土可有效支撐開挖面，有利于隧道掌子面穩(wěn)定，具體情況如圖3所示。

圖3 臺(tái)階分部開挖法

對(duì)于隧道不良地質(zhì)段，在采用上述超前預(yù)加固措施后，采用人工配合機(jī)械方式進(jìn)行開挖掘進(jìn)，每循環(huán)0.5 m，從而避免爆破作業(yè)中對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)。在上述措施的及時(shí)支護(hù)及嚴(yán)格開挖作業(yè)下，可順利通過(guò)不良地質(zhì)段，有效保證施工安全。

3 施工效果評(píng)價(jià)

3.1 支護(hù)狀況觀察

為全面評(píng)價(jià)老龍山隧道在采用上述施工控制措施的效果，本文主要針對(duì)以下三方面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察：

a）對(duì)隧道地表、洞口邊仰坡進(jìn)行觀察，包括地表有無(wú)塌陷、地裂縫，洞口防護(hù)混凝土有無(wú)開裂、掉塊。

b）對(duì)初期支護(hù)有無(wú)裂縫、滲漏水情況進(jìn)行觀察，且對(duì)于已發(fā)生的裂縫，仔細(xì)觀察其裂縫長(zhǎng)度、寬度、有無(wú)滲水情況，判斷其發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)預(yù)警。

c）對(duì)已施作二襯的隧道段，主要觀察混凝土有無(wú)裂縫、剝離，鋼拱架有無(wú)剪切破壞，基底是否有隆起等。

利用上述現(xiàn)場(chǎng)觀察手段對(duì)老龍山隧道左線ZK53+875—ZK53+905段進(jìn)行觀察后可知，采用上述施工控制措施，其初期支護(hù)狀況良好，二襯未見明顯裂縫、滲漏水，可初步判定該施工控制措施取得了良好的效果。

3.2 地表下沉

采用精密水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺進(jìn)行地表下沉量測(cè)，其量測(cè)精度可達(dá)±1 mm，其測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)以隧道中線為軸，對(duì)稱分布，中間稍密，兩側(cè)稍疏，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行適當(dāng)加密。在隧道3～4倍洞徑外埋設(shè)一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)隧道地表下沉速度決定量測(cè)頻率，如表1所示。

表1 老龍山隧道地表下沉監(jiān)測(cè)頻率

針對(duì)老龍山隧道不良地質(zhì)段，即左線ZK53+875—ZK53+905段，采用上述地表下沉監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行量測(cè)，每隔5 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 地表下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖4可以看出，在隧道施工過(guò)程中，隧道軸線對(duì)應(yīng)地表處的沉降量最大，最大值達(dá)到5.1 mm，但當(dāng)掌子面開挖經(jīng)過(guò)該處后，地表下沉逐步趨于穩(wěn)定，下沉量逐步減小，可見采用上述施工控制措施使得隧道開挖對(duì)地表未產(chǎn)生較大影響。

3.3 周邊收斂及拱頂下沉

通過(guò)對(duì)老龍山隧道進(jìn)行周邊收斂及拱頂下沉監(jiān)測(cè)，可全面了解該隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀況，進(jìn)而評(píng)價(jià)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)可根據(jù)周邊收斂及拱頂下沉的速率，綜合判定二襯施作合理時(shí)機(jī)。本項(xiàng)目采用數(shù)顯式收斂計(jì)進(jìn)行周邊收斂監(jiān)測(cè)，利用水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺、銦鋼尺進(jìn)行拱頂下沉監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)參照表2。

表2 老龍山隧道周邊收斂及拱頂下沉監(jiān)測(cè)頻率

本項(xiàng)目針對(duì)老龍山隧道左洞ZK53+890、ZK53+900兩個(gè)斷面進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，其周邊收斂及拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 斷面ZK53+890監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖5可知，斷面ZK53+890周邊收斂值普遍較小，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)累計(jì)收斂值僅為28 mm；拱頂下沉值在掌子面開挖后20 d內(nèi)呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大下沉速率達(dá)到10 mm/d，掌子面開挖20 d后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 斷面ZK53+900監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖6可知，斷面ZK53+900周邊收斂值普遍較小，其最大值發(fā)生在掌子面開挖后15 d，速率為3.5 mm/d，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；而拱頂下沉變化幅度相對(duì)較大，第8天拱頂下沉速率較大，達(dá)到10 mm/d，隨后變形趨于平緩，在第13天由于開挖下斷面，拱頂下沉速度隨之增大，但在第16天又趨于平緩，并逐步穩(wěn)定。

總之，采取上述施工控制措施后，隧道拱頂下沉及周邊收斂方面得到了有效控制，保證了施工安全，達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

a）老龍山隧道不良地質(zhì)段施工控制措施主要包括預(yù)加固措施及施工工法方面，其中預(yù)加固措施主要包括管棚預(yù)支護(hù)及超前小導(dǎo)管注漿，施工工法方面主要是臺(tái)階分部開挖法。

b）對(duì)隧道地表、洞口邊仰坡、初期支護(hù)、混凝土襯砌、鋼拱架等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察后可知，采用上述施工控制措施，其初期支護(hù)狀況良好，二襯未見明顯裂縫、滲漏水，可初步判定該施工控制措施取得了良好的效果。

c）通過(guò)對(duì)隧道地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)后可知，采取上述施工控制措施后，隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形方面得到了有效控制，保證了施工安全，達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)。