王琳 楊林 袁青 江鴻 肖靖

摘要：為解決富水條件下隧道洞口淺埋段大變形問題突出、施工難度大的問題，依托在建福州市董奉山隧道項(xiàng)目，對隧道斷面大變形的破壞特征及原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出針對性應(yīng)對措施。結(jié)果表明：洞口淺埋富水地段受地層、地形、水環(huán)境及施工等因素影響，大變形以拱頂沉降為主，且在開挖后較短時(shí)間里變形急劇增加;隧道大變形表現(xiàn)為“急劇增長-緩慢增長-趨向穩(wěn)定”3階段變化規(guī)律，急劇增長階段主要集中在下臺階開挖之前，其圍巖變形量約占整個(gè)沉降變形的75%～80%。根據(jù)大變形分析情況提出：開挖前采用“超前帷幕注漿+井點(diǎn)降水”的輔助加固措施，改善掌子面前方圍巖施工環(huán)境;開挖中采用鋼架型號加強(qiáng)、中下臺階大直徑鎖腳及上臺階大拱腳等措施，可較大程度地控制隧道大變形發(fā)展，保證洞內(nèi)施工安全。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒。

關(guān) 鍵 詞：淺埋富水地段; 大斷面隧道; 大變形; 拱頂沉降; 應(yīng)對措施; 董奉山隧道

中圖法分類號： U45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.026

0 引 言

隧道洞口淺埋段圍巖條件一般較差，自穩(wěn)能力弱，施工中經(jīng)常出現(xiàn)大變形或塌方事故[1-4]，目前國內(nèi)外很多專家學(xué)者對大變形機(jī)理及處治措施展開了研究。趙立財(cái)[5]以廈漳公路東孚隧道為背景，對淺埋富水軟弱地層隧道施工展開了“大管棚咬合相接加固+CRD開挖工法”組合技術(shù)研究;單超等[6]以福州某淺埋大斷面公路隧道大變形侵限事故為背景，通過數(shù)值模擬對隧道合理預(yù)留變形展開了研究;馬國民等[7]以云南那圩隧道為背景，分析了隧道大變形特征，據(jù)此提出“護(hù)拱+鎖腳錨管+仰拱底部鋼管樁”組合的加固技術(shù);張杰[8]以莞惠城際軌道交通工程為背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了隧道開挖過程中的地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律及超前注漿的影響;李卓霖等[9]以龍洲灣隧道為背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測分析，得出了在富水淺埋地段采用三臺階工法，并且臺階長度取3 m的合理性;鄒金杰等[10]以杭州紫之隧道為例，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的手段分析了地下水滲漏作用對地表沉降的影響。

可以看出，以上研究成果主要是針對一般性軟弱地層，且多以單雙洞為背景進(jìn)行研究，對于隧道群的影響研究較少。當(dāng)隧道處于淺埋富水條件且多座隧道小凈距并行時(shí)，施工中出現(xiàn)掌子面滲水溜坍、初支拱架扭曲變形、地表塌陷等風(fēng)險(xiǎn)的概率增加，會嚴(yán)重影響施工安全和進(jìn)度。因此，對淺埋富水大斷面隧道群的斷面大變形進(jìn)行相應(yīng)研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

董奉山主路隧道為雙洞雙向八車道，兩側(cè)輔路隧道為雙洞雙向四車道。主路隧道凈寬17.50 m，最大開挖寬度為20.22 m，輔路隧道凈寬10.00 m，最大開挖寬度12.22 m，主路隧道間最小凈間距19.00 m，輔路隧道與主路隧道最小凈間距為12.90 m，隧道洞口段埋深6～40 m。圍巖從上到下依次為坡積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化凝灰熔巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖;圍巖結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，遇水易軟化，隧址區(qū)地下水水位高。隧道主洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，輔洞采用三臺階弧形開挖預(yù)留核心土工法施工。襯砌斷面如圖1所示。

2 隧道大變形特征

2.1 隧道大變形破壞特征

自進(jìn)洞以來，由于主客觀原因，隧道斷面變形較大，初支侵限嚴(yán)重，換拱頻繁，工程進(jìn)度受到嚴(yán)重影響。該隧道大變形破壞主要表現(xiàn)為以下幾種型式。

（1） 初期支護(hù)侵限。

隧道上臺階開挖后，隧道拱頂變形在較短時(shí)間內(nèi)急劇增加，單日變形速率達(dá)到45 mm/d，累積變形值達(dá)到624.9 mm，如圖2（a）所示。

（2） 初支開裂，鋼架扭曲。

在鋼拱架連接板位置出現(xiàn)初支開裂，縱向開裂長度達(dá)40 m;在隧道軸向由于沉降不均勻，初支出現(xiàn)環(huán)向裂縫。另外大變形導(dǎo)致鋼拱架在拱頂、拱腰及邊墻部位出現(xiàn)不同程度的扭曲變形，其中在邊墻部位尤為嚴(yán)重，如圖2（b）和圖2（c）所示。

（3） 地表塌陷。

隧道拱頂?shù)乇聿糠殖霈F(xiàn)塌陷，整個(gè)塌陷影響范圍在距隧道中心線左右20 m，掌子面前方15 m，地面最大塌陷深度在40 cm左右，如圖2（d）所示。

2.2 特征斷面變形時(shí)程曲線

選取特征斷面FZK6+123、FZK6+172和FZK6+182分析其沉降變形時(shí)空規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：3個(gè)特征斷面拱頂沉降時(shí)程曲線基本都呈現(xiàn)3個(gè)階段變化規(guī)律，即“急速增長-緩慢增長-趨于穩(wěn)定”。

（1） 急速增長階段。

該階段主要發(fā)生在隧道上臺階支護(hù)完成后3～4周內(nèi)，即上臺階開挖完成至中臺階支護(hù)完成階段，變形速率較大，拱頂沉降量急速上升，圖3中各個(gè)斷面最大日變形速率分別為34.2，32.5 mm/d和40.3 mm/d，拱頂單日沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)規(guī)定（Ⅰ級，>10 mm/d）限值，隧道變形受開挖影響明顯，初支鋼架扭曲、開裂等破壞現(xiàn)象基本上出現(xiàn)在該階段。

（2） 緩慢增長階段。

該階段主要發(fā)生在中臺階支護(hù)完成至仰拱封閉成環(huán)之前。下臺階及仰拱部位圍巖條件相對較好，隧道中臺階部位井點(diǎn)降水效果凸顯，加強(qiáng)拱架鎖腳錨管及臨時(shí)仰拱等影響著拱頂沉降變形。3個(gè)斷面最大單日沉降速率依次為4.7，4.2，7.9 mm/d，在此階段變形速率略有波動(dòng)，拱頂單日最大沉降量介于3～10 mm/d（Ⅱ級）之間。

（3） 趨于穩(wěn)定階段。

該階段主要發(fā)生在仰拱封閉成環(huán)之后，此時(shí)圍巖壓力作用在封閉結(jié)構(gòu)上，拱頂沉降變形主要跟初支剛度及基底承載力有關(guān)，受前方開挖擾動(dòng)影響減弱，變形趨向于穩(wěn)定。由圖3可以看出：在此階段沉降速率基本都在3 mm/d（Ⅲ級）以內(nèi)，并且變形速率較平穩(wěn)。

2.3 各開挖洞室施工階段沉降變形占比

主洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，各導(dǎo)坑臺階開挖變形占比相對復(fù)雜，左右輔洞采用3臺階預(yù)留核心土法施工，開挖變形占比統(tǒng)計(jì)相對方便，本次僅選左右輔洞進(jìn)行占比分析。左右輔洞共選取18個(gè)監(jiān)測斷面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同臺階開挖變形占比情況，如圖4所示。從圖4可以看出：左輔洞上臺階、中臺階、下臺階及仰拱封閉施工變形占比依次為22.15%，58.4%，9.17%，10.28%;右輔洞的依次為26.2%，48.66%，15.67%，9.47%，左右輔洞各階段拱頂沉降占比值差別不大，上、中臺階開挖時(shí)圍巖變形比重較大，約占整個(gè)拱頂沉降的75%～80%，下臺階及仰拱初支封閉施工圍巖變形相對較小，約占整個(gè)拱頂沉降的20%～25%，這與拱頂沉降時(shí)程曲線變化規(guī)律基本一致。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中最大占比都出現(xiàn)在中臺階，一方面是由于現(xiàn)場監(jiān)測測點(diǎn)布置相對較晚，一般在開挖后2 d布置，此時(shí)由圍巖應(yīng)力釋放完成較大比例，測點(diǎn)布設(shè)后監(jiān)測的沉降只是該開挖階段一小部分;另一方面，由于換拱、二襯臺車遮擋等原因，洞內(nèi)測點(diǎn)時(shí)常破壞，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)有限。

根據(jù)各施工階段變形占比分析可知，在隧道施工中應(yīng)加強(qiáng)上、中臺階鎖腳施工質(zhì)量，控制臺階長度及中臺階左右分幅步距，保證初支盡早封閉成環(huán)，以控制整個(gè)隧道沉降變形。

3 隧道大變形原因分析

3.1 地質(zhì)因素

隧道洞口淺埋段主要穿越地層為全風(fēng)化凝灰熔巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖，其結(jié)構(gòu)松散，遇水易軟化，屬極軟巖，巖體極破碎，開挖面穩(wěn)定性極差，如圖5所示。

室內(nèi)試驗(yàn)獲得的巖樣物理力學(xué)特性如表1所列，顆粒級配曲線如圖6所示。由表1可以看出：全風(fēng)化凝灰?guī)r天然含水率較高，其值高達(dá)33.4%，處于可塑狀態(tài)，且黏聚力低，壓縮模量低;砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r天然含水率為27.8%，處于可塑狀態(tài)，但由于其滲透性高，開挖后隧道內(nèi)滲水，其強(qiáng)度將進(jìn)一步降低。由圖6可以看出：全風(fēng)化凝灰?guī)r所含的砂粒組（0.075 mm

3.2 水環(huán)境影響

隧道洞口段位于地表溝谷地帶，該段匯水面積巨大，峰值流量大（3.7 m3/s）。地下水位埋深約2.5～7.0 m，穩(wěn)定水位埋深約2.3～6.5 m，為各含水層的混合水位，地下水位高于洞頂，水頭壓力大。隧道開挖后，改變了原有的地下水徑流與排泄條件，在隧道內(nèi)形成新的地下水排泄自由面，增大了隧道圍巖中地下水的水力梯度，并形成滲透壓力作用于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上，促進(jìn)大變形發(fā)生，如圖7所示。水力梯度的增加會引起圍巖滲流加劇，土體中的細(xì)顆粒隨滲流侵蝕而排出，導(dǎo)致土體孔隙率增大，黏聚力與內(nèi)摩擦角也隨之降低，從而進(jìn)一步降低圍巖的自穩(wěn)性，在滲透破壞作用下引起隧道開挖臨空面的失穩(wěn)破壞。

3.3 地形地貌因素

隧道洞口淺埋段地處坡積平原地貌區(qū)，地層巖性復(fù)雜，坡積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖分布厚度變異較大，且地形起伏較大，存在偏壓現(xiàn)象，如圖8所示。進(jìn)口端淺埋段隧道開挖后，極易產(chǎn)生滑塌及因巖土體強(qiáng)度降低所造成的圍巖大變形，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大壓力，且偏壓作用導(dǎo)致初期支護(hù)變形左右不對稱[11-15]，使得圍巖變形更難以控制。

3.4 施工因素

中、下臺階一次開挖3～4榀，開挖進(jìn)尺過大，大進(jìn)尺開挖會嚴(yán)重破壞上臺階鋼拱架穩(wěn)定，且易出現(xiàn)拱架較長時(shí)間懸空;上臺階與中臺階開挖后，支護(hù)未形成臨時(shí)封閉結(jié)構(gòu)，造成初期支護(hù)變形較大;超前小導(dǎo)管注漿設(shè)備老舊，注漿壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求值，注漿加固效果差;下臺階拱腳部位積水嚴(yán)重，長時(shí)間被水浸泡，基底圍巖承載能力進(jìn)一步減弱。中、下臺階左右幅相差一榀鋼拱架距離，同時(shí)施工時(shí)臺階兩側(cè)拱腳易同時(shí)懸空。

4 應(yīng)對措施

4.1 洞內(nèi)超前帷幕注漿加固

針對該隧道砂土狀地層的特點(diǎn)，提出3種加固方案：地表注漿、帷幕注漿及超前水平旋噴樁，3種方案對比分析如表2所列。由于董奉山隧道淺埋段上方地表為果園，并且位于國家保護(hù)區(qū)紅線邊界范圍，拆遷難度極大;采用超前水平旋噴樁施工難度大，費(fèi)用高，并且施工進(jìn)度無法滿足要求，綜合考慮采用洞內(nèi)帷幕注漿加固方案。

采用帷幕注漿對隧道開挖輪廓線外5 m進(jìn)行注漿加固，每循環(huán)注漿長度控制在25 m，預(yù)留5 m長度作為下段注漿搭接段，注漿孔以掌子面中軸線為中心向四周呈傘形布置，漿液擴(kuò)散半徑按1.5 m計(jì)，注漿孔底間距不大于3 m，注漿采用前進(jìn)式分段注漿方式，注漿前，掌子面澆筑70 cm厚止?jié){墻，以避免注漿過程中漿液溢出，提高注漿加固效果及施工安全性。

4.2 洞內(nèi)井點(diǎn)降水

洞內(nèi)井點(diǎn)降水裝置由φ125 mm打孔PVC管、底蓋、細(xì)鐵絲濾網(wǎng)及自吸水泵等組成，降水點(diǎn)在中臺階左右兩側(cè)布設(shè)，降水井縱向間距為15 m，井底深度超過隧道仰拱底部10 m，施工中不間斷抽水，現(xiàn)場井點(diǎn)降水施工如圖9所示。

4.3 支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)

采用“中管棚+小導(dǎo)管”組合的超前支護(hù)技術(shù)，鋼拱架調(diào)整為I25b，上臺階采用擴(kuò)大拱腳，中、下臺階鎖腳采用兩根6 m長φ89×5 mm大直徑鎖腳錨管。鎖腳部位鋼拱架采用型鋼縱向連接，如圖10所示。拱腳支墊采用混凝土預(yù)制塊，增強(qiáng)拱腳承載能力，其加強(qiáng)參數(shù)見表3。

4.4 施工工序控制

隧道開挖后立即初噴3～4 cm混凝土，以減少圍巖暴露時(shí)間，防止開挖面松弛，提高開挖面的自穩(wěn)性。開挖進(jìn)尺大小及臺階長度影響著土體一次暴露的長度，減少一次開挖量和出渣量，縮短開挖與支護(hù)的銜接時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)早支護(hù)。輔洞采用三臺階預(yù)留核心土臨時(shí)仰拱法時(shí)，各臺階左右幅錯(cuò)距3 m，上臺階臺階長度為3 m，中下臺階掌子面錯(cuò)開4 m，仰拱至掌子面距離控制在19 m。臨時(shí)仰拱應(yīng)及時(shí)、逐榀跟進(jìn)，逐榀拆除，有效臨時(shí)仰拱不少于4道。整個(gè)工序循環(huán)耗時(shí)在19 h左右，月進(jìn)尺為36 m，日均工效及月均工效較三臺階預(yù)留核心土工法有較大提高。二襯距掌子面距離控制在70 m內(nèi)，且根據(jù)圍巖變形情況及時(shí)施作。

5 結(jié) 論

通過對隧道大變形原因及應(yīng)對措施進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1） 隧道施工中拱頂沉降呈現(xiàn)“急速增長-緩慢增長-趨于穩(wěn)定”3個(gè)階段的變化規(guī)律，其中急速增長階段主要在上臺階開挖完成至中臺階支護(hù)完成階段，持續(xù)大概3～4周;上、中臺階開挖變形占比較大，約占整個(gè)拱頂沉降的75%～80%，施工過程中要加強(qiáng)上、中臺階鎖腳施工質(zhì)量，控制施工步距等措施，控制圍巖變形。

（2） 施工中圍巖條件差，支護(hù)結(jié)構(gòu)未及時(shí)封閉成環(huán)、地基承載力不足等，是造成初支侵限、鋼拱架扭曲、初支開裂及地表塌陷等大變形破壞的主要因素。

（3） 洞內(nèi)三臺階預(yù)留核心土臨時(shí)仰拱工法，配合超前帷幕注漿+井點(diǎn)降水、φ89大直徑鎖腳，型鋼縱向連接，大尺寸墊塊支撐等輔助加固措施，控制圍巖變形效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊林，江鴻，陳培帥，等.淺埋大斷面公路隧道塌方處治措施及效果分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（6）：207-213.

[2] 王偉，李忠，沈?qū)W軍，等.軟弱圍巖隧道洞口淺埋段變形特征及控制措施研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2020，16（9）：103-109.

[3] 李文韜，張擁軍，劉思佳，等.山嶺隧道淺埋偏壓段塌方冒頂分析及工法優(yōu)化[J].公路，2020，65（1）：309-314.

[4] 郭小紅，姚再峰，馬文著，等.山嶺隧道洞口段工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治，2019，1（4）：75-84.

[5] 趙立財(cái).淺埋大跨公路隧道穿越富水軟弱土層施工關(guān)鍵技術(shù)[J].中國工程科學(xué)，2015，17（1）：81-87.

[6] 單超，馮志華，曹校勇，等.Ⅵ級圍巖淺埋隧道侵限變形分析及其對策[J].公路，2019，64（2）：269-275.

[7] 馬國民，李國鋒，陳玉留，等.淺埋富水軟弱圍巖隧道掌子面后方位移控制技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53（4）：159-164.

[8] 張杰.軟弱富水地層淺埋暗挖隧道地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的模型試驗(yàn)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2018，62（3）：107-113.

[9] 李卓霖，李炬，李茂源，等.富水破碎圍巖大斷面隧道施工工法研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（增2）：585-590.

[10] 鄒金杰，陳鋼，甘鵬路，等.富水軟弱地層中淺埋暗挖隧道施工地表沉降分析：以杭州紫之隧道為例[J].隧道建設(shè)，2017，37（2）：141-149.

[11] 楊曉華，曹揚(yáng)帆，肖靖，等.開挖方式對跨基覆界面淺埋偏壓隧道變形的影響分析[J/OL].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)：1-14[2022-04-25].http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/61.1442.tu.20211230.1338.024.html.

[12] 盧光兆，周博，徐鋒，等.淺埋偏壓隧道進(jìn)洞施工圍巖穩(wěn)定分析[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，51（4）：61-70.

[13] 邱明明，楊果林，張沛然，等.淺埋偏壓對連拱隧道施工力學(xué)效應(yīng)的影響及處治措施[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（5）：2061-2068.

[14] 代樹林，左天宇，侯晶石，等.地形偏壓隧道地表處理措施分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（8）：3308-3314.

[15] 徐劍波，姜平，朱頌陽，等.基于現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的隧道初期支護(hù)效果分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（5）：2061-2069.

（編輯：胡旭東）

Cause analysis and countermeasures of large deformation induced by shallow-buried tunnel construction under water-rich condition

WANG Lin1，YANG Lin2，3，YUAN Qing2，4，JIANG Hong2，4，XIAO Jing2，4

（1.CCCC （KUNMING） Construction Co.，Ltd.，Kunming 650000，China; 2.CCCC Second Harbor Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430040，China; 3.Transportation Infrastructure Intelligent Manufacturing Technology R&D Center，Wuhan 430040，China; 4.Transportation Infrastructure Intelligent Manufacturing Technology R&D Center，Wuhan 430040，China）

Abstract：

In order to solve the problems of prominent large deformation and difficult construction of shallow-buried section of tunnel entrance under water-rich condition，based on the Dongfengshan tunnel project under construction in Fuzhou City，the failure characteristics and causes of large deformation of tunnel section were analyzed in detail，and the corresponding countermeasures were put forward.The results showed that the large deformation was mainly caused by vault settlement due to the influence of stratum，topography，water environment and construction，and the deformation increased sharply in a short time after excavation.The large deformation of tunnel section presented a three-stage change rule of 'rapid growth，slow growth and stable trend'.The rapid growth stage was mainly concentrated before the next step excavation，and the deformation of surrounding rock accounts for about 75 %～80 % of the whole settlement deformation.According to the analysis of large deformation，it was proposed that the auxiliary reinforcement measures of 'advanced curtain grouting with well point precipitation' should be adopted before excavation，to improve the construction environment of surrounding rock in front of the working face.During excavation，the steel frame type strengthening，large-diameter locking foot at middle and lower steps and large arch foot at upper steps should be adopted，which can control the development of large deformation of tunnel to a large extent and ensure the safety of tunnel construction.The relevant experience can be used for reference in similar projects.

Key words：

shallow-buried tunnel under water-rich condition;large section tunnel;large deformation;vault settlement;countermeasures;Dongfengshan tunnel