龍泉山一號隧道進口段初期支護大變形的分析與治理

摘 要：龍泉山一號隧道進口段穿越淺埋、偏壓及長達250m的逆斷層破碎帶。在進口段施工時，隧道沉降、收斂變形嚴重，局部洞段侵入二襯界限。為保證隧道結構及運營安全，采用調坡、圍巖加固及換拱等技術成功完成長達二百多米的侵限處理并無未發生一列安全事故，取得了良好的工程效果。

關鍵詞：龍泉山一號；變形侵限；加固；換拱技術

1 工程概況

龍泉山一號隧道橫穿龍泉山山脈西緣次級剝蝕低山，隧道進口位于成都市龍泉驛區柏合鎮新光村牌坊灣坡麓緩坡地帶，出口位于柏合鎮石碑子村，蘆溪河西岸龍泉驛至元寶公路上部斜坡地帶，毗鄰寶獅湖。隧道起止樁號為K1+735～K3+573，全長1838m。隧道設計雙向四車道三心圓曲邊墻結構，洞內線路為2.6%的單向縱坡。洞內開挖斷面型式分為一般段及緊急停車帶段，一般段最大開挖斷面尺寸13.28m×11.05m（寬×高），開挖斷面面積120.655m2；緊急停車帶段開挖尺寸15.43m×11.34m（寬×高），開挖斷面面積142.82m2。

2 地質、水文特征

2.1 地層巖性

本隧道進口段地層巖性簡單。上覆土層主要有第四系全新統人工填筑土（Q4me）、坡殘積粘土（Q4dl+el），下伏基巖為白堊系上統灌口組（K2g）泥巖夾泥質粉砂巖、鈣質粉砂巖，侏羅系上統蓬萊鎮組（J3p）砂巖、泥巖，斷層壓碎巖（Fbr）。該套地層在臥龍寺向斜SW翼產狀為：N13-33°E/8-14°SE，NE翼產狀同N13°W漸轉N42°E傾向S，傾角9-15°，受構造影響巖層節理極其發育，且有“X”型節理存在。

2.2 地質構造

本區屬新華夏系第三沉降帶-四川沉降盆地之龍泉山褶皺帶中，構造跡線主要呈北北東向，路線區主要構造類型有：

（1）臥龍寺向斜。本隧道橫穿臥龍寺向斜，向斜東翼傾角11～24°，西翼傾角為3°～15°，向斜軸部產狀平緩，翼部較陡。其東界（出口）與龍泉山背斜相接，其西翼（進口）為龍泉驛逆斷層破壞，巖層產狀變化大，局部陡傾，使蓬萊鎮組或遂寧組與上白堊統灌口組接觸。

（2）龍泉驛逆斷層。隧道進口地段發育龍泉驛斷層，該斷層屬區域性逆斷層，位于龍泉山大背斜西翼，地表因第四系掩蓋而斷續出露。斷層南起仁壽陳大山之西，向南斷裂形跡逐漸消失而代之以巖層陡立帶。向北，陳大山至老君廟之間，斷層走向近南北，傾向東，傾角75°，成都龍泉驛以南斷層走向北15°東，傾向南東，傾角35°，東盤（上盤）上沙溪廟組、遂寧組與西盤（下盤）灌口組接觸，地層垂直斷距達10米，破碎帶及其影響帶寬約250米。

龍泉驛至金堂東，斷層又隱伏于第四系之下。地腹經地震勘探查明，斷裂在侏羅系中連成一線，南起仁壽以西，北達中江會棚場，全長超過120公里，斷層總的走向北20°～30°東，傾向南東，傾角25°～30°，東盤相對上升，西盤相對下降，為逆掩斷層。

根據實際施工揭示，龍泉驛斷層于路線分別交于ZK1+870附近，交角為75°，斷層破碎帶寬度約250m，斷層破碎帶由斷層角礫及斷層破碎巖組成，破碎帶及其影響帶淺埋段圍巖為強～全風化泥巖。

3 變形狀況及原因分析

3.1 變形狀況

龍泉山一號隧道進口段于2009年05月開工至2010年10月隧道貫通，總共完成單洞開挖450m。其間，隧道變形收斂特別嚴重，尤其是K1+790～K1+900段沉降變形均已侵入二襯界限。侵限均以開挖上臺階右側為主，左側侵限程度較右側輕，拱頂沉降垂直變形大，拱腳兩側收斂變形相對較小。其中，據變形觀測數據顯示，隧道開挖后平均每日沉降收斂值達1～2cm，單日沉降量最大達11cm，收斂值最大達12cm，隧道局部洞段最大累積沉降達2.0m之多，最大累積收斂值達1.8m。洞上方地表坡面縱向蠕動據測量數據顯示達到1.0m，開裂裂縫寬達30cm。

3.2 原因分析

經過專家們的多次現場踏勘論證，造成本隧道大變形的原因主要有以下幾個方面：

3.2.1 客觀原因。（1）淺埋：進口段坡面平緩，地表埋深3.0～40.0m。地表多為松散土體覆蓋，隧道在開挖施工中成洞困難，且對圍巖擾動十分明顯，致使地表裂縫發育，圍巖應力重分布后大于圍巖強度，圍巖產生塑性變形，圍巖應力主要作用在初期支護上，致使初期支護產生變形。（2）偏壓：隧道進口端下穿一山凹，地表呈現出兩邊高，中間低的特點；右洞YK1+737～+770段地表右側12～0m發育一沖溝，該沖溝自YK1+770處與隧道交匯，并沿路線前進方向延伸至YK1+880位置處逐漸消失。該沖溝深3～6m，沖溝兩側坡面陡峻形成陡坎，導致右洞地表右側局部形成地形偏壓。隧道開挖后，圍巖應力重分布，地表右側土體明顯向左側滑移坍塌，洞內受右側土體擠壓，初支后鋼支撐變形明顯右側傾向于左側，變形量也主要以右側拱腰為主。（3）逆斷層破碎帶：根據施工圖地勘報告，隧道進口ZK1+810～ZK2+015、YK1+810～YK2+015段穿越龍泉驛逆斷層破碎帶，該斷層破碎帶走向與隧道軸線交角為75°，斷層傾向于隧道進口端，斷層破碎帶由斷層角礫及斷層破碎巖組成。受其影響，斷層破碎帶前后淺埋段全～強風化泥巖圍巖極其破碎。受龍泉驛逆斷層破碎帶影響，隧道進口端圍巖節理發育，主要發育有兩組節理，即節N50°W/73°SE 和節N16°E/81°NW，3-4條/米。（4）地下水豐富：由于進口段隧道位于地表下凹地形下面，隧道開挖后，地下水自兩邊高處向低處隧道匯集，且隧道開挖施工處于雨季，大氣降水豐富，雨水通過地表下滲至隧道周邊圍巖。在地表水和地下水浸泡作用下，泥巖和膨脹土進一步軟化、泥化，其各項物理力學指標逐漸降低，從而圍巖的自穩能力逐漸減小，作用在隧道初期支護上的土壓力逐漸加大，并且導致隧道在開挖過程中大小坍方不斷。

3.2.2 主觀原因。（1）設計方：設計最初考慮的初期支護參數在這種特殊的地質條件下已滿足不了控制變形穩定的要求，故后面特對原有的初期支護及輔助措施進行了加強處理。（2）施工方：施工方在前期對這種特殊的地質條件認識還不夠清晰，處于水電行業轉型至公路行業的起步階段，對公路隧道的施工管理經驗還有待進一步提高。

4 變形段治理

4.1 地表處理

由于左右洞初期支護變形持續時間長，變形值大，地層受節N50°W/73°SE和節N16°E/81°NW影響被切割成塊狀，由于施工開挖所引起的底層損失，在其重力作用下，易引起淺埋段地表出現牽引式裂縫。在節N50°W/73°SE和節N16°E/81°NW控制下，部分地表裂縫呈垂直于洞軸線方向展布。在左右洞破裂面影響下，部分地表裂縫大致平行于洞軸線方向或與洞軸線大角度相交。為防止裂縫長期開裂地表水入侵圍巖，我們對裂縫進行人工夯填密實，并形成排水流暢坡面或排水溝。

4.2 洞內變形段處理

4.2.1 調坡。由于進口段K1+790～K1+900段初支變形嚴重，局部沉降收斂達2.0m之多，已嚴重侵占二襯界限。為了能滿足隧道行車要求，特對侵限段初支進行拆換處理。由于侵限拆換施工存在較大的安全風險，在不影響洞外路基、橋梁施工的情況下對進口段進行了調坡處理，由原有的2.6%縱坡調整為3.15%。然后再對調坡后的侵限段進行拆換處理。

4.2.2 侵限段圍巖加固。為保證圍巖變形穩定和減少換拱時對圍巖的二次擾動，侵限段拆換前，需對侵限段圍巖架設工18a臨時鋼支撐，縱向間距1.0m，鋼支撐間采用φ22縱向連接筋連接整體，然后進行徑向注漿加固和超前注漿加固。（1）侵限段圍巖徑向注漿加固：注漿采用鋼花管φ42，L=6.0m，縱環間距0.8×1.6m和自進式錨桿φ28，L=8.0m縱環間距0.8×1.6m交錯布置；注漿材料為水泥-水玻璃雙漿液，水灰比0.8～1：1，水玻璃濃度35Be'，水泥與水玻璃體積比為1：0.8，注漿初壓1～1.5MPa，終壓2MPa。（2）侵限段圍巖超前注漿加固：在拱部侵限范圍打設一排超前小導管φ42，L=3.5m縱向間距2.0m，環向間距0.3m，小導管角度根據實際侵限情況調整；注漿材料及方法與徑向注漿相同。

4.2.3 侵限拆換。拆換前必須首先保證仰拱襯砌及仰拱填充施作完成，圍巖加固后不再變形。拆換時應由洞內向洞口方向逐榀進行，每次拆換最多不超過兩榀，單榀拆換時應自上而下先拱頂后邊墻或半幅進行。拆換全過程，必須加強監控量測，一有突變立即停止施工，迅速撤離所以作業人員設備并及時匯報。具體拆換步驟如下： 第一步：施作保留初期支護端頭（與新增鋼架接頭處）鎖腳錨桿。在需要保留的鋼支撐端頭每處打設兩根鎖腳砂漿錨桿φ25，L=4.0m固定保留端鋼支撐以便拆換時不受破壞。第二步：鑿除初期支護并開挖新增支護空間。為了盡量降低安全風險，減少人員傷亡事故，鑿除侵限圍巖時采用斗山大宇225型專業破碎機破碎代替了人工風鎬鑿除，從而大大提高了生產效率，也使安全作業風險降低為零。第三步：初噴9cm厚C25鋼纖維砼。新增初期支護在調整后的開挖輪廓線基礎上擴挖5cm后立即初噴9cm厚鋼纖維砼（原設計4cm厚）封閉環向開挖面，防止圍巖掉塊風化。第四步：安裝新鋼架。新鋼架與原支護處同型號，鋼架下料長度由現場拆換實際長度提前制作完成，待初噴鋼纖維砼完成后及時安裝。新鋼架與原保留鋼架接頭采用鋼板焊接，當接頭處有錯位時，可適當調節。每榀新增鋼架端頭均打設兩根鎖腳砂漿錨桿φ25，L=4.0m鎖牢。第五步：復噴C25鋼纖維砼。鋼架安裝完成并通過驗收后，立即復噴C25鋼纖維砼至設計厚度。鋼纖維摻量為每方混凝土60kg。

4.2.4 加強二次襯砌支護參數。待換拱完成長度具備二襯作業時，立即將二襯緊跟其后。為保證公路隧道結構與運營安全，換拱段二襯必須布置加強襯砌鋼筋，襯砌鋼筋由原設計每延米5根Φ25（或Φ22）變為5根Φ28，其中拱腰部分3m范圍增設5根Φ22附加鋼筋，縱向分布筋由原設計的φ12或φ14統一調整為φ16，箍筋由原設計的φ8調整為φ10，其間距同原設計。必要時可提高二次襯砌砼等級。

5 結束語

通過對龍泉山一號隧道進口段大變形原因的正確分析，我們成功克服了隧道變形侵限段的繼續加劇，并順利完成了變形段的治理施工。保證了隧道結構和運用安全，提高了施工效率，同時也有效控制了施工安全零事故。為今后對淺埋、偏壓及逆斷層破碎帶隧道的變形處理時提供了豐富而寶貴的施工經驗。

參考文獻

[1]關寶樹.隧道工程施工要點集[Z].

[2]易萍麗.現代隧道設計與施工[Z].

[3]JTGF60-2009.公路隧道施工技術規范[S].

作者簡介：李柯函（1986-），男，江蘇鎮江人，鎮江紅星文化產業投資股份有限公司，助理工程師，本科學歷，長期從事水利水電及路橋和建筑施工管理工作。