馬山頂隧道地表變形處治技術

王艷波

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

公路隧道進出口段由于埋深較淺，圍巖軟弱，地質條件差，如果施工方法不當，則會對地面變形造成較大影響[1]。目前隧道開挖方法大概分為以下幾類：a）全斷面法；b）臺階法，其中臺階法又分為長臺階法、短臺階法、超短臺階法；c）環形開挖留核心土法，也稱三臺階七步開挖法；d）中隔壁法（CD法）；e）交叉隔壁法（CRD法）；f）雙側壁導坑法，也稱眼睛法。除了上述的常規施工方法，國內外學者對隧道不良地質的施工技術進行了深入的研究，如徐兵結合茅山西隧道淺埋段，對明挖和蓋挖兩種施工方案進行了技術經濟比較，并對蓋挖法施工方案及施工工藝進行了介紹，實踐證明，蓋挖法節省了投資，縮短了工期，保護了環境[2]；黃成造等人針對特大斷面隧道采用雙側壁導坑法施工時預留核心土的穩定性問題，提出一種新的隧道施工工藝——對拉錨桿，通過在實踐中檢驗，認為該工藝在雙側壁導坑法施工中是可行的[3]。本文以某條在建高速公路隧道為背景，針對進口端地表沉降開裂采取相應的工程措施，以期對以后類似的工程提供參考。

1 工程背景

1.1 隧道基本情況

馬山頂隧道為中隧道，穿越構造剝蝕低山丘陵區，為左右分離式隧道，隧道走向219°。左線隧道起訖樁號ZK32+047—ZK32+643，隧道長度596.0 m，最大埋深約107.6 m。右線隧道起訖樁號K32+048—K32+645，隧道長度597.0 m，最大埋深約107.6 m。隧道穿過構造剝蝕低山丘陵區，起伏較大，地面標高70.15～171.05 m，最大相對高差約100.9 m。山體植被茂密。兩端洞口坡形較陡，最大坡角約45°～60°。

根據施工圖工程地質調繪成果及鉆孔情況，隧道進口為第四系殘坡積粉質黏土和寒武系中統高灘組全-強風化泥質砂巖組成，強度低，結構面發育，結合差，碎裂狀結構，若受地表水沖刷或坡腳開挖影響，易產生滑塌，穩定性較差。

1.2 進口端開裂情況

2016年10月24號隧道進口端左洞完成邊仰坡開挖及支護；10月25號開始施做套拱；11月10號完成管棚打孔、安裝及注漿；11月20號開始進行暗洞開挖，施工方法采用三臺階七步開挖法。由于進口段覆土層較薄（ZK32+065—ZK32+100范圍內最大覆土高度為16 m），且地質情況為第四系殘坡積粉質黏土及全風化泥質粉砂巖，12月8號，開挖ZK32+080上臺階時，地表出現第一處裂縫，裂縫最大寬度約為5 cm，仰坡噴射混凝多處剝落；洞內開挖中臺階時，由于拱架基礎懸空，造成拱頂及拱腰部分初期支護開裂及剝落，裂縫走向與路線縱向垂直。

圖1 全風化泥質砂巖

圖2 地表裂縫

圖3 仰坡噴射混凝土剝落

圖4 初期支護剝落及開裂

圖5 隧道進口端左洞地表下沉觀測點布置圖

根據監測結果顯示：12月13日馬山頂進口端地表下沉累計最大值116.7 mm；12月15日上午11時天溝上方出現3條裂縫，地表下沉累計最大值246.2 mm，拱頂（ZK32+070）累計下沉 135.8 mm；12月16日，地表下沉累計最大值255.6 mm，進口端拱頂（ZK32+070）累計下沉211.5 mm；12月17日，地表下沉累計最大值257.1 mm，進口端拱頂（ZK32+070）累計下沉211.9 mm，組織人員割除進口端地表草、標記裂縫；12月18日，進口端拱頂（ZK32+070）累計下沉212.9 mm；12月19日進口端拱頂（ZK32+070）累計下沉218.2 mm。

2 隧道進口端專項勘察方案

針對隧道進口管棚施工完畢后隧道頂部地表裂縫，拱頂下沉，對其進行補充勘察。勘察工作遵照“勘察技術要求”規定和工作程序進行，廣泛收集利用已有資料，調查測繪工點路段所屬工程地質單元的地質環境特征。對地質覆蓋層較薄處以挖探井為主；對覆蓋層厚度較大處以鉆探為主。綜合分析后提供工點調查報告。

2.1 地質描繪

在詳細勘察工作的基礎上，對工點進行專項地質調繪。復核巖層產狀，重點調查邊坡現場破壞行跡、裂縫性質。同時搜集隧道施工過程，以及施工過程中出現的不穩定現象，為隧道破壞模式提供依據。

2.2 地質鉆探

在地質調繪的基礎上，按照邊坡的地質勘察要求，本次勘察布置并完成鉆孔11個，布置橫斷面3條（1條主剖面和2條輔助剖面），詳見圖6。通過鉆探查明：

a）地層風化分界線，巖層分布情況，為下一步處治設計提供依據；

b）布置測斜管和地面監測點，查明隧道變形情況。

圖6 隧道進口端左洞地表下沉觀測點布置圖

2.3 綜合分析

分析地質調繪成果，初步為隧道變形定性；結合地質鉆探成果和監測成果，明確變形原因；提出處治建議。

3 地表裂縫處治方案

3.1 預加固措施

由于馬山頂隧道進口端左洞為粉質黏土及全強風化泥質砂巖，且含有少量水分，圍巖承載力較低，施工單位剛進洞時已將原設計的上下臺階留核心土法調整為上中下三臺階七步開挖法，并將每環8根φ22藥卷縮腳錨桿調整為每環16根φ 42縮腳注漿小導管，但初期支護仍有較大沉降。考慮到圍巖的軟弱性，采用地表注漿對隧道進行預加固。注漿采用φ 42熱軋無縫鋼管，壁厚4 mm，管口段0.5 m范圍內鋼管不開孔，其余部分按15 cm間距交錯設置注漿孔，孔徑8 mm，小導管長度為隧道開挖外輪廓50 cm至地面的垂直高度。地表注漿寬度為拱腳以上45°范圍內，長度為ZK32+070—ZK32+120。

在地表注漿過程中，首先按照1.0 m×1.0 m的間距梅花型布置鉆孔，然后利用鉆機進行鉆孔，鉆孔后進行孔位檢查，然后埋設導管，對導管進行注漿。小導管注漿壓力建議為0.5～1 MPa，注漿過程中注漿壓力應逐級緩慢提升，當地下水較大時則壓注水泥-水玻璃漿液，水泥漿水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，水玻璃濃度35波美度，注漿壓力不變。

對于洞身段的軟弱圍巖，對原設計的XS-Ⅴa型襯砌進行加強，未開挖的掌子面拱架間距由60 cm改為50 cm，其余支護參數不變；超前支護由原設計的4榀一環調整為3榀一環，即縱向間距調整為1.5 m，每環仍為37根，間距40 cm；鎖腳錨桿由原設計一榀8根3.5 mφ22藥卷錨桿調整為一榀16根3.5 mφ22藥卷錨桿；對于已經施做初期支護的段落（ZK32+070—ZK32+080段），每3榀施做一環，即縱向間距調整為1.8 m，每環仍為37根，間距40 cm；對于仰拱底部，先進行標貫，如承載力無法滿足要求，進行注漿加固。

3.2 開挖工法

雖然三臺階七步開挖法可將整個隧道分為上中下3個臺階，并且每個臺階分為左右兩個部分開挖，但由于中間核心土的存在，無法使初期支護盡早閉合成環，對減少地表沉降方面作用有限。結合馬山頂隧道的實際情況，建議將三臺階七步開挖法優化為交叉中隔壁法（CRD法），交叉中隔壁法能夠有效地減小掌子面開挖跨度，使隧道的開挖掌子面由扁平改為豎高，并且由于臨時仰拱的存在，能夠讓初期支護閉合成環，因此可有效地減少地表沉降，保證施工安全。圖7為交叉中隔壁法施工步序。

圖7 交叉中隔壁法（CRD法）

3.3 其他措施

由于隧道洞口端地表出現多處裂縫，為防止雨水下滲，造成更大裂縫甚至土體大面積滑塌，將對出現裂縫的地面進行夯實，然后用水泥砂漿填實，最后對地表注漿范圍進行噴射混凝土封閉處理。此外，在原截水天溝上游5 m處增設一道截水天溝，以保證截水效果。

4 地表處治效果及結語

本文以馬山頂隧道為工程背景，通過地表注漿及CRD開挖工法，順利通過進口淺埋段軟弱圍巖。主要結論如下：

a）采用上述方法注漿后，地表下沉得到有效抑制。第三方監控結果顯示，地表累計沉降量及沉降速率明顯減少。地表注漿處治后，通過對注漿范圍內土體進行鉆芯取樣，隧道開挖外輪廓范圍外圍巖整體性及穩定性良好。

b）CRD開挖工法由于中支撐的存在，將隧道一分為二，使隧道的斷面形狀由扁平變為豎高，有利于結構受力；并且設置了臨時仰拱，使初期支護能夠盡早成環，在抑制地表沉降方面要優于其他開挖工法。因此對于隧道進出口淺埋段、軟弱圍巖及對地面沉降要求較高的段落，建議采用CRD法。

c）隧道進出口邊仰坡的地表水及隧道內的裂隙水，對隧道結構的安全影響較大。因此，在開挖明洞之前，一定要做好洞頂截水天溝的鋪砌；洞內掘進時，必須設置臨時排水設施，保證初期支護的穩定。