作者簡(jiǎn)介：孟 凱（1989—），工程師，主要從事隧道工程項(xiàng)目管理工作。

摘要：為研究大跨隧道穿越巖溶淺埋段施工問(wèn)題，文章依托天峨至北海公路（平塘至天峨廣西段）控制性工程崗嶺山隧道巖溶淺埋段，分析隧道施工所遭遇的主要施工問(wèn)題，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)與施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出徑向注漿加固、優(yōu)化開(kāi)挖方法與支護(hù)參數(shù)、加強(qiáng)仰拱基底處治等洞內(nèi)沉降變形控制措施，洞內(nèi)變形沉降問(wèn)題得到有效控制，處治過(guò)程中洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)始終穩(wěn)定正常，沒(méi)有發(fā)生二次災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：大跨隧道；巖溶淺埋段；施工難點(diǎn)；處治措施

中圖分類號(hào)：U457⁺.2

0 引言

中國(guó)西南地區(qū)發(fā)育有典型的巖溶地貌，地形復(fù)雜，山嶺綿亙，巖溶發(fā)育，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜。在公路建設(shè)中，巖溶的存在給隧道施工帶來(lái)諸多困難。受限于地形地質(zhì)條件、前后存在重大構(gòu)造物制約等因素，隧道工程不可避免地需穿越巖溶淺埋段。實(shí)踐表明，巖溶淺埋段水文地質(zhì)條件復(fù)雜，雨季地表水匯積于此，地下水補(bǔ)給資源豐富，巖溶強(qiáng)發(fā)育，圍巖地質(zhì)條件很差，物理力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，成拱效應(yīng)很差。

相關(guān)研究表明^[1-2]，大跨隧道施工擾動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響更為明顯，對(duì)于結(jié)構(gòu)沉降變形控制更為困難。由于隧道跨度大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，往往采用分步開(kāi)挖法進(jìn)行掘進(jìn)，施工工序較多，施工組織轉(zhuǎn)換復(fù)雜，圍巖受到多次擾動(dòng)，使得應(yīng)力狀態(tài)多次重分布，圍巖自承載能力受到削弱；同時(shí)大跨隧道初期支護(hù)很難及時(shí)施作，初期支護(hù)無(wú)法及時(shí)閉合成環(huán)，拱腳與邊墻位置的應(yīng)力較集中，再加上施工質(zhì)量控制不好、施工方法不合理、初支施作時(shí)機(jī)與強(qiáng)度不合理等因素，導(dǎo)致大跨隧道開(kāi)挖工程中出現(xiàn)沉降大變形、洞內(nèi)塌方冒頂?shù)葐?wèn)題。

近年來(lái)，針對(duì)大跨隧道施工方面的研究主要集中在隧道施工力學(xué)機(jī)理與施工技術(shù)措施等方面^[3-6]，關(guān)于大跨隧道穿越巖溶長(zhǎng)淺埋段的研究仍有待探討。本文以天峨至北海公路（平塘至天峨廣西段）控制性工程崗嶺山隧道巖溶淺埋段為研究背景，分析隧道掘進(jìn)過(guò)程中面臨的主要施工問(wèn)題，分析巖溶淺埋段水文地質(zhì)特點(diǎn)與土體力學(xué)機(jī)理，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)與施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出合理可行的施工控制措施，總結(jié)出項(xiàng)目建設(shè)的技術(shù)創(chuàng)新成果，相關(guān)研究成果可為今后類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

天峨至北海公路（平塘至天峨廣西段）是國(guó)家高速公路網(wǎng)“縱10”的重要組成部分，項(xiàng)目主線設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基寬33.5 m，是廣西區(qū)內(nèi)首條采用雙向六車道設(shè)計(jì)的高速公路，隧道斷面最大開(kāi)挖跨度為17.75 m。

項(xiàng)目控制性工程崗嶺山隧道進(jìn)口位于河池市南丹縣羅富鎮(zhèn)羅屯村木橋屯境內(nèi)，出口位于天峨縣六排鎮(zhèn)索法村大躍屯境內(nèi)，隧道走向近南北向。設(shè)計(jì)隧道左幅起止里程樁號(hào)：ZK53+325～ZK54+493，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 168 m；右幅起止里程樁號(hào)：K53+327～K54+490，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 163 m。隧道采用上下行分離隧道形式，凈空（寬×高）14.5 m×5.0 m，進(jìn)出口洞門形式均設(shè)計(jì)為端墻式。該隧道進(jìn)口端穿越約170 m的巖溶長(zhǎng)淺埋段，洞頂埋深0～30 m不等，洞口淺埋段線位沿沖溝溝谷布設(shè)，雨季兩側(cè)地表水往隧道線位匯集，地下水較發(fā)育，施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)大。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕丘陵低山地貌，山體連綿起伏，地形起伏較大。根據(jù)工程地質(zhì)物探與鉆探資料，隧址區(qū)位于西涼-陸隆向斜東翼，軸部為南北向，褶皺較為寬闊，核部為三迭系地層，兩翼為二迭系地層。擬建隧道沿線上覆第四系殘坡積（Q^el+dl）粉質(zhì)黏土，下伏三疊系下統(tǒng)（T₁）砂巖和二迭系下統(tǒng)茅口組（P_1m）灰?guī)r。

根據(jù)CSAMT、高密度電法、淺層地震法相結(jié)合的綜合物探成果得知，隧道進(jìn)口端巖溶長(zhǎng)淺埋段為物探低阻異常帶，地下水較發(fā)育，為巖溶發(fā)育破碎帶，發(fā)育較強(qiáng)烈，垂直延伸約40 m，水平延伸約110 m。地質(zhì)鉆孔資料揭露該巖溶長(zhǎng)淺埋段圍巖主要為殘坡積粉質(zhì)黏土及碎塊石、孤石，巖體破碎，洞室多呈點(diǎn)狀滴水、線狀滲水，雨季滲水現(xiàn)象嚴(yán)重，隧道開(kāi)挖后頂板可能產(chǎn)生松動(dòng)掉塊或塌落，坡體穩(wěn)定性差。

2 施工技術(shù)難點(diǎn)

2.1 洞內(nèi)沉降變形控制困難

隧道下穿巖溶長(zhǎng)淺埋段過(guò)程中，掌子面揭露圍巖以全風(fēng)化軟塑狀黏土為主，局部夾有孤石，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下水發(fā)育，圍巖遇水易崩解軟化，圍巖無(wú)自穩(wěn)能力。開(kāi)挖擾動(dòng)后，地層初始應(yīng)力平衡狀態(tài)極易被破壞，使得隧道拱圈外土體出現(xiàn)松動(dòng)，拱腳位置約束會(huì)減弱，鎖腳支護(hù)與土體間的內(nèi)摩擦力會(huì)減小，使得隧道洞內(nèi)的沉降控制變得更為困難，更容易引起洞內(nèi)失穩(wěn)大變形現(xiàn)象。由于前期開(kāi)挖方法的地層適應(yīng)性差、施工工序銜接不緊湊、初期支護(hù)未及時(shí)閉合成環(huán)等原因，使得巖溶長(zhǎng)淺埋段洞內(nèi)沉降變形控制異常困難，多次出現(xiàn)洞內(nèi)沉降變形過(guò)大引起初支侵限的問(wèn)題，初支侵限段落最長(zhǎng)達(dá)30 m，最大侵限值高達(dá)40 cm，后期換拱作業(yè)施工風(fēng)險(xiǎn)極高。

2.2 極易引發(fā)隧道塌方冒頂問(wèn)題

巖溶淺埋段圍巖以全風(fēng)化軟塑狀黏土為主，巖體力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，成拱效應(yīng)較差，地下水滲流會(huì)進(jìn)一步降低土體的物理力學(xué)性質(zhì)，施工荷載擾動(dòng)下掌子面部分土體會(huì)發(fā)生松動(dòng)，進(jìn)而對(duì)掌子面上部土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，還會(huì)加大上部土體的松動(dòng)范圍，出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。隨著上方脫空區(qū)域的土體不斷掉落，上方土體部分土拱效應(yīng)會(huì)逐漸被破壞，使拱頂脫空區(qū)域與松動(dòng)塑性區(qū)不斷往上發(fā)展，最終發(fā)展至地表，從而引起隧道拱頂冒頂?shù)仁鹿省Ｔ撍淼老麓r溶淺埋段前期共出現(xiàn)3次拱頂塌方冒頂事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，施工工期受到較大影響。

3 施工處治措施

3.1 洞內(nèi)沉降變形控制措施

3.1.1 徑向注漿加固

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，巖溶長(zhǎng)淺埋段圍巖在施工擾動(dòng)后，拱圈土體容易發(fā)生松動(dòng)，塑性區(qū)不斷往外發(fā)展，圍巖結(jié)構(gòu)無(wú)法再與初期支護(hù)共同受力，圍巖自承載能力無(wú)法充分發(fā)揮，使作用在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力急劇增大，這是洞內(nèi)沉降變形過(guò)大的主要原因?；诖耍瑢?duì)于施工擾動(dòng)后的段落，現(xiàn)場(chǎng)采取注漿加固拱圈土體的措施來(lái)限制圍巖的變形。其施工控制要點(diǎn)如下：

（1）采用滲透性好的超細(xì)水泥漿液（考慮超細(xì)硫鋁酸鹽水泥漿）來(lái)進(jìn)行徑向注漿加固。普通水泥漿液的水灰比宜為0.5∶1～1∶1；超細(xì)水泥漿液的水灰比宜為0.5∶1～1∶1，水泥最大粒徑宜≤20μm，D50lt;1μm且D80lt;5μm。

（2）注漿加固范圍為初支外輪廓以外3～5 m，注漿鋼管管徑宜選用?42 mm×4 mm或?50 mm×5 mm；注漿孔宜采用梅花形布設(shè)，孔深宜≥4 m，縱、環(huán)間距為1 mm×1 m（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)保證注漿固結(jié)的效果），注漿孔口采取封堵措施。

（3）注漿壓力初壓宜為0.5～1.0 MPa，終壓宜為2.0 MPa，注漿加固宜按由下至上、由拱兩邊向拱頂?shù)捻樞蚴┕?。在設(shè)計(jì)終壓條件下，當(dāng)注漿孔段吸漿率為5～10 L/min、穩(wěn)壓10～20 min時(shí)，可考慮停止注漿。

（4）注漿前應(yīng)先進(jìn)行注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定合理的注漿材料和參數(shù)（漿液材料、配合比、注漿壓力等）；注漿過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理應(yīng)做好相應(yīng)的注漿質(zhì)量檢查和工程量收方記錄，并留好施工影像資料；注漿結(jié)束后宜采取鉆孔取芯法等對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，對(duì)于不合格者應(yīng)補(bǔ)鉆孔注漿。

3.1.2 優(yōu)化開(kāi)挖方法與支護(hù)參數(shù)

加強(qiáng)隧道巖溶長(zhǎng)淺埋段襯砌支護(hù)參數(shù)，開(kāi)挖工法由預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖調(diào)整為單側(cè)壁導(dǎo)洞CRD法開(kāi)挖，于中臺(tái)階增加40 cm厚素混凝土臨時(shí)仰拱，以加快初支閉合成環(huán)的速度。待超前支護(hù)做完后，先開(kāi)挖中夾巖側(cè)導(dǎo)坑，要求采用機(jī)械或人工開(kāi)挖施工，中夾巖側(cè)導(dǎo)坑斷面往前掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)管棚長(zhǎng)度后，應(yīng)先對(duì)中夾巖進(jìn)行注漿固結(jié)，再施工另一側(cè)導(dǎo)坑斷面。待上一循環(huán)初支封閉成環(huán)（大鋼管鎖腳和臨時(shí)仰拱施工完畢）后，方能拆除中隔壁初支型鋼，再進(jìn)行下一循環(huán)的超前支護(hù)施工。

于隧道左、右側(cè)起拱線位置、邊墻拱腳處各打設(shè)兩根?108 mm×6 mm鎖腳大鋼管，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為9～12 m，采用跟管鉆進(jìn)工藝，鋼管內(nèi)采用M30砂漿填充。對(duì)大鎖腳鋼管與型鋼拱架的連接進(jìn)行優(yōu)化（見(jiàn)圖1），鎖腳鋼管端部通過(guò)預(yù)制加工的Q235連接鋼板與初支型鋼拱架進(jìn)行焊接，增強(qiáng)相鄰兩榀初支型鋼的整體連接效果，提高初期支護(hù)的整體抗扭轉(zhuǎn)能力。

3.1.3 加強(qiáng)仰拱基底處治

隧道仰拱基底穩(wěn)定性是影響后期沉降變形的關(guān)鍵，仰拱基底承載力應(yīng)滿足規(guī)范要求，才能確保仰拱施工完畢后洞內(nèi)不再發(fā)生不均勻沉降。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用鋼管樁注漿方案對(duì)仰拱基底進(jìn)行加固，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整基底加固鋼管長(zhǎng)度，以保證鋼管末端嵌入基巖深度≥1 m，鋼管內(nèi)利用強(qiáng)度等級(jí)為M30的水泥砂漿填充密實(shí)。

3.2 隧道塌方冒頂問(wèn)題控制措施

3.2.1 洞內(nèi)掌子面反壓回填

利用洞渣對(duì)掌子面進(jìn)行反壓回填，洞渣回填以保證封堵塌孔后縱向仍有3～5 m回填土石反壓為準(zhǔn)，從而避免回填地表塌坑時(shí)洞內(nèi)溶洞填充物再次出現(xiàn)滑塌，進(jìn)而影響到洞內(nèi)已施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.2.2 洞頂塌坑回填

將塌坑內(nèi)的積水抽干，從山腳往上分段接泵管至洞頂塌坑，每段泵管應(yīng)固定牢靠，避免其抖動(dòng)導(dǎo)致泵送壓力損失。

塌坑底部采用廢棄的型鋼或鋼管作為混凝土骨架，然后往塌坑內(nèi)泵送C20混凝土，回填厚度≥3 m，以達(dá)到防水和壓實(shí)松散塌體的目的，并形成“瓶塞”效應(yīng)防止洞內(nèi)后續(xù)開(kāi)挖時(shí)塌坑松散體繼續(xù)滑落?；靥罨炷聊毯?，繼續(xù)回填碎石土至原地表高度，適當(dāng)壓實(shí)，并在表面涂抹10 cm厚M30砂漿防水，最后采用彩條布進(jìn)行覆蓋。待塌方段二襯施工完成后將地表砂漿層破除，最后恢復(fù)綠化。

3.2.3 增設(shè)洞內(nèi)復(fù)拱結(jié)構(gòu)

為確保隧道作業(yè)人員安全，要求在進(jìn)行洞內(nèi)塌方處治前，提前在塌方影響段落范圍內(nèi)增設(shè)洞內(nèi)復(fù)拱結(jié)構(gòu)。復(fù)拱參數(shù)如下：Ⅰ18b工字鋼、縱向間距為原主洞初支型鋼間距、相鄰鋼架間采用Ⅰ14縱向工字鋼或連接鋼筋連接，復(fù)拱與初支間的空隙采用木楔塞緊或噴射混凝土封閉，復(fù)拱鋼架落腳部位采用鋼板鋪墊，并采用?50 mm×5 mm鎖腳鋼管進(jìn)行固定。

3.2.4 采用新型超前支護(hù)措施體系

洞內(nèi)超前支護(hù)措施調(diào)整為“洞內(nèi)超前短管棚+雙層超前小導(dǎo)管”的超前支護(hù)體系，洞內(nèi)管棚設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為9～12 m，外插角3°～5°，環(huán)向間距40 cm，架立型鋼導(dǎo)向架或混凝土導(dǎo)向墻，鋼管內(nèi)應(yīng)插入鋼筋籠并填滿M30水泥砂漿，采用跟管鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工，以防塌孔影響正常鉆進(jìn)。在相鄰兩根?108 mm鋼管間內(nèi)插?50 mm×5 mm雙層超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距40 cm，與洞內(nèi)超前管棚形成完整的超前支護(hù)體系。此外，改用滲透性好的超細(xì)水泥漿液進(jìn)行超前注漿加固，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)適當(dāng)增加添加劑，確保加固范圍內(nèi)形成完整的注漿硬殼層。

4 處治效果分析

由于現(xiàn)場(chǎng)前期對(duì)巖溶淺埋段的水文地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)不足，無(wú)法準(zhǔn)確掌握其致災(zāi)機(jī)理，缺乏必要的施工經(jīng)驗(yàn)，巖溶長(zhǎng)淺埋段掘進(jìn)不久后，就多次出現(xiàn)洞內(nèi)沉降變形大、初支開(kāi)裂侵限、塌方冒頂?shù)葐?wèn)題，這種情況下隧道必須停止掘進(jìn)，若進(jìn)行反復(fù)的換拱處治，則隧道施工進(jìn)度不可避免地受到嚴(yán)重影響，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平均每個(gè)月只有7～8 m的開(kāi)挖進(jìn)度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，深入分析隧道穿越巖溶淺埋段致災(zāi)機(jī)理，從源頭上把握問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)采取相應(yīng)控制措施后，洞內(nèi)變形沉降問(wèn)題得到有效控制，不僅避免反復(fù)進(jìn)行初支換拱作業(yè)，施工進(jìn)度得到大幅提高，還有效確保隧道安全順利通過(guò)塌方影響段，使后續(xù)施工過(guò)程中塌方冒頂問(wèn)題發(fā)生的頻率大大降低，處治過(guò)程中洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)始終穩(wěn)定正常，沒(méi)有發(fā)生二次災(zāi)害。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以天峨至北海公路（平塘至天峨廣西段）控制性工程崗嶺山隧道穿越巖溶淺埋段為研究背景，分析隧道掘進(jìn)過(guò)程中所遭遇的主要施工難點(diǎn)，從巖溶淺埋段水文地質(zhì)特點(diǎn)與土體力學(xué)機(jī)理出發(fā)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出合理可行的施工控制措施。研究表明：

（1）巖溶長(zhǎng)淺埋段圍巖在施工擾動(dòng)后，拱圈土體容易發(fā)生松動(dòng)，塑性區(qū)不斷往外發(fā)展，圍巖結(jié)構(gòu)無(wú)法再與初期支護(hù)共同受力，圍巖自承載能力無(wú)法充分發(fā)揮，使得作用在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上圍巖松動(dòng)壓力急劇增大，這是隧道出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因。

（2）巖溶淺埋段地層在大跨隧道施工荷載的反復(fù)擾動(dòng)下極易發(fā)生松動(dòng)，極大削弱圍巖自穩(wěn)能力，施工過(guò)程中易出現(xiàn)隧道塌方冒頂、洞內(nèi)沉降大變形等問(wèn)題。

（3）巖溶淺埋段洞內(nèi)沉降變形控制非常困難，合理的開(kāi)挖工法、銜接良好的施工組織、不打折扣的施工質(zhì)量、加強(qiáng)型的鎖腳支護(hù)等是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。

（4）“洞外+洞內(nèi)”綜合處治方案合理可行，能最大程度確保隧道安全順利通過(guò)塌方影響段，使后續(xù)施工過(guò)程中塌方冒頂問(wèn)題發(fā)生頻率大大降低。

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