某強傾倒變形體內淺埋偏壓洞口段的隧道變形分析及處治技術研究

吳學智，王 建，楊保全，曾天文

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130;2.中鐵十局集團第二工程有限公司，河南 鄭州 476008)

0 引言

伴隨著我國西部水力資源的大開發和山區公路建設的快速發展，將有許多長大或特長隧道需要在西部崇山峻嶺之間的峽谷岸坡中修建。在峽谷岸坡中進洞，常常不可避免地會出現隧道洞口淺埋偏壓的問題［1］。一直以來，國內外工程界都很重視淺埋偏壓隧道進口的設計及安全施工技術，并結合工程實例進行了大量的研究和總結，取得了一定的經驗。這些文獻主要介紹了偏壓進洞前的加固方法及相應的施工技術和工法［2－6］;研究了覆蓋層厚度及地面橫坡對隧道力學影響［7］;研究了隧道穿越淺埋斷層破碎帶問題［8］;介紹了隧道拱頂下沉、地表開裂等變形處理技術［9－10］。這些文獻的研究主要偏重于隧道進洞施工前對隧道洞口淺埋偏壓問題的預加固處理措施和軟弱圍巖隧道變形前的預防技術，而本文研究的隧道洞口特殊性有:1)為實現“特定功能”要求，將隧道洞口位置選在淺埋偏壓的強傾倒變形體內，且前期對隧道施工的風險預估不足，導致隧道過大變形而采取的一系列應急處理措施;2)隧道變形加固處理方法及隧道開挖施工方法有別于其他研究的處理方法。

1 工程概況

1.1 工程整體概況

本公路為雅礱江某大型水電站場內交通高、低連接線公路。受高線與低線主公路高差及展線的影響，隧道進口無法繞避淺埋偏壓進洞的問題。隧道進口位于圓曲線段，隧道長2 345 m。隧道公路等級為電站場內交通三級公路，設計行車速度為20 km/h，隧道設計建筑限界為10 m×5 m，隧道開挖斷面為125.3 m2。

1.2 水文地質

該隧道洞口段位于某背斜(2級褶皺)的南翼，所處地層為一單斜地層，地層層序正常，巖層總體產狀N60～80°W/SW∠50～80°，隧道進口95 m洞身段為Ⅴ級圍巖。其中，K0+435(洞門樁號)～+483段(48 m)為強傾倒變形、淺埋偏壓段(Ⅴ2級)，K0+ 483～+530段(47 m)為中－強風化、強卸荷、淺埋偏壓段(Ⅴ1級)。隧道洞口段圍巖等級劃分見圖1。

圖1 隧道進口地質縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of geological conditions of entrance section of tunnel

隧道洞口上部自然斜坡坡度40°～50°，植被良好;洞口下部自然斜坡坡度60°～80°，其下部為雅礱江，屬于高程2 800 m以上的青藏高原氣候條件，見圖2。

圖2 隧道進口水文地質照片Fig.2 Picture of hydro-geological conditions of entrance section of tunnel

1.3 不良地質

本研究的隧道進口段存在嚴重的淺埋偏壓問題，K0+445.00處隧道拱頂垂直埋深5.8 m，靠江側拱腰部側向埋深5.4 m;隧道拱部120°范圍內和靠江側邊墻及其下部一定范圍內為強傾倒變形體，見圖3。

圖3 K0+445(進洞10 m)斷面圖Fig.3 Cross-section of tunnel at K0+445

強傾倒變形巖體折斷面走向與隧道軸線小角度(約8°)相交;強傾倒變形體折斷面緩傾，與水平面夾角約29°。隧道內強傾倒變形巖體在K0+483處向隧道開挖輪廓線外的靠江側移出，見圖4。

圖4 隧道掌子面(K0+483)傾倒變形巖體Fig.4 Rock mass with toppling deformation at tunnel face at K0+483

洞內正常巖體為粉砂質板巖夾薄層砂巖(T3lh1)，巖層產狀N80°W/SW∠70°，板理及節理裂隙發育，巖體卸荷強烈。

1.4 洞口段隧道支護參數

隧道變形前K0+435～+460段按淺埋偏壓條件設計，隧道初期支護及二次襯砌參數詳見表1。

2 隧道變形情況及相關分析

2.1 第1次變形

2.1.1 第1次變形前的施工情況

隧道開挖充分利用巖土體的自穩能力。現場根據實際工程地質情況及設計參數采用了創新的三臺階八步法，根據設計鋼架接頭位置確定分層開挖臺階高度。上臺階采用環形預留核心土并放坡的開挖方式，中、下臺階采用分部放坡的開挖方式，見圖5。隧道施工中采用了短進尺、強支護的方法，循環開挖進尺60 cm，開挖后及時進行初期支護。

隧道洞口在完成K0+442.5～+460(17.5 m)段上臺階和K0+442.5～+450(7.5 m)段靠江側中臺階的開挖及支護工作后，K0+442.5～+460段洞內及洞口仰坡面出現了較明顯的第1次開裂變形。

表1 隧道初期支護及二次襯砌參數表Table 1 Parameters of preliminary support and secondary lining

圖5 三臺階八步開挖法示意圖Fig.5 Sketch of three-bench eight-step excavation method

2.1.2 第1次變形情況及監測數據

洞內:K0+442.5～+455段隧道拱部120°范圍內出現2條寬1～3 mm的主要環形裂縫，主裂縫周邊存在多條從大里程靠山側向小里程靠江側的斜向拉裂縫，初期支護變形開裂，局部噴混凝土剝落，見圖6。

洞外:隧道靠山側傾倒變形折斷面處對應的仰坡面出現與水平面約80°夾角的拉裂縫;隧道靠江側右拱部開挖輪廓線外約2 m處的仰坡面出現2條順坡向的不連續變形裂縫，見圖7。

施工過程中，K0+445處隧道埋深最淺，設監測點時間最早，測量時間最長，根據后期變形情況可知，此點對洞口的變形表現最敏感，因此，本文主要介紹K0+445處的變形情況。第1次變形監測數據見表2。

圖6 隧道第1次變形洞內照片Fig.6 Picture of tunnel inside after the first deformation incident

圖7 隧道第1次變形洞外照片Fig.7 Picture of tunnel outside after the first deformation incident

表2 K0+445拱頂第1次變形情況統計表Table 2 Statistics of crown deformation at K0+445

2.1.3 第1次隧道變形原因分析

結合現場實際地質條件，隧道變形原因分析如下:

1)除隧道左邊墻周邊為強卸荷、中強風化、節理裂隙發育的砂板巖外，其余洞身全部位于傾倒變形后的強風化碎塊石中，洞口段淺埋偏壓問題嚴重。

2)雖然在洞口段上臺階采用了小斷面、短進尺、強支護的施工方法，并利用超前小導管及大角度自進式中空注漿錨桿、鋼架及噴混凝土等一系列措施，使初期支護和開挖輪廓線周邊巖土體形成了相對有效的受力拱圈，但下臺階及中臺階自進式錨桿注漿量偏少，注漿沒有達到對松散破碎巖土體的注漿加固效果，且鋼架底部坐在虛碴上。

3)K0+442.5～+450段靠江側中臺階開挖擾動了已施工的隧道拱部巖土體，打破了此處的受力平衡，施工活動使洞口的偏壓問題更加突出。

2.1.4 采取的加固處理措施

根據變形原因及洞口條件，對變形段采取了相應的加固措施(加固后的隧道洞內情況見圖8)。

圖8 隧道第1次變形加固處理Fig.8 Consolidated tunnel after the first deformation incident

1)暫停掌子面施工，及時填碴反壓K0+442.5～+ 450段隧道靠江側拱腰部。

2)在K0+442.5～+450段隧道靠江側上臺階與中臺階鋼架接頭部位每榀鋼架設2根水平斜向下45°的注漿鎖腳小導管(φ42×4 mm，L=4.5 m)，每根小導管注P·O 42.5水泥300 kg(此注漿量根據處理類似地質條件下的隧道塌方注漿試驗成果及多處成功經驗確定)。要求鎖腳小導管尾端做成15 cm長的90°彎鉤，使小導管端部與鋼架內側壁焊接連接牢固。

3)在K0+442.5～+460段隧道拱部120°范圍內及靠江側邊墻按環、縱向1 m間距梅花形布設φ42×4 mm，L=2.0 m固結注漿小導管(每根小導管注P·O 42.5水泥200 kg)。

4)采用水泥漿封堵坡面裂縫，并做好洞內外監控量測及變形觀察工作。

2.2 第2次變形

2.2.1 第2次變形前的施工情況

對第1次隧道變形的已開挖段加固并穩定后，繼續進行靠江側K0+450～+460段中臺階及K0+ 442.5～+450段下臺階的開挖和支護，并在K0+ 442.5～+450段中臺階與下臺階鋼架接頭處上下各50 cm位置按照鋼架間距增設2排注漿鎖腳小導管。

結合第1次變形前的施工方案，對后續施工方法規定如下:靠江側中、下臺階每循環開挖進尺不超過60 cm;靠山側中臺階循環開挖進尺100 cm;下臺階循環開挖進尺200 cm;開挖后及時支護。按照以上施工方案施工后，沒有發現明顯變形。具體情況見表3。

表3 K0+442.5～+460段施工情況Table 3 Statistics of construction of tunnel section from K0+ 442.5 to K0+460

2.2.2 第2次變形情況

在洞口K0+442.5～+447.5段仰拱一次開挖后，第1次變形加固的 K0+442.5～+460段洞內、外再次出現變形，整體表現為向靠江側滑移的趨勢，見圖9。

圖9 隧道第2次變形情況Fig.9 Tunnel after the second deformation incident

此次變形的主要表現為:

1)隧道靠山側:K0+442.5～+450段起拱線部位噴混凝土開裂，局部剝落，邊墻出現內擠變形，第1次變形裂縫再次張開。

2)隧道靠江側:K0+442.5～+447.5段邊墻出現環向裂縫，此處鋼架底部出現下沉并內擠。

3)隧道拱部:再次出現洞內環向及斜向裂縫，裂縫寬度1～3 mm。

4)洞外仰坡面:隧道開挖輪廓線3 m外的仰坡面出現一條緩傾并向江側傾斜的貫通性錯動裂縫。

2.2.3 變形原因分析

經分析，第2次隧道變形的主要原因為:

1)隧道仰拱開挖過長(實際全幅一次開挖長度5 m)。

2)隧道仰拱地質條件差別較大(靠山側為相對較好的巖石，靠江側為松散碎塊石)。仰拱開挖消除了靠山側較好圍巖的抗力，且使兩側邊墻鋼架底部懸空。

3)隧道仰拱沒有鋼架支護，仰拱與隧道拱墻之間沒有形成有效的支護拱圈。

2.2.4 采取的加固處理措施及效果

第2次變形發生后，按照以下加固處理措施順利地完成了洞內加固工作:

1)及時采用洞碴回填了已開挖的仰拱，同時回填反壓K0+442.5～+447.5段隧道兩側邊墻墻腳。

2)為盡快約束K0+442.5～+460段隧道變形，調整原80 cm二次襯砌的一半鋼筋及15 cm混凝土先行施工(將現澆混凝土改為噴混凝土)，取消襯砌防水板。

3)采用水泥漿封堵坡面裂縫，并做好洞內外監控量測及變形觀察工作。

3 變形段二次襯砌及仰拱處理

3.1 仰拱處理及施工方法

根據第2次變形的經驗教訓，在后續仰拱施工中采取了如下措施:在K0+442.5～+460段按照50 cm間距增設了仰拱鋼架，重視仰拱鋼架及邊墻鋼架之間的有效連接;仰拱施工采用短進尺強支護的施工措施，最大限度地減少了開挖擾動，使仰拱在最短的時間內封閉并受力。通過這些加固措施及施工步驟，后續仰拱施工中沒有出現過大變形的問題。

3.2 二次襯砌處理措施

K0+442.5～+460段二次襯砌前，按取消防水板后的設計排水要求布設好洞內排水盲管，利用先期施工的箍筋布設內層鋼筋，并在隧道襯砌接頭處按要求設置膨脹型橡膠止水帶，然后整體現澆完成剩余平均厚約56.9 cm的C25拱墻混凝土二次襯砌(第2次變形及加固侵限約23.1 cm)。

4 后期施工方案及監測情況

4.1 后期隧道支護參數

根據隧道洞口不良地質情況，對K0+460～+483段初期支護參數調整如下:

1)隧道拱部120°范圍內及隧道靠江側邊墻內，系統支護采用φ42×4 mm，L=3.0 m固結注漿小導管，環向間距100 cm，縱向間距75 cm，梅花形布置。固結注漿小導管注漿量:注P·O 42.5水泥量250 kg/根。

2)每榀鋼架設4根φ42×4 mm，L=4.5 m鎖腳注漿小導管。鎖腳注漿小導管布置于隧道兩側起拱線及墻腳位置，注漿量為靠山側注P·O 42.5水泥量200 kg/根，靠江側注P·O 42.5水泥量450 kg/根。

3)其余支護參數參照原偏壓襯砌的支護參數。

4.2 后期隧道施工及監測情況

隧道洞口變形加固處理完成后，再進行后續淺埋偏壓段的開挖及支護工作。在施工過程中按照要求作好洞內外變形加固處理段及后續施工段的變形監測工作，待隧道洞口變形基本穩定后及時施工洞口二次襯砌。后續隧道開挖支護施工方法見表4。

表4 后續開挖及支護方法Table 4 Construction methods for remaining sections of tunnel

在后續施工中，洞內地質條件及埋深條件有所改善，按照以上施工參數及施工方法施工后沒有出現隧道大變形的問題。隧道竣工驗收前，在洞口段K0+ 445，K0+455，K0+465斷面襯砌內表面設隧道變形觀測點，測量頻次為1次/月，測量周期為2年。監測結果表明，洞口段無異常情況。

5 結論與體會

1)對待強傾倒變形體內復雜地質條件下嚴重淺埋偏壓的洞口段，應事先平衡偏壓后再進洞是最合理的。本隧道進洞前，應先采用地表注漿加固，在靠江側施作擋土墻并回填，平衡偏壓;再開挖支護邊、仰坡，在隧道拱部及靠江側增設大管棚等工程措施后進洞施工。

2)根據實際工程地質條件，選擇洞內系統支護參數。對松散破碎圍巖，需要應用拱效應理論，采用注漿小導管或自進式中空注漿錨桿作為系統支護，徑向注漿加固開挖輪廓線外2～4 m厚的松散破碎巖土體，利用初期支護及加固后的巖土體形成連續的受力拱圈來承受加固圈外松散壓力及松弛壓力。

3)在隧道施工過程中，需在充分利用巖土體自承能力的條件下，選擇合理的開挖施工方法，以確保施工安全，并節約臨時支護措施費用。

4)在施工過程中做好變形量測及觀察工作，應用監控量測預警隧道險情，同時為動態設計及險情處理提供重要的參考信息。當隧道變形速率位于5～10 mm/d時，需及時堆(填)碴反壓，再采用小導管注漿加固圍巖。堆(填)碴反壓應根據實際需要確定反壓部位及堆碴量，反壓部位一般為隧道兩側底部及掌子面底部。

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