白增明

摘要：進(jìn)行隧道淺埋段施工時(shí)，常出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象，本文對(duì)淺埋隧道圍巖穩(wěn)定或坍塌的機(jī)理及原因進(jìn)行了研究及分析，提出了隧道淺埋段施工防坍塌的綜合處理技術(shù)方案，以確保施工能夠順利進(jìn)行，為淺埋隧道的施工帶來參考價(jià)值。

Abstract： In the shallow buried section construction of tunnels， the collapse phenomenon often occurs. This paper studies and analyzes the mechanism and causes of the stability or collapse of surrounding rock in shallow tunnels， and proposes a comprehensive treatment scheme for the anti-collapse of shallow tunnels， to ensure the smooth progress of the construction and provide reference value for the construction of shallow tunnels.

關(guān)鍵詞：隧道淺埋段；圍巖坍塌；平衡拱；技術(shù)方案

Key words： shallow buried section of tunnel；surrounding rock collapse；balance arch；technical solution

中圖分類號(hào)：U452.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）33-0132-03

0 引言

隨著我國鐵路、公路等交通基建工程的迅猛發(fā)展，在施工中經(jīng)常遇到淺埋隧道，在淺埋條件下進(jìn)行隧道的掘進(jìn)，遇到及需解決的難題較多，顯著特點(diǎn)是圍巖破碎，極易坍塌。且淺埋隧道段的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是上覆土層薄，由于收斂或是坍塌造成的圍巖損失而引起的地面沉降明顯，甚至冒頂，對(duì)周邊環(huán)境的不利影響很大。因此，為了確保隧道安全掘進(jìn)及減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，對(duì)開挖掘進(jìn)、支護(hù)襯砌、排水注漿方法提出了更高的要求。所以，如何有效控制淺埋隧道施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，避免誘發(fā)圍巖坍塌及地面嚴(yán)重沉降變形，成為淺埋隧道設(shè)計(jì)與施工研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

1 淺埋隧道與深埋隧道的劃分

淺埋及深埋隧道的劃分通常是以其上覆土層能否形成“自然平衡壓力拱”（以下稱平衡拱）為界，頂上覆土層厚度小于形成自然平衡壓力拱所需高度值時(shí)，即為淺埋隧道。國內(nèi)在設(shè)計(jì)及施工時(shí)通常按經(jīng)驗(yàn)做出概略的估算，這個(gè)深度通常為2～2.5倍的坍方平均高度值，即：

Hp=（2～2.5）hq（1）

式中：Hp為深-淺埋隧道分界的上覆土層厚度，單位米；hq為坍方平均高度，單位米。

當(dāng)隧道上覆蓋土層厚度H≥Hp時(shí)為深埋，H

而普氏理論則是在自然平衡壓力拱理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正及發(fā)展，該理論認(rèn)為松散巖體仍具有一定的粘結(jié)力；硐室開挖后，硐頂巖體能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的自然平衡拱；分別在硐室兩側(cè)側(cè)壁產(chǎn)生兩個(gè)滑動(dòng)面，滑動(dòng)面與側(cè)壁夾角為θ=45°-φ/2，而硐頂處承受的壓力僅是平衡拱內(nèi)的巖土重量。普氏理論平衡拱的計(jì)算模型如圖1所示。

由圖1可得，在普氏理論下，形成自然平衡拱時(shí)平衡拱跨徑B，平衡拱的矢高H（算至硐室頂）計(jì)算式見式（2）、式（3）：

式中：B—自然平衡拱的跨徑；H—平衡拱矢高；a—峒室掘進(jìn)時(shí)寬度的一半；h為峒室掘進(jìn)時(shí)的高度，φ—硐室處土體內(nèi)摩擦角；f0—體現(xiàn)圍巖強(qiáng)度堅(jiān)固性系數(shù)，或稱為似摩擦角因數(shù)。

按式（2）、式（3）可計(jì)算得平衡拱跨徑B，平衡拱的矢高H。同時(shí)，大量的施工實(shí)踐表明，在按式（3）計(jì)算得到H值小于硐室的上覆土厚度H′，但H′不大于2H時(shí)，通常不能形成平衡拱，在不對(duì)圍巖實(shí)施支護(hù)的情況下，硐室上覆土體通常產(chǎn)生坍塌，且持續(xù)坍塌直至冒頂。

所以在淺埋隧道開挖時(shí)，通過進(jìn)行方案調(diào)整優(yōu)化峒室掘進(jìn)半寬a值和掘進(jìn)高度h，使平衡拱矢高H小于0.5H′，從而隧道上覆土體可形成平衡拱，在隧道初支僅能滿足支承平衡拱下土體重量即可保證隧道圍巖的穩(wěn)定，確保圍巖處于較佳的安全狀態(tài)下，且初支成本大幅降低。

2 引起淺埋隧道塌陷的其它因素分析

2.1 水文地質(zhì)條件等因素的影響

以往的施工實(shí)踐表明，雖然有些淺埋隧道按式（3）計(jì)算所得的平衡拱矢高小于0.5 H′，但隧道卻時(shí)常出現(xiàn)坍塌冒頂?shù)氖鹿省?/p>

以上淺埋隧道的地質(zhì)勘察及原因分析資料表明，通常地表水大量滲入隧道圍巖，導(dǎo)致圍巖含水量非常大。我們知道，圍巖含水量的增大不僅能使圍巖土體間的粘結(jié)力大幅降低，甚至完全失去。且含水量的增加，也嚴(yán)重降低了巖土的強(qiáng)度值。而普氏理論成立及算式計(jì)算的基礎(chǔ)為正常狀態(tài)下巖體間的粘結(jié)力及圍巖的強(qiáng)度值。而含水量的增加使它們大幅降低，故普氏理論不再適用。

所以在進(jìn)行淺埋隧道施工前，對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，盡量截排地表水，和引排地下水，降低圍巖含水量，增強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)定性。

2.2 施工工藝及操作方面的原因

即使地質(zhì)水文條件較好，也滿足普氏理論下形成平衡拱的要求，但還是時(shí)常出現(xiàn)淺埋隧道坍塌冒頂?shù)氖鹿?。?jīng)對(duì)多處冒頂隧道的施工掘進(jìn)及支護(hù)過程進(jìn)行了仔細(xì)觀察及研究，發(fā)現(xiàn)存在如下導(dǎo)致坍塌冒頂事故的人為因素：

①施工時(shí)采取大進(jìn)尺及強(qiáng)爆破。通常在淺埋及圍巖破碎的情況下，要求短進(jìn)尺、弱爆破。但上述隧道施工時(shí)，施工隊(duì)了為趕進(jìn)度，采用大進(jìn)尺，同時(shí)也伴隨裝藥量增加的強(qiáng)爆破。雖在合適條件下自然平衡拱形成了，但圍巖破碎，其平衡狀態(tài)非常脆弱，在大進(jìn)尺及強(qiáng)爆破振動(dòng)的影響下，將脆弱的平衡打破，自然也就發(fā)生坍塌現(xiàn)象。

②施工時(shí)支護(hù)不及時(shí)，襯砌不緊跟。部分隧道施工時(shí)，在淺埋段隧道掘進(jìn)后，初期支護(hù)不及時(shí)跟進(jìn)，或是襯砌不緊跟，已經(jīng)穩(wěn)定的圍巖在自然因素及施工活動(dòng)的擾動(dòng)下，發(fā)生松動(dòng)，且支護(hù)及襯砌跟進(jìn)不及時(shí)，隧道現(xiàn)有防護(hù)結(jié)構(gòu)不能承擔(dān)圍巖壓力而出現(xiàn)坍塌。

③施工時(shí)對(duì)超前地質(zhì)勘探不重視，或是根本不進(jìn)行超前勘探，而是按此前的施工方法及支護(hù)手段一味向前施工，當(dāng)?shù)刭|(zhì)及水文條件出現(xiàn)重大變化時(shí)，不及時(shí)進(jìn)行施工方法及支護(hù)的調(diào)整，從而出現(xiàn)隧道坍塌現(xiàn)象。

3 淺埋隧道各種施工工藝及方法的研究

在鐵路、公路的建設(shè)中常常遇到淺埋隧道。因其特有地質(zhì)特性，極易出現(xiàn)隧道坍塌現(xiàn)象，故有必要系統(tǒng)性對(duì)淺埋隧道的各種施工工法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析及研究，解決施工問題。確保施工快速、安全、優(yōu)質(zhì)的進(jìn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益。

基于淺埋隧道的特有性質(zhì)，目前發(fā)展了一系列適合淺埋隧道的施工工藝及方法。常有的方法明挖法、蓋挖法、暗挖法和盾構(gòu)法等，其優(yōu)缺點(diǎn)和問題如下。

3.1 明挖法

明挖法，指的是將隧道處上覆土體全部清除，然后進(jìn)行洞身、洞門修建，最后再回填的施工方法。

明挖法具有施工簡單、快速、適用性強(qiáng)，因清除了拱頂覆土，不存隧道頂坍塌，故安全較高，在一定條件下成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

但明挖法受外界氣象條件的影響較大，施工對(duì)地面環(huán)境的影響較大。如果地形條件和地質(zhì)條件不利，深基坑防護(hù)工程量大，及地面工程范圍內(nèi)的建筑物和地下管線需拆遷的較多，則施工成本急劇上升，故相對(duì)其它施工方法，其對(duì)外界條件的要求較高，通常能夠采用明挖法的淺埋隧道并不多。

3.2 蓋挖法

蓋挖法是先蓋后挖，先施做地表的臨時(shí)路面或是結(jié)構(gòu)頂板，使路面維持交通暢通后再進(jìn)行地下其它結(jié)構(gòu)施工的一種新型施工方法。多用于隧道工程需要穿越公路、市政道路或是其它建筑的情況下。

蓋挖法施工的優(yōu)點(diǎn)是：頂板結(jié)構(gòu)作為保持交通的路面的同時(shí)作為基坑的支撐，節(jié)省了臨時(shí)支撐的工程量，減少了道路占用時(shí)間，對(duì)地面的干擾相對(duì)較小，同時(shí)受氣候的影響也較小。也避免了隧道頂坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

其缺點(diǎn)是：施工出土不方便，施工工序較為復(fù)雜，工效低、速度慢，且成本較高。

因其存在上述儲(chǔ)多缺點(diǎn)，在施工時(shí)主要用于較大型的城市地下結(jié)構(gòu)的施工，對(duì)于線狀的鐵路、公路隧道而言，采用蓋挖法的適用性不強(qiáng)。

3.3 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法為采用盾構(gòu)機(jī)作為主要的施工機(jī)械進(jìn)行地面下隧道挖掘的一種新工藝。

盾構(gòu)法具有安全性好、效率高、危害小、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。

但盾構(gòu)施工法具有重復(fù)利用率低、施工復(fù)雜、適用性受限、工作條件差、地表變形不易控制等缺點(diǎn)。

盾構(gòu)法用于較長大地下隧道在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約的，但如果僅為了某一小段淺埋隧道而采用盾構(gòu)法施工，是非常不經(jīng)濟(jì)。所以不存在因是淺埋隧道而特意采用盾構(gòu)法施工的可能，故盾構(gòu)法施工淺埋隧道不存在現(xiàn)實(shí)意義。

3.4 淺埋暗挖法

淺埋暗挖法又名礦山法，淺埋暗挖法是淺埋隧道施工中最為傳統(tǒng)的，也是用得最為廣泛的。該法為在軟弱圍巖地段進(jìn)行淺隧道施工時(shí)，首先進(jìn)行圍巖的地質(zhì)加固，以控制地表的沉降為施工重點(diǎn)，采用型鋼拱架和錨噴混凝土對(duì)圍巖進(jìn)行初期支護(hù)。由初期支護(hù)及復(fù)合式襯砌承受所有圍巖的基本荷載，而不考慮圍巖的自承能力。二襯僅作為安全儲(chǔ)備，共同承擔(dān)特殊荷載。淺埋暗挖法的施工工法主要來源于“新奧法”，比如初期支護(hù)的主要手段是錨噴；盡量減少施工活動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)；錨噴等初支結(jié)構(gòu)緊貼圍巖；采用監(jiān)控量測(cè)反饋指導(dǎo)施工等。故施工遵循“新奧法”原則，按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”方針進(jìn)行。

淺埋暗挖的優(yōu)點(diǎn)：開挖前對(duì)地層進(jìn)行了加固，促進(jìn)了自然平衡拱的形成及增強(qiáng)了平衡拱的承載能力；初支及時(shí)跟進(jìn)，初支結(jié)構(gòu)與圍巖密貼，具有一定柔性，封閉性好，結(jié)構(gòu)樣式靈活多變；施工方法對(duì)地面建筑、道路及地下管線的影響小，擾民少。施工受外界環(huán)境因素的影響小，故為淺埋隧道采用最多的一種施工工法。

缺點(diǎn)是：施工速度慢，機(jī)械化程度低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，質(zhì)量控制難度大等。

4 淺埋暗挖法的核心技術(shù)

在進(jìn)行某隧道淺埋段施工時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況、隧道埋深、隧道斷面形式及地表建筑物情況，決定采用淺埋暗挖法施工。施工時(shí)按淺埋暗挖法“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”原則結(jié)合地質(zhì)情況制定適當(dāng)宜的開挖步驟和支護(hù)措施，嚴(yán)格根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)確定及調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以確保暗挖施工和周邊環(huán)境的安全。

管超前：圍巖破碎，土質(zhì)含水量高，自穩(wěn)能力差，本項(xiàng)目采取超前大管棚作為洞口淺埋輔助施工措施，通過管棚和注漿來穩(wěn)固地層，防止拱部坍塌。超前大管棚支護(hù)采用外徑108mm，壁6mm的熱軋無縫鋼管，環(huán)向布置間距為45cm，長度為30m，共布置48根，傾角1～3°，在拱部180°范圍內(nèi)布置，進(jìn)洞后采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)。

嚴(yán)注漿：超前大管棚及小導(dǎo)管支護(hù)后，立即壓注純水泥漿或化學(xué)漿液填充圍巖空隙，使隧壁形成具有一定強(qiáng)度的保護(hù)作用的殼體，以增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力，確保安全。

短開挖：該隧為雙線鐵路隧道，開挖斷面較大、覆蓋層薄，采用普氏理論計(jì)算結(jié)果表明，臺(tái)階法不能形成自然平衡拱。最終決定采用上、下斷面?zhèn)缺趯?dǎo)坑分部開挖法（CD法）進(jìn)行施工，采CD法分部開挖，相當(dāng)于減少了普氏理論中a、h值，從而使圍巖在現(xiàn)有覆土厚度下能夠形成平衡拱。以機(jī)械和人工風(fēng)鎬開挖為主，松動(dòng)爆破為輔，每循環(huán)進(jìn)尺0.8m，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

強(qiáng)支護(hù)：在圍巖松散，平衡拱下方土體的重量荷載需由初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，故初支需強(qiáng)大且牢固，隧道設(shè)4.5m錨桿，間距1.5m梅花形布置，I22a工字鋼拱架每60cm設(shè)一根，拱架間設(shè)間距1m的？準(zhǔn)18連接鋼筋，鋼拱架每個(gè)拱腳處設(shè)2根4.5m長？準(zhǔn)28鎖腳錨桿，。隧道全斷面噴射25cm厚C20混凝土，掛？準(zhǔn)8@15cm×15cm鋼筋網(wǎng)。

快封閉：為有效控制圍巖松馳，仰拱緊跟。設(shè)置適時(shí)臨時(shí)支撐，以使初期支護(hù)盡快形成封閉受力結(jié)構(gòu)，并為襯砌模板臺(tái)車軌道的鋪設(shè)提供條件，及時(shí)進(jìn)行襯砌施工。

勤量測(cè)：結(jié)構(gòu)承受荷載情況，最終都表現(xiàn)為變形。按照規(guī)定加強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，設(shè)置各部位的變形警戒值，掌握隧道各部位的施工動(dòng)態(tài)以調(diào)整施工參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、圍巖類別、跨度、埋深、開挖方法和支護(hù)類型等綜合確定地質(zhì)與初期支護(hù)觀察、地表沉降、拱頂下沉、隧洞凈空收斂等量測(cè)作為本段淺埋隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目。通過監(jiān)控量測(cè)，為判斷圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)、襯砌的可靠性，二次襯砌合理施作時(shí)間提供依據(jù)，指導(dǎo)日常施工管理，確保淺埋暗挖法施工的順利進(jìn)行。

5 結(jié)束語

該隧道淺埋段的施工設(shè)計(jì)，為今后大斷面淺埋隧道的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。施工時(shí)要盡可能創(chuàng)造條件，以使圍巖形成普氏理論的自然平衡壓力拱，以減少初支所承受的圍巖荷載，確保施工安全。同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)情況，調(diào)整施工工藝及支護(hù)參數(shù)，增強(qiáng)施工安全性和提高隧道的長期安全穩(wěn)定性。

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