淺埋軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術研究

張龍生，何慧兵

(1.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330008;2.江西公路交通工程有限公司，江西 南昌 330008)

1 工程概況

江西省昌寧高速公路川風凹隧道設計為分離式隧道，雙向四車道。隧道左線長1 255 m，起止樁號ZK156+130～ZK157+385；右線長1 235 m，起止樁號YK156+125～YK157+360；隧道最大埋深約165 m。隧道區微地貌屬侵蝕低山地貌，海拔高程約為200～360 m，經過區域地表地形整體起伏不大，地形較緩，進口段坡度約10°～12°，地形較緩，出口段坡度約15°～30°，地形上陡下緩。隧道與山體大角度相交，隧址區發育有數條近南北向小沖溝。

2015年5月14日至5月15日，隧道右洞進口段YK156+168～181上臺階3個監控量測斷面均出現較大下沉，其中，YK156+168拱頂下沉132 mm，YK156+173斷面拱頂下沉84 mm，YK156+178拱頂下沉20 mm。初期支護變形持續發展，至5月22日，YK156+168～181段初支下沉加劇，掌子面附近最大累計下沉量達1.39 m；同時，地表在YK156+187附近出現塌陷，呈圓形凹陷狀，直徑約2.6 m，最大塌深1.8 m左右，下沉地表四周出現明顯裂縫。隧道該段為洞口淺埋段，埋深14 m左右，圍巖穩定性差，遇水濕陷。

2 大變形原因分析

(1)淺埋段。隧道右洞YK156+125～320進口段洞頂埋深3～25 m，屬于淺埋段，隧道開挖后，不能形成壓力拱，支護結構將承受其上面的全部上覆土所產生的土壓力。由于尚未施作仰拱，初支結構未閉合，且大變形段已過大管棚支護地段，支護結構不足以承擔上覆土壓力，產生隧道大變形和地表塌陷。

(2)圍巖穩定性差。隧道右洞YK156+125～320進口段設計為V級圍巖。地層巖性為全風化中粗粒斑狀黑云二長花崗巖，手捏呈散體狀，原巖結構基本破壞，巖體具微弱殘余結構強度，巖體破碎～極破碎，地基承載力基本容許值250 kPa。圍巖穩定性極差，造成鎖腳錨桿握裹力不足，拱架拱腳軟弱，初期支護下沉抵抗力下降，加劇了初期支護的下沉。

(3)地下水滲透破壞作用。施工正處于雨季，初期支護大變形前持續兩個星期降雨，滲水量大，導致覆蓋層土體含水飽和，土體重量增加，圍巖軟化、泥化，呈松散狀，粘聚力迅速降低，承載自穩能力急劇下降。淺埋軟弱段圍巖在地下水的滲透破壞作用下，最終導致初期支護荷載急增，變形急劇增大，發生大變形。

3 綜合處治技術措施

3.1 地質情況超前探測

為進一步掌握掌子面前方巖體性質及地下水的賦存情況，避免施工過程中發生涌水、塌方等地質災害，進行地質雷達超前預報工作。采用天線主頻100 MHz、型號SIR-3000的地質雷達對掌子面前方30 m地質情況進行探測。在掌子面附近布置一條長8 m測線，由左向右進行探測。

分析地質雷達的彩色成像成果圖，結合相應的地質資料推斷掌子面前方地質情況。從預測結果來看，預報范圍內波形較凌亂，能量衰減較大。判斷預報范圍內圍巖情況與當前揭露的掌子面圍巖條件基本一致，未見有變好的趨勢。圍巖節理裂隙發育，完整性差，圍巖呈全強風化，圍巖自穩能力較差。結合該洞段開挖出露的地質情況，判定預報范圍段圍巖等級為V級，開挖后應及時支護，防止塌方、掉塊等地質災害的發生。

3.2 地表塌坑注漿回填

塌坑處于匯水地帶，為防止長時間雨水沖刷和積累造成掌子面發生坍塌，在塌陷區四周外圍10 m修筑0.5 m×0.5 m截水溝，攔截地表水，確保塌陷區不積水。塌陷區及其周邊圍巖呈松散狀，巖體孔隙率大易滲水,采用φ42×3.5 mm鋼花管對塌坑周邊5 m及底部巖體進行注漿封堵加固。塌坑底部采用6 m長注漿小導管加固，塌坑周邊采用9 m長注漿小導管加固。注漿管間距150 cm×150 cm，梅花形布置，采用水泥單液漿，注漿壓力0.5～1.5 MPa。

注漿完成后進行塌坑回填，采用粉質黏土回填，回填土分層夯實，層厚30 cm。回填土頂部做成龜背狀以保證降水順利排出，回填土覆蓋范圍大于塌坑表面。回填完成后，在回填土表面進行10 cm厚掛網噴錨支護封閉，確保塌陷區不滲水。

3.3 初期支護繼續變形控制

掌子面停止開挖施工，掛設φ8鋼筋網間距20 cm×20 cm，并噴射20 cm厚C20混凝土進行封閉。在初支大變形段設置洞內豎向及橫向鋼支撐加強，確保變形段穩定，為后續處理提供安全保障。在上臺階鋼支撐左右拱腳各增設1根4 m長φ108×6 mm注漿鎖腳錨管，控制拱腳下沉。從YK156+162往洞外對已施工仰拱填充地段及時澆筑二襯混凝土，確保后方安全與穩定。加強變形段的監控量測頻率，確保施工安全。

3.4 洞內管棚注漿加固

洞內變形段前部YK156+163～168范圍采用片石和碎石進行回填，修筑洞內長管棚工作平臺。在洞內YK156+166～168處施作3榀I18工字鋼套拱，套拱間距1 m。套拱左右兩側拱腳采用I18工字鋼進行縱向連接，工字鋼拱腰、拱腳部各設置6 m長φ108×6 mm注漿鎖腳錨管，縱向間距0.5 m；套拱拱腳以上縱向采用Φ22鋼筋連接，并掛設φ8鋼筋網@20×20 cm，噴射C20混凝土加強。確保洞內套拱穩定。

洞內套拱施工完后，在洞內施作注漿長管棚，對前方圍巖進行超前支護和加固。管棚長度30 m，仰角3°～5°，環向間距40 cm，環向37根。注漿材料采用1∶1水泥單液漿，注漿壓力0.5～2.0 MPa。

3.5 開挖及支護控制

隧道變形段及前方30 m圍巖軟弱且淺埋，應縮小開挖斷面，逐步開挖。采用三臺階臨時仰拱法開挖，使各臺階成環受力，抵抗變形。上臺階開挖進尺不大于1榀鋼架間距，邊墻開挖進尺不大于2榀鋼架間距，仰拱開挖進尺不大于3 m；上臺階開挖支護3～5 m后開挖中臺階，中臺階開挖支護3～5 m后開挖下臺階；仰拱距掌子面控制在30～35 m。開挖后立即施作初期支護，并每間隔2榀鋼拱架設臨時仰拱鋼支撐；上、中臺階鋼支撐左右拱腳處各增設1根5 m長φ108×6 mm注漿鎖腳錨管，控制沉降。

施作注漿小導管超前支護后開挖，小導管長度2.5 m，環向間距40 cm，每0.5 m施工一環，注漿材料采用1∶1水泥單漿液，注漿壓力0.5～1.0 MPa。初支鋼支撐采用I20工字鋼，間距50 cm，噴射混凝土厚度25 cm。初期至完成后，每隔5 m布置監測斷面對隧道拱頂沉降和周邊收斂進行嚴密監測，監測頻率2～3次/天。分析反饋監測數據，確定二次襯砌施工時間。

3.6 初支侵限段換拱

在完成YK156+168～181段前后二襯施工且二襯達到設計強度的90%以上后，返回處理初支大變形和施作長管棚導致的侵限段落。換拱作業前每隔2 m布置斷面加密監測，每6 h進行1次監測。

根據斷面侵限情況，對上臺階拱腰至拱頂部位初支鋼拱架采用一次性換拱，換拱作業由大里程向小里程方向進行。在需要換拱的鋼架旁邊用風鎬刻槽，達到設計深度后將置換的鋼架嵌入槽中，逐榀對侵限初支鋼架進行置換。待監測數據穩定后，方可拆除原侵限部位拱架，并及時進行噴射混凝土封閉，確保拱架的連接及鎖腳錨管的施工質量滿足設計及規范要求。拱架置換長度達到6 m后，根據

現場監測結果及時施作二襯。

4 治理效果分析

川風凹隧道進口段大變形經過上述系統的處理后，對圍巖變形情況進行監測，評價治理效果。以YK156+174斷面監測數據為例，監測數據結果如圖1所示。從變監控量測數據曲線可知，治理段圍巖變形收斂速度快，累計最大拱頂沉降25.1 mm，累計最大水平收斂20.3 mm，最終變形量均在規范允許范圍，變形得到有效控制。

圖1 YK156+174斷面圍巖變形時態曲線

5 結束語

在進行淺埋軟弱圍巖段隧道大變形施工處理時，應遵循“先穩固、防擴展、后加固、穩通過”原則，采用系統的施工控制技術，保證隧道施工安全。川風凹隧道進口淺埋軟弱圍巖段大變形處理采用地質情況探測、地表塌陷封閉、繼續變形控制、洞內管棚注漿加固、三臺階臨時仰拱法開挖和強支護的系統處理技術后，圍巖變形得到有效控制，隧道安全順利通過大變形段，治理效果良好，可為類似工程施工處理提供一定的借鑒。

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