淺埋偏壓軟弱圍巖大斷面隧道綜合處治措施

鄭先奇

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

1 工程概況

貴州省惠水至興仁高速公路八標(biāo)段林場隧道，位于貴州省紫云縣浪風(fēng)關(guān)林場境內(nèi)。出口地勢較平緩，有長約120m淺埋地段，埋深約5.0m～9.0m。隧道通過段為山間狹谷斜坡，自然斜坡角約65°的陡坡狹谷地帶上，出口為偏壓地段。隧道出口山頂有一段走向與隧道走向基本相同的S309省道，是通往貴州省鎮(zhèn)寧縣和紫云縣多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要公路通道，重載車輛多、客貨車流量大。左線隧道全長1146m，右線隧道全長1142m，林場隧道是惠興高速公路長大隧道之一。

2 工程地質(zhì)特征

隧道通過地層為灰?guī)r，圍巖為Ⅲ級～Ⅴ級。左、右線隧道Ⅴ級圍巖屬洞口淺埋偏壓段，洞口為崩坡積碎石土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖，深部為中風(fēng)化灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖構(gòu)成，受構(gòu)造影響自穩(wěn)能力差，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體破碎，有溶洞，拱頂易產(chǎn)生坍塌，隧道開挖多呈滴狀、線狀滲水，雨季淋雨?duì)顫B水較普遍，局部有輕度涌水現(xiàn)象。Ⅳ級圍巖由中風(fēng)化灰?guī)r、灰?guī)r夾泥巖構(gòu)成巖溶、裂隙較發(fā)育，拱部無支護(hù)時(shí)易小范圍塌落，側(cè)壁容易掉塊。Ⅲ級圍巖由中風(fēng)化灰?guī)r組成，巖體節(jié)理裂隙弱發(fā)育，洞內(nèi)僅為潮濕或點(diǎn)滴狀出水。圍巖自穩(wěn)能力較好，無支護(hù)時(shí)局部可能有小的掉塊塌落。

3 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

1)洞口Ⅴ級圍巖淺埋段套拱、超前管棚注漿支護(hù)，管棚φ108×6mm、長40m、環(huán)向間距40cm。洞身Ⅴ級圍巖超前小導(dǎo)管φ42×4、長4.0m、間距40×240m，初期支護(hù) φ25中空注漿錨桿，長3.5m，間距60×120，φ6.5鋼筋網(wǎng)20cm×20cm，Ⅰ18 鋼拱架間距60cm，C20噴射混凝土厚20cm，二次襯砌C25鋼筋混凝土厚50cm。2)Ⅳ級圍巖超前小導(dǎo)管 φ42×4，長3.5m，間距40×200m，初期支護(hù) φ22藥卷錨桿間距100×120m，長 3.0m，φ6.5鋼筋網(wǎng) 25cm×25cm，Ⅰ14鋼拱架間距100cm，C20噴射混凝土厚20cm，二次襯砌C25混凝土厚40cm。3)Ⅲ級圍巖φ22藥卷錨桿初期支護(hù)，長2.5m，φ6.5鋼筋網(wǎng) 25cm×25cm，C20 噴射混凝土厚10cm，二次襯砌C25混凝土厚35cm。

4 工程特點(diǎn)

4.1 環(huán)保要求高

隧道位于貴州省紫云縣浪風(fēng)關(guān)林場境內(nèi)。自然環(huán)境相對脆弱，特別是隧道施工，要嚴(yán)格做好水源保護(hù)，施工中必須做好各類環(huán)保設(shè)施，最大限度減小施工對環(huán)境的影響，將林場隧道建設(shè)成為綠色、環(huán)保工程。浪風(fēng)關(guān)林場區(qū)域內(nèi)，有大量的珍貴林木，隧道施工要對林場區(qū)域內(nèi)的珍貴林木進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，防止對環(huán)境造成破壞。

4.2 不良地質(zhì)多

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)，左線隧道Ⅴ級圍巖占18%;Ⅳ級圍巖占46%;Ⅲ級圍巖占37%。右線隧道Ⅴ級圍巖占22%;Ⅳ級圍巖占44%;Ⅲ級圍巖占34%。隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)多，隧道Ⅳ級軟弱圍巖所占比例大，對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測及施工過程控制要求高。

5 隧道開挖施工

根據(jù)隧道通過的地質(zhì)條件及隧道的設(shè)計(jì)斷面，洞身開挖根據(jù)圍巖級別分別采用不同的開挖法。Ⅴ級圍巖開挖采用臺階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法或預(yù)留核心土體開挖，開挖面積106.8m2;Ⅳ級圍巖開挖采用臺階分部法，開挖面積98.2m2;Ⅲ級圍巖開挖采用全斷面開挖，開挖面積 85.1m2。

6 施工綜合處治措施

結(jié)合林場隧道施工現(xiàn)場條件、總體工期和經(jīng)濟(jì)成本等方面綜合分析考慮，林場隧道施工采取由興仁(出口)往惠水(進(jìn)口)單向掘進(jìn)。隧道在施工過程中由于淺埋偏壓和復(fù)雜多變的地質(zhì)，施工中發(fā)生地表沉降、拱頂下沉、溶洞、特大溶洞、圍巖收斂變形超限和塌方。本文就林場隧道施工中針對性地采用綜合處治措施分別進(jìn)行介紹。

6.1 塌方

隧道出口段上部是309省道，路面距隧道拱頂僅5.0m～9.0m，屬洞口淺埋段Ⅴ級圍巖。主要由碎石土、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r、泥巖組成。受構(gòu)造影響，圍巖破碎松散，自穩(wěn)能力差，隧道開挖多呈滴狀、線狀滲水，局部有輕度涌水現(xiàn)象。受地形條件影響隧道處于淺埋偏壓狀態(tài)，在隧道施工中邊仰坡均出現(xiàn)了開裂及下沉現(xiàn)象。左洞施工至樁號ZK83+549.5～ZK83+539.5時(shí)，掌子面塌方，洞頂?shù)乇沓霈F(xiàn)直徑約7.0m的塌穴，309省道路面也發(fā)生開裂。

6.1.1 雙層加強(qiáng)超前小導(dǎo)管

ZK83+549.5～ZK83+539.5塌方段，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增設(shè)6m長φ42×4超前小導(dǎo)管，以度過塌方范圍。導(dǎo)管采用鋼花管，沿拱頂環(huán)向8m范圍布置，環(huán)向間距40cm，縱向4排，排距2.4m，仰角 40°～45°，注漿壓力控制在0.5mPa，用以加強(qiáng)對圍巖的超前支護(hù)，增加圍巖的穩(wěn)定性，見圖1。

6.1.2 臨時(shí)鋼支撐組、支護(hù)襯砌加強(qiáng)

ZK83+549.5～ZK83+539.5段采取Ⅰ20b鋼支撐組臨時(shí)加固，每3榀為一組，榀間距60cm，組間距5m，榀與榀之間采用Φ25鋼筋連接，環(huán)向間距5m;為了確保與初期支護(hù)的混凝土密貼，每組鋼支撐采用C20噴射混凝土封閉噴平，噴射混凝土厚20cm，待二次襯砌施工到此段后陸續(xù)拆除。初期支護(hù)工字鋼由原設(shè)計(jì)的Ⅰ18變更為Ⅰ20b，縱向間距由原設(shè)計(jì)的60cm變更為40cm，錨桿由原設(shè)計(jì)60cm×120cm(縱×環(huán))間距變更為40cm×120cm(縱×環(huán))，C20噴射混凝土厚度由原設(shè)計(jì)24cm變更為26cm。二次襯砌鋼筋由設(shè)計(jì)Φ22變更為Φ25，二次襯砌混凝土由設(shè)計(jì)C25變更為C30。

6.1.3 洞內(nèi)長(大)管棚

本段ZK83+525～ZK83+510發(fā)生塌方，塌坑14.6m×11.4m。掌子面圍巖為炭質(zhì)泥巖及黃色粘土，固結(jié)作用很弱，膠結(jié)質(zhì)量差，結(jié)構(gòu)非常松散，具有一定的塑性，受擾動(dòng)時(shí)易發(fā)生緩慢的塑性變形，完整性及穩(wěn)定性很差，隧道拱部及上覆殘積粘土，掌子面有少量滲水現(xiàn)象，從塌坑來看，大部分為坡堆積體。該段處于淺埋偏壓段，加之S309省道的影響，約束作用減弱，山體有開裂現(xiàn)象。

采用洞內(nèi)超前大管棚處治方案，管棚起點(diǎn)里程為ZK83+525，管棚長度40m，φ108×6mm鋼管，環(huán)向間距40cm，共37根。為保證管棚施工角度，在管棚施工起點(diǎn)ZK83+525～ZK83+528縱向3m管棚施工輪廓線范圍超挖90cm加大斷面作為管棚施工工作面。ZK83+525～ZK83+528段初期支護(hù)采用Ⅰ20工字鋼榀間距50cm。為防止開挖后初支變形過大，決定在上導(dǎo)坑工字鋼底腳處增設(shè)混凝土墊塊，見圖2。

6.1.4 雙層鋼拱架

ZK83+559～ZK83+553塌方段作初期支護(hù)和二次襯砌加強(qiáng)處理，工字鋼由原設(shè)計(jì)Ⅰ18型單層變更為Ⅰ20b型雙層，工字鋼間距由原設(shè)計(jì)60cm變更為40cm，φ25中空注漿錨桿間距由原設(shè)計(jì)60cm×120cm(縱×環(huán))變更為40cm×120cm(縱×環(huán))，C20噴射混凝土由原設(shè)計(jì)24cm變更為44cm，二襯鋼筋主筋間距維持原設(shè)計(jì)不變，鋼筋型號由Ф22變更為Ф25，二襯混凝土強(qiáng)度由原設(shè)計(jì)C25變更為C30，見圖3。

6.2 地表沉降開裂

林場隧道左右洞掌子面分別施工至ZK83+543，YK83+565時(shí)，洞頂右側(cè)山體出現(xiàn)開裂，受山體影響，左右洞洞內(nèi)也伴隨不同程度的下沉和開裂，施工及309省道運(yùn)營受到嚴(yán)重影響。

6.2.1 洞外地表

對309省道采取改道處理，洞頂范圍用碎石鋪平并加蓋3cm厚鋼板，以分散重載車輛的荷載，減少來往車輛給隧道造成的沖擊破壞。

6.2.2 地表注漿

對塌坑及其周邊3m范圍采取 φ42×4，間距1.5m×1.5m 鋼花管注漿，鋼花管呈梅花形布置。鋼花管長5m，注漿壓力控制在0.2mPa，注漿結(jié)束后3 d～5d，再對塌坑分層夯實(shí)回填處理，回填至與地面線順接后，再用50cm厚粘土層對陷坑及周邊開裂處進(jìn)行封閉堵水。

6.3 溶洞、特大溶洞

右洞開挖至掌子面YK83+445洞頂出現(xiàn)溶洞，溶洞自掌子面向小里程方向延伸，溶洞周邊巖體破碎、裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)夾雜濕性黃褐色粘土，圍巖自穩(wěn)能力差，溶洞高度約6m、縱向深度約11m。左洞施工至掌子面ZK83+441時(shí)出現(xiàn)溶洞，溶洞從掌子面左側(cè)向小里程延伸，溶洞寬約14.0m～16.0m、長約45m～50m、高度18m～20m。溶洞周邊巖體破碎、裂隙較發(fā)育，且裂隙夾雜濕性黃褐色粘土，圍巖自穩(wěn)能力較差。

6.3.1 混凝土、吹砂回填溶洞空腔

在溶洞及其周邊2m范圍內(nèi)設(shè)置6m長雙層錨桿、縱向間距40cm、錨桿入巖深度不小于3.0m。鋼拱架Ⅰ20b型雙層，工字鋼縱向間距40cm。在溶洞空腔鋼拱架上焊接鋪設(shè)厚3mm的鋼板封閉并預(yù)留泵送管和通氣孔，拱頂溶洞采用C20泵送混凝土進(jìn)行回填，混凝土厚2m，腔內(nèi)采用吹砂工藝回填，見圖4。

6.3.2 特大溶洞全套拱

隧道內(nèi)特大溶洞采用C20混凝土全斷面套拱防護(hù)通過;仰拱以下的溶洞全部用C20片石混凝土進(jìn)行回填處理，Ⅰ20b工字鋼雙層鋼拱架支撐、縱向間距40cm，在溶洞空腔鋼拱架外側(cè)焊接鋪設(shè)厚3mm的雙層鋼板封閉用作套拱的模板，雙層鋼板層間距為70cm，在雙層鋼板灌注C20混凝土，并預(yù)留泵送管和通氣孔。在鋼拱架外面施作隧道全斷面套拱防護(hù)，套拱厚度70cm。C20混凝土全斷面套拱外吹填砂進(jìn)行溶洞空腔回填，吹填砂至套拱頂高3.0m左右即可，吹填砂既是套拱的保護(hù)層，又是溶洞坍塌和落石的緩沖層，見圖5。

6.4 軟弱圍巖收斂變形超限

林場隧道右洞施工至掌子面YK83+565時(shí)，拱頂下沉加劇，YK83+610～YK83+580段收斂加快，部分區(qū)域累計(jì)收斂值達(dá)16cm并仍在發(fā)展，初期支護(hù)也出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

6.4.1 注漿加固

對YK83+610～YK83+580段左右側(cè)采取φ42×4鋼花管注漿，鋼花管布置范圍為:至高出隧道斷面圓心1m位置往下，按間距1m×1m梅花形布置，鋼花管長6m，與工字鋼焊接以形成整體共同受力。注漿壓力控制在0.5mPa，增加圍巖的穩(wěn)定性。

6.4.2 臨時(shí)鋼支撐、臨時(shí)仰拱

YK83+610～YK83+580段采取Ⅰ20b鋼支撐臨時(shí)仰拱加固，每3榀為一組，榀間距60cm，組間距3m，榀與榀之間采用Φ25鋼筋連接，鋼筋環(huán)向間距1m;為了確保與初期支護(hù)的混凝土密貼，每組鋼支撐采用C20噴射混凝土封閉噴平，噴射混凝土厚20cm。鋼支撐支護(hù)施工中，應(yīng)保證拱腳確實(shí)落于巖石之上充分接觸，必要時(shí)可用鋼楔楔緊。加快下導(dǎo)坑及仰拱施工進(jìn)度，以使上下導(dǎo)坑初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，待上下導(dǎo)坑鋼拱架封閉成環(huán)后拆除臨時(shí)加固仰拱，同時(shí)要求下導(dǎo)坑及仰拱施工過程中應(yīng)短進(jìn)尺，早封閉。

7 結(jié)語

林場隧道出口段口位于309省道下方的淺埋偏壓地段，開挖斷面大、地質(zhì)條件差、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖所占比例大。隧道施工過程中發(fā)生的塌方、地表沉降、溶洞、特大溶洞、軟弱圍巖收斂變形超限。采取了不同的處治技術(shù)措施，取得了十分滿意的效果。采取的技術(shù)措施合理可行，施工工藝成功且有效，能夠保證工程質(zhì)量和隧道的運(yùn)營安全。林場隧道施工采取的一些成功技術(shù)處治措施，為大斷面淺埋偏壓軟弱圍巖隧道施工積累了施工經(jīng)驗(yàn)。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.林場隧道兩階段施工設(shè)計(jì)圖[Z].2010.

[2]JTJ042-2000，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]程建軍.蝴蝶谷隧道淺埋偏壓段長大管棚施工技術(shù)[J].山西建筑，2010，36(12):305-306.