公路隧道洞口變形侵界處理方法

于海龍 王 飛

(安徽省交通規劃設計研究院有限公司，安徽合肥 230088)

0 引言

在山區修建高速公路隧道工程的過程中，常遇到一些不利于隧道施工的地質情況，如隧道洞口段的淺埋、偏壓、巖溶等現象。在隧道施工開挖過程中，由于各種因素的影響都可能發生土石坍塌、坑道受壓、支撐變形、襯砌結構斷裂等施工問題，嚴重影響施工進度、安全和質量，甚至對以后安全運營造成威脅。因此，如何處理隧道在不良地質條件下施工中出現的問題有著重要的意義。

1 工程地質概況

佛嶺隧道為分離式單向雙車道，隧道左線長3 704 m，里程樁號ZK24+459～ZK28+163，隧道左線進口端洞口位于山谷斜坡坡腳位置，隧道入口處坡向朝北，山坡自然坡度較陡，上覆角礫土層厚約0.5 m～2.0 m，洞門巖石為砂巖與泥巖巖組，洞門以后夾薄層花崗閃長巖。砂巖與泥巖巖組呈薄～中厚層狀構造，花崗閃長巖呈塊狀構造，但巖體節理裂隙發育，巖石風化強烈，強度較低，遇水易軟化，整體穩定性差。另外，在隧道進口處有一斷裂破碎帶，與路線在洞口處斜交，該斷裂破碎帶較寬，在地貌上表現為沖溝，第四系覆蓋層較厚。隧道進口處受斷裂破碎帶影響，巖石破碎，因此成洞條件較差，圍巖易產生坍塌、冒頂。

2 洞口變形情況及原因分析

2.1 洞口變形情況

佛嶺隧道施工中遇連續下雨，隧道左線洞口上、中導開挖及初期支護完成了200多米，下導半斷面開挖、支護完成了17 m。在后序仰拱緊跟的施工過程中，由于強降雨天氣影響，隧道洞口地表滲水嚴重，泥漿從洞內初期支護背后滲流出來，洞口段初期支護橫向發生急劇變形，并造成山體沉陷變形開裂，產生了大范圍地表沉降裂縫(見圖1)。根據現場調查和施工人員測量復核分析，隧道左線ZK24+475～ZK24+487段埋深只有2.0 m～4.5 m，該段初期支護橫向變形達1.2 m，地表沉降變形達0.8 m(見圖2)，支護已經嚴重變形侵限，ZK24+487～ZK24+525段初期支護收斂變形較大，噴射混凝土開裂脫落，部分鋼拱架裸露，其中ZK24+487～ZK24+510初期支護輪廓線已經有不同程度侵限，二襯施工厚度已不能滿足要求。ZK24+475～ZK24+515段地表覆蓋層已經松動開裂，地表橫向裂縫長度達19.0 m，對后面山體覆蓋層穩定性有一定影響。

2.2 原因分析

2.2.1 氣候降雨影響

由于隧道埋深淺，在施工期間遇到連續降雨，雨水滲透快，地表覆蓋層巖體受降水侵蝕后，產生濕陷及飽和流塑狀態，在短時間內減弱甚至喪失了原巖的承載和自穩能力，洞身支護結構由承載體轉換為受壓體，側向壓力、上部土壓力荷載急劇增大。初期支護背后泥巖巖體及覆蓋層內碎石土體受雨水侵蝕風化，已經崩塌裂解，發生流變現象，支護背后形成空洞現象。另外，隧道洞口段沉陷變形發生期間遇到強降雨天氣，洞口積水較嚴重短時間內無法排出。

圖1 洞口段地表沉降開裂

圖2 洞內初期支護嚴重變形侵限

2.2.2 地質狀況影響

據現場觀察，隧道洞口出露的地層為角礫土層，下伏基巖為強風化泥巖和砂巖巖組，隧道洞口斷裂面巖層不一致，左側地質條件差，巖體破碎，結構松散，屬軟弱地層，圍巖自穩、承載能力有限，而右側為整體性好的石質巖層。據此判斷，該處屬地層構造帶，巖層接觸面較明顯，左右側地質不對稱為后面滑塌變形創造了條件。另外，隧道支護基礎巖層為強風化千枚巖與泥巖巖組，吸水后基礎承載力降低，容易喪失穩定性。

2.2.3 施工工藝因素

在施工過程中，洞口下導坑已經開挖成形，仰拱錨噴支護施工作業已完成，襯砌鋼筋已經綁扎，仰拱混凝土沒有及時澆筑，形成支護拱架懸空的局面。地表覆蓋層沉降變形過大，加上洞口地形的不利影響，覆蓋層巖體沉降對拱架擠壓，造成拱架橫向變形過大。由于支護拱架之間通過縱向連接鋼筋形成整體受力狀態，洞口ZK24+475～ZK24+487段初期支護變形延伸至后面，導致ZK24+475～ZK24+515段初期支護結構在很短的時間內呈不同程度的變形破壞。

3 變形處理技術方案

3.1 處理方案依據

根據相關專家技術人員討論分析，在對洞口沉陷變形段加固處理時，首先應減小地表水的影響，洞口段地表沉降產生了大范圍的地表裂縫，加上降雨正持續進行，需對已下沉的地表覆蓋層進行覆蓋，避免雨水匯入沉陷變形巖體內，增大自重荷載。地表沉降裂縫應采用黏土回填夯實，避免雨水滲入，同時在裂縫區域周圍地表設置排水溝，引排地表水。其次，應對洞口段圍巖采取注漿加固措施，改善巖層物理力學性能，提高其整體穩定性;然后，對洞口段地表采取加固措施，避免松動覆蓋層及后面山體滑塌。在地表覆蓋層穩定后，根據隧道洞口ZK24+475～ZK24+525段初期支護具體變形情況以及現場施工條件，選擇挖除或換拱方案。

3.2 施工處理方案

1)洞口ZK24+475～ZK24+487段埋深僅為2.0 m～4.5 m，該段地表沉降達0.8 m，洞內初期支護拱架變形達1.2 m，采取換拱+注漿加固處理方案造價過高，施工難度較大，故將該段調整為明洞，將該段地表覆蓋層與洞內已變形支護拆除，臨時邊坡采取噴錨+鋼筋網加固處理措施，噴射混凝土厚度為20 cm，錨桿采用φ22砂漿錨桿，長度4.0 m，間距1.0 m×1.0 m，采用φ8鋼筋網，網格間距為20 cm×20 cm。

2)洞口ZK24+487～ZK24+525段地表覆蓋層為碎石土與強風化砂巖與泥巖巖組，厚度為4.5 m～14.0 m，該段地表覆蓋層沉降變形較大，洞內初期支護噴射混凝土開裂脫落，部分鋼拱架裸露，洞內支護收斂變形較大。為確保該段洞內安全，對該段開裂部位及裸露拱架進行混凝土補噴，然后對覆蓋層巖體采取徑向小導管注漿加固處理措施，導管采用φ50 mm×5.0 mm注漿小導管，間距1.0 m×1.0 m，長度6.0 m。

3)洞口ZK24+487～ZK24+515段地表沉降變形過大，地表覆蓋層松動破裂，整體穩定性差，為避免該段與后面山體覆蓋層在施工過程中滑塌，對ZK24+487～ZK24+520段采取地表錨桿加固處理措施，錨桿采用φ25中空注漿錨桿，間距1.5 m×1.5 m，長度采用4.0 m～6.0 m，錨桿間距和長度可根據覆蓋層厚度進行局部調整。

4)洞內ZK24+487～ZK24+510段初期支護變形較大，其支護輪廓線已經侵入隧道限界，故對該段采取換拱方案。換拱時首先要做好套拱及超前管棚加固措施，然后再進行拱架更換施工。

3.3 施工工藝及工序

在對洞口變形段加固處理時，施工人員應嚴格按照“洞內徑向小導管注漿加固—洞口段地表錨桿加固—洞口ZK24+475～ZK24+487段拆除—洞口套拱設置與超前管棚—洞內侵界段換拱”的施工工序進行施工。洞口ZK24+475～ZK24+487段拆除應等地表覆蓋層穩定后方可進行，在施工過程中，對洞口ZK24+475～ZK24+487段已嚴重變形支護可增設臨時支撐等輔助措施，洞內其他變形段也根據現場情況設置施工輔助措施，確保施工人員安全。

在換拱施工時，采用風鎬鑿除原表層噴射混凝土，破除寬度滿足型鋼安裝空間要求即可，然后根據欠挖深度進行深層鑿除，直至深度滿足設計凈空要求，截斷拱架須拆除的部位，將已加工好的型鋼與原型鋼進行焊接，并使用角鋼用于型鋼連接部位的加強，同時將原設計的縱向連接鋼筋焊接于新安裝型鋼之上，加密布置新換型鋼的縱向連接鋼筋及鋼筋網片。拱架更換工作完成后檢查新換型鋼的牢固性，滿足要求后，重新采用人工持風鎬破除下一榀需要換拱位置之間的混凝土，施工方法相同，兩榀新換型鋼安裝完成后，破除舊型鋼之間巖面凸出的噴射混凝土，滿足設計凈空要求后，將兩榀型鋼之間的縱向連接鋼筋、鋼筋網片連接，噴射混凝土，以此繼續進行下一循環。

4 施工中的問題及解決措施

4.1 存在的主要問題

1)在施工過程中，由于覆蓋層內巖層裂隙水已飽和，初期支護背后空洞較多，漿液向空洞內充填并不能對開挖起到穩定作用，注漿效果差，同時又造成浪費，如何防止漿液向空洞內滲流也是注漿中的關鍵環節。洞內施工時增設了臨時支護，施工操作空間較小，操作困難，危險系數大，為此調整為地表注漿。

2)管棚孔的施鉆過程中，經常碰到原始支護內錨桿，存在卡鉆、掉鉆頭、退鉆與頂管困難等問題，從而導致鉆孔成孔與下管極其困難。

4.2 主要技術措施

隧道地表塌陷較嚴重，根據現場調查情況分析，地表變形為沉降，裂縫延伸至地表覆蓋層1.0 m左右厚度范圍內，故采取了清除地表1.0 m厚的覆蓋層，采用噴射混凝土將地表覆蓋，避免降雨對洞口段影響，同時對地表采取注漿措施。管棚施設較困難，換拱必須配合管棚才能完成，根據管棚施工情況，在洞內采取超前小導管配合換拱施工，確保施工安全。

5 結語

隧道洞口段一般埋深較淺，地質條件差，施工開挖時拱頂不穩定的表現較明顯，一旦拱圈不能發揮應有的作用，就會產生很大的松弛壓力。另外，由于隧道埋深淺，設計時按土體厚度計算的結構荷載并不大，在此種情況下隧道更容易受地形、地質、水文、降水、落石、地震等因素的影響。因此，隧道洞口段施工時，由于支護結構本身受力影響，再加上外部不利條件因素，洞周圍巖容易喪失原有的承載能力，導致隧道結構短時間內承受荷載突然增加，引起結構的突然破壞。

隧道洞口處在不良地段時，在有條件的情況下，應采取一些輔助工程措施，改善巖層物理力學性能，減小外部因素對洞口施工影響。在施工過程中，合理控制施工工法及工藝，盡量減少對圍巖的擾動。同時，應加強洞口段地表沉降觀測及洞內支護收斂變形監控措施，并根據監控數據對支護參數進行優化設計，確保洞口施工安全。

［1］ JTG D70-2004，公路隧道設計規范［S］.

［2］ 關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］ 劉志剛，趙 勇.隧道隧洞地質施工技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［4］ 關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］ 李曉紅.隧道新奧法技術［M］.北京:科學出版社，2002.