伍榮池

摘要：文章以位于武忻高速良塘3號(hào)隧道洞身淺埋區(qū)的沖溝段為案例工程，首先結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)及地形條件，分析得出該沖溝段存在突水、突泥、崩塌、沉降等風(fēng)險(xiǎn)，并基于安全風(fēng)險(xiǎn)提出了相應(yīng)的沖溝段施工處置方案。其次通過FLAC3D軟件，建立隧道沖溝段有限元模型，經(jīng)過分析得出：隧道開挖后的圍巖變形規(guī)律；隧道圍巖穩(wěn)定性的綜合辨別依據(jù)；設(shè)計(jì)極限位移值及3個(gè)管理等級(jí)。最后根據(jù)模擬計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)際工況，提出并采取了沖溝段施工安全技術(shù)措施，安全平穩(wěn)地度過了此沖溝段施工期。該處置方案及工藝可為類似沖溝下淺埋隧道施工提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道沖溝；綜合處置措施；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測；安全預(yù)警制度

中圖分類號(hào)：U455.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0063-04

0 引言

巖溶地貌在我國西南地區(qū)分布廣泛，隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，下穿巖溶發(fā)育、特殊地質(zhì)地貌的隧道數(shù)量激增，導(dǎo)致隧道工程施工中面臨的巖溶地質(zhì)災(zāi)害概率大大提高。隧道施工過程中，常遇到突泥涌水、巖溶坍塌等突發(fā)性事故，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的不良后果，也嚴(yán)重影響了隧道施工、營運(yùn)的安全［1-3］。

根據(jù)路線要求，部分隧道處在淺埋、沖溝位置，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為松散，自穩(wěn)定較差，隧道掘進(jìn)時(shí)極易出現(xiàn)坍塌、冒頂。為盡可能地降低隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)、確保工程按期完成、保障隧道施工及營運(yùn)安全，沖溝段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、洞周隱伏巖溶的探測，輔助隧道安全預(yù)警工作顯得十分重要。已有眾多學(xué)者分別采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、數(shù)值模擬、新型支護(hù)方法等手段對(duì)此類問題進(jìn)行了研究［4-7］。

隧道洞身淺埋區(qū)的沖溝段施工過程中通常存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，本文以武忻高速良塘3號(hào)隧道為依托，通過沖溝段實(shí)際地質(zhì)工況進(jìn)行分析，提出詳細(xì)的處置方案，并利用FLAC3D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，總結(jié)沖溝段施工主要安全技術(shù)措施成套技術(shù)，可為本工程的安全施工提供技術(shù)指導(dǎo)，為施工方案優(yōu)化提供理論依據(jù)，保證施工進(jìn)度，提高工程施工的經(jīng)濟(jì)性和安全性，為同類工程的設(shè)計(jì)與施工提供有益參考。

1 工程概況

武忻高速公路起點(diǎn)位于武宣縣二塘鎮(zhèn)渠盞村附近，接柳武高速公路，整體由東向西，終點(diǎn)位于忻城縣古蓬鎮(zhèn)板桑屯附近，接宜上高速公路（規(guī)劃）；其中，良塘3號(hào)隧道位于來賓市興賓區(qū)來國鎮(zhèn)境內(nèi)。設(shè)計(jì)隧道為分離式隧道，左線起止里程為ZK69+442～ZK69+955.5，長度為513.5 m，右線起止里程為YK69+435～YK69+960，長度為525 m。

良塘3號(hào)隧道縱斷面中間處于沖溝段，中心樁號(hào)為K69+740，隧道沖溝段范圍為YK69+660～YK69+800（ZK69+660～ZK69+800）。該路段為隧道洞身淺埋區(qū)，隧道穿越段巖性主要為角礫土、局部為中風(fēng)化灰?guī)r。角礫土厚度大，鉆孔揭露最大厚度約20 m，為殘坡積層，結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)定性較差，圍巖等級(jí)為V級(jí)，自穩(wěn)定性極差，隧道掘進(jìn)時(shí)極易出現(xiàn)坍塌、冒頂，因此應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)。研究區(qū)內(nèi)地下水的種類，主要為第四系松散巖類孔隙水和碳酸鹽類巖溶水兩大類。隧道位于地下水位以上，雨季時(shí)出水狀態(tài)為涌流狀。隧道沖溝處，距離設(shè)計(jì)高程埋深僅有8 m，離隧道左線冒頂1 m，右線拱頂開挖線埋深僅有1 m。前第四紀(jì)地層主要為二疊系下統(tǒng)棲霞階（P1q）灰?guī)r、白云巖等。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探，隧址區(qū)基巖為硬質(zhì)巖，巖質(zhì)較硬，巖體破碎-較完整。第四紀(jì)地層主要為殘坡積角礫土、黏土，一般較薄， 為1～2 m，陡坡處覆蓋層缺失，可見基巖裸露。

2 沖溝段施工安全風(fēng)險(xiǎn)

良塘3號(hào)隧道沖溝段施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)，在施工過程中，雖然采取了各種措施，但是也發(fā)生過突泥現(xiàn)象。ZK69+694～ZK69+784、YK69+686～YK69+767 段以強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、角礫土為主，灰?guī)r中厚層，巖質(zhì)較堅(jiān)硬-軟，巖體較破碎-破碎，本段多次遇到土巖交界帶，為巖溶強(qiáng)發(fā)育段，掌子面突泥、涌水坍塌可能性中-高度，圍巖分級(jí)為V級(jí)，地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)為B級(jí)，有發(fā)生小-中型突水、突泥、崩塌的風(fēng)險(xiǎn)。本段存在土巖交界面，隧道存在不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

3 處置方案

采用如下施工工藝流程：清表→截水溝施工→回填水泥土→澆筑30 cm厚的C25鋼筋混凝土→回填黏土→雙層小導(dǎo)管注漿加固圍巖→洞身開挖→初期支護(hù)→仰拱與鋪底→二次襯砌，具體如下所述。

（1）清表。清除地表垃圾、有機(jī)物殘?jiān)霸孛嬉韵轮辽?0 cm內(nèi)的草皮、農(nóng)作物的根系和表土，并進(jìn)行臺(tái)階開挖。清表完成后進(jìn)行壓實(shí)處置，使壓實(shí)度不小于90%。

（2）截水溝施工。清表完成后，K69+700～780段應(yīng)按要求進(jìn)行截水溝施工，使地表排水順暢。溝槽開挖以機(jī)械開挖為主，輔以人工修整。機(jī)械開挖至距設(shè)計(jì)標(biāo)高10 cm以上時(shí)，改用人工修整至設(shè)計(jì)標(biāo)高，開挖做好超欠挖控制。溝槽開挖土方運(yùn)出場外，禁止堆放在水溝外側(cè)。

（3）回填水泥土。排水施工完成后，應(yīng)對(duì)隧道埋深不足5 m的地方回填水泥土。水泥土可采用水灰比為0.5的水泥漿與黏土混合，水泥漿含量不小于10%，水泥土材料應(yīng)集中于隧道K69+740沖溝段附近進(jìn)行集中拌和生產(chǎn)，采用機(jī)械輔以人工的方式進(jìn)行拌和。

（4）澆筑30 cm厚的C25混凝土（如圖1所示）。水泥土填筑施工完成后，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行地表硬化，硬化的范圍應(yīng)不小于水泥土填筑施工范圍50 cm。硬化需鋪設(shè)20 cm×20 cm、φ8 mm的鋼筋網(wǎng)，由鋼筋加工場按圖紙要求下料，嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行焊接、綁扎，安裝時(shí)做到尺寸準(zhǔn)確。混凝土強(qiáng)度必須符合圖紙要求，即C25。澆筑分層厚度為30 cm，采用插入式振搗器振搗密實(shí)，插入式振搗器應(yīng)快插慢拔，均勻振搗，直到混凝土表面不浮漿、無氣泡，不下沉為止。

（5）回填黏土。地表硬化完成后，應(yīng)回填30 cm厚的黏土，采用機(jī)械分層進(jìn)行黏土的攤平、碾壓，回填范圍即混凝土硬化范圍，再采用人工撒播草籽并栽種灌木的方式進(jìn)行防護(hù)，人工再覆30 cm厚的種植土，然后撒播草籽（糖密草和狗尾巴草），每1 000 m2撒播80 kg草籽。撒播完草籽后安排專人進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

（6）雙層小導(dǎo)管注漿加固圍巖。雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)適用樁號(hào)為ZK69+660～ZK69+800（YK69+660～YK69+800）。采用φ42 mm×4 mm雙層小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固處理。

（7）洞身開挖。隧道施工至K69+660-K69+800時(shí)，施工方法改用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，施工至冒頂位置前20 m即K69+720時(shí)，需停止施工，待地表處理完成后，再進(jìn)行正常隧道開挖施工（如圖2所示）。

4 安全預(yù)警和安全要點(diǎn)分析

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警

在巖溶不良地質(zhì)條件下，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)極高。受圍巖完整性及結(jié)構(gòu)面特性等影響，可能出現(xiàn)明顯的差異變形，影響洞身圍巖整體穩(wěn)定性，甚至引發(fā)冒頂、涌水突泥、大變形等不良地質(zhì)災(zāi)害。本節(jié)以實(shí)際模型計(jì)算作為標(biāo)準(zhǔn)，研究隧道開挖后圍巖變形特征影響，以此提出隧道開挖變形極限位移值。本次計(jì)算模型以隧道里程ZK69+698～ZK69+770段為背景，通過FLAC3D有限差分軟件，分析隧道開挖后圍巖變形規(guī)律。計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)見表1。

計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示，以ZK69+720斷面為例，隧道開挖后，X方向（橫向）位移在0～0.04 m，而Y方向（豎向）下沉位移在0～0.16 m。根據(jù)在隧道洞頂布設(shè)的3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測曲線可知，開挖初期變形較小，而隨著開挖的逐步進(jìn)行，洞頂下沉位移快速增加，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

隧道圍巖穩(wěn)定性的綜合辨別如下。①根據(jù)位移速率判斷：速率大于1 mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)；速率變化在0.2～1.0 mm/d時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)觀測，做好加固的準(zhǔn)備；速率小于0.2 mm/d時(shí)，圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)。在巖溶裂隙發(fā)育段、軟弱破碎帶、大變形地段等不良地質(zhì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況制定圍巖穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。②根據(jù)位移速率變化趨勢(shì)判斷：當(dāng)圍巖位移速率變化減小時(shí)，變形趨于穩(wěn)定，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)圍巖位移速率變化保持不變時(shí)，圍巖處于持續(xù)變形狀態(tài)，應(yīng)增強(qiáng)支護(hù)參數(shù)；當(dāng)圍巖位移速率增大時(shí)，變形加劇，圍巖有失穩(wěn)可能，應(yīng)立即停止施工，封閉掌子面。

由計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)極限位移值為300 mm。根據(jù)圍巖位移速率控制基準(zhǔn)，分為3個(gè)管理等級(jí)，各等級(jí)安全性評(píng)價(jià)分析見表2。

良塘3號(hào)隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)發(fā)出預(yù)警4次，其中左洞2次、右洞2次，發(fā)出預(yù)警的原因基本為前方圍巖發(fā)生變化，遇到土巖交界面或前方物探異常推測為巖溶發(fā)育區(qū)。良塘3號(hào)隧道監(jiān)控量測發(fā)出預(yù)警38次，其中左洞20次、右洞18次，發(fā)出預(yù)警的原因基本為監(jiān)測位移速率加快，超過預(yù)警值或出現(xiàn)小規(guī)模坍塌，左洞在ZK69+698～ZK69+770段的位移沉降速率大，多次超過預(yù)警值，最大位移速率發(fā)生在ZK69+706斷面（2022-09-02，24.5 mm/d），最大累計(jì)位移發(fā)生在ZK69+706斷面，累計(jì)值為140.7 mm，左洞監(jiān)測斷面均未超過設(shè)計(jì)預(yù)留變形值（150 mm）。右洞在YK69+689～YK69+763段的位移沉降速率大，多次超過預(yù)警值，最大位移速率發(fā)生在YK69+756斷面（2022-12-06，45.5 mm/d），最大累計(jì)位移發(fā)生在YK69+726斷面，累計(jì)值為256.8 mm，右洞監(jiān)測斷面在YK69+716～YK69+800段多個(gè)監(jiān)測斷面超過設(shè)計(jì)預(yù)留變形值（150 mm）。對(duì)良塘3號(hào)淺埋段監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該段圍巖自穩(wěn)能力差，一旦開挖擾動(dòng)，變形速率馬上加快，最大可達(dá)45 mm/d，但隧道為整體變形下沉，因此一般洞內(nèi)未出現(xiàn)較大裂縫，地表裂縫變化明顯。掌子面停止掘進(jìn)，仰拱跟進(jìn)閉環(huán)后，變形速率會(huì)降低，2～3 d后變形速率可降低至預(yù)警值以下。

4.2 沖溝段施工主要安全技術(shù)措施

（1）施工前應(yīng)對(duì)勘察設(shè)計(jì)單位所提供的工程地質(zhì)勘查報(bào)告及設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行會(huì)審，詳細(xì)了解隧址工程地質(zhì)情況，認(rèn)真編制和實(shí)施施工組織設(shè)計(jì)。加強(qiáng)監(jiān)控量測，地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和TSP地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等多種物探手段要結(jié)合項(xiàng)目部探明的地質(zhì)情況，同時(shí)采用超前鉆，進(jìn)一步確保地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。

（2）遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”原則，確保施工安全。

（3）隧道開挖爆破應(yīng)嚴(yán)格按照鉆爆設(shè)計(jì)組織施工，當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況發(fā)生較大變化時(shí)，要及時(shí)調(diào)整爆破設(shè)計(jì)。施工至圍巖自穩(wěn)能力較差的軟弱破碎帶、淺埋軟巖和涌水地段時(shí)，為保證洞體穩(wěn)定，項(xiàng)目部采用雙層小導(dǎo)管注漿加固圍巖、地表預(yù)加固地層及設(shè)置截水溝排水等綜合措施。

（4）隧道采用錨噴支護(hù)施工。爆破后，如果開挖工作面存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)，為確保安全，應(yīng)盡早初噴混凝土實(shí)施封閉。當(dāng)圍巖自穩(wěn)性很差，開挖輪廓面難以成形時(shí)，應(yīng)及時(shí)施工超前支護(hù)，安裝鋼拱架及系統(tǒng)錨桿，保證初期支護(hù)的穩(wěn)定性。

（5）對(duì)于軟弱破碎帶等圍巖自穩(wěn)能力極差的不良地質(zhì)地段，施工時(shí)開挖輪廓面難以成形，可采用注水泥漿液固結(jié)周邊圍巖，提高其自穩(wěn)能力，注漿漿液的濃度應(yīng)由稀到濃，注漿壓力由低到高，逐級(jí)變換。

（6）不良地質(zhì)隧道襯砌，當(dāng)基底承載力不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地基處理，保證基底承載能力。仰拱施工時(shí)，應(yīng)在隧底開挖完成后抓緊閉環(huán)，或在滿足施工條件的情況下及時(shí)施工仰拱，改善整個(gè)初支受力體系；為提高混凝土的早期承壓能力，可提高拱墻混凝土標(biāo)號(hào)或采用早強(qiáng)水泥，提高襯砌的早期承載能力。

（7）選擇旱季施工。良塘3號(hào)隧道沖溝開挖，控制水因素的影響，是確保隧道開挖安全的重要措施。地表通過截水溝、回填水泥土及進(jìn)行地表硬化等多措施，減小地表水對(duì)施工項(xiàng)目的影響。2022年下半年，氣候干燥，降雨偏少，給順利通過沖溝創(chuàng)造了有利條件。

（8）項(xiàng)目施工時(shí)，邀請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專家給予質(zhì)量把關(guān)非常重要。項(xiàng)目部要?jiǎng)討B(tài)了解現(xiàn)場施工情況，結(jié)合專家意見，科學(xué)地調(diào)整施工方案。

（9）探明掌子面前方地質(zhì)情況，迅速啟動(dòng)預(yù)警體系，采取必要措施，確保人員和財(cái)產(chǎn)安全。統(tǒng)計(jì)監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，預(yù)警系統(tǒng)有效地指導(dǎo)了施工，確保了施工安全。

5 結(jié)語

針對(duì)武忻高速良塘3號(hào)隧道洞身淺埋區(qū)的沖溝段存在突泥等風(fēng)險(xiǎn)，通過FLAC3D軟件建立有限元模型，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，提出以下處置措施。

（1）施工工藝流程：清表→截水溝施工→回填水泥土→澆筑30 cm厚的C25鋼筋混凝土→回填黏土→雙層小導(dǎo)管注漿加固圍巖→洞身開挖→初期支護(hù)→仰拱與鋪底→二次襯砌。

（2）隧道開挖后圍巖變形規(guī)律：隧道開挖初期變形較小，而隨著開挖的逐級(jí)進(jìn)行，洞頂下沉位移快速增加，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）隧道圍巖穩(wěn)定性的綜合辨別依據(jù)：①位移速率大于1 mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)；位移速率為0.2～1.0 mm/d時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)觀測，做好加固的準(zhǔn)備；位移速率小于0.2 mm/d時(shí)，圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定。②當(dāng)圍巖位移速率變化減小時(shí)，變形趨于穩(wěn)定，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)圍巖位移速率變化保持不變時(shí)，圍巖處于持續(xù)變形狀態(tài)，應(yīng)增強(qiáng)支護(hù)參數(shù)；當(dāng)圍巖位移速率增大時(shí)，變形加劇，圍巖有失穩(wěn)可能，應(yīng)立即停止施工，封閉掌子面。

（4）確定設(shè)計(jì)極限位移值為300 mm，當(dāng)管理位移值低于100 mm時(shí)，管理等級(jí)為Ⅲ級(jí)，可正常施工；當(dāng)管理位移值大于等于100 mm且小于200 mm時(shí)，管理等級(jí)為Ⅱ級(jí)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)管理位移值大于200 mm時(shí)，管理等級(jí)為Ⅰ級(jí)，應(yīng)采取特殊措施。

（5）提出沖溝段施工可行性較高的安全技術(shù)措施。

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