隧道淺埋段施工預防坍塌研究及綜合處理技術研究

白增明

摘要：進行隧道淺埋段施工時，常出現坍塌的現象，本文對淺埋隧道圍巖穩定或坍塌的機理及原因進行了研究及分析，提出了隧道淺埋段施工防坍塌的綜合處理技術方案，以確保施工能夠順利進行，為淺埋隧道的施工帶來參考價值。

Abstract： In the shallow buried section construction of tunnels， the collapse phenomenon often occurs. This paper studies and analyzes the mechanism and causes of the stability or collapse of surrounding rock in shallow tunnels， and proposes a comprehensive treatment scheme for the anti-collapse of shallow tunnels， to ensure the smooth progress of the construction and provide reference value for the construction of shallow tunnels.

關鍵詞：隧道淺埋段；圍巖坍塌；平衡拱；技術方案

Key words： shallow buried section of tunnel；surrounding rock collapse；balance arch；technical solution

中圖分類號：U452.1+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0132-03

0 引言

隨著我國鐵路、公路等交通基建工程的迅猛發展，在施工中經常遇到淺埋隧道，在淺埋條件下進行隧道的掘進，遇到及需解決的難題較多，顯著特點是圍巖破碎，極易坍塌。且淺埋隧道段的另一個顯著特點是上覆土層薄，由于收斂或是坍塌造成的圍巖損失而引起的地面沉降明顯，甚至冒頂，對周邊環境的不利影響很大。因此，為了確保隧道安全掘進及減少對周邊環境的影響，對開挖掘進、支護襯砌、排水注漿方法提出了更高的要求。所以，如何有效控制淺埋隧道施工對圍巖的擾動，避免誘發圍巖坍塌及地面嚴重沉降變形，成為淺埋隧道設計與施工研究的重點、難點和熱點問題。

1 淺埋隧道與深埋隧道的劃分

淺埋及深埋隧道的劃分通常是以其上覆土層能否形成“自然平衡壓力拱”（以下稱平衡拱）為界，頂上覆土層厚度小于形成自然平衡壓力拱所需高度值時，即為淺埋隧道。國內在設計及施工時通常按經驗做出概略的估算，這個深度通常為2～2.5倍的坍方平均高度值，即：

Hp=（2～2.5）hq（1）

式中：Hp為深-淺埋隧道分界的上覆土層厚度，單位米；hq為坍方平均高度，單位米。

當隧道上覆蓋土層厚度H≥Hp時為深埋，H

而普氏理論則是在自然平衡壓力拱理論的基礎上進行修正及發展，該理論認為松散巖體仍具有一定的粘結力；硐室開挖后，硐頂巖體能夠產生穩定的自然平衡拱；分別在硐室兩側側壁產生兩個滑動面，滑動面與側壁夾角為θ=45°-φ/2，而硐頂處承受的壓力僅是平衡拱內的巖土重量。普氏理論平衡拱的計算模型如圖1所示。

由圖1可得，在普氏理論下，形成自然平衡拱時平衡拱跨徑B，平衡拱的矢高H（算至硐室頂）計算式見式（2）、式（3）：

式中：B—自然平衡拱的跨徑；H—平衡拱矢高；a—峒室掘進時寬度的一半；h為峒室掘進時的高度，φ—硐室處土體內摩擦角；f0—體現圍巖強度堅固性系數，或稱為似摩擦角因數。

按式（2）、式（3）可計算得平衡拱跨徑B，平衡拱的矢高H。同時，大量的施工實踐表明，在按式（3）計算得到H值小于硐室的上覆土厚度H′，但H′不大于2H時，通常不能形成平衡拱，在不對圍巖實施支護的情況下，硐室上覆土體通常產生坍塌，且持續坍塌直至冒頂。

所以在淺埋隧道開挖時，通過進行方案調整優化峒室掘進半寬a值和掘進高度h，使平衡拱矢高H小于0.5H′，從而隧道上覆土體可形成平衡拱，在隧道初支僅能滿足支承平衡拱下土體重量即可保證隧道圍巖的穩定，確保圍巖處于較佳的安全狀態下，且初支成本大幅降低。

2 引起淺埋隧道塌陷的其它因素分析

2.1 水文地質條件等因素的影響

以往的施工實踐表明，雖然有些淺埋隧道按式（3）計算所得的平衡拱矢高小于0.5 H′，但隧道卻時常出現坍塌冒頂的事故。

以上淺埋隧道的地質勘察及原因分析資料表明，通常地表水大量滲入隧道圍巖，導致圍巖含水量非常大。我們知道，圍巖含水量的增大不僅能使圍巖土體間的粘結力大幅降低，甚至完全失去。且含水量的增加，也嚴重降低了巖土的強度值。而普氏理論成立及算式計算的基礎為正常狀態下巖體間的粘結力及圍巖的強度值。而含水量的增加使它們大幅降低，故普氏理論不再適用。

所以在進行淺埋隧道施工前，對地質情況進行勘察，盡量截排地表水，和引排地下水，降低圍巖含水量，增強圍巖的自穩定性。

2.2 施工工藝及操作方面的原因

即使地質水文條件較好，也滿足普氏理論下形成平衡拱的要求，但還是時常出現淺埋隧道坍塌冒頂的事故。經對多處冒頂隧道的施工掘進及支護過程進行了仔細觀察及研究，發現存在如下導致坍塌冒頂事故的人為因素：

①施工時采取大進尺及強爆破。通常在淺埋及圍巖破碎的情況下，要求短進尺、弱爆破。但上述隧道施工時，施工隊了為趕進度，采用大進尺，同時也伴隨裝藥量增加的強爆破。雖在合適條件下自然平衡拱形成了，但圍巖破碎，其平衡狀態非常脆弱，在大進尺及強爆破振動的影響下，將脆弱的平衡打破，自然也就發生坍塌現象。

②施工時支護不及時，襯砌不緊跟。部分隧道施工時，在淺埋段隧道掘進后，初期支護不及時跟進，或是襯砌不緊跟，已經穩定的圍巖在自然因素及施工活動的擾動下，發生松動，且支護及襯砌跟進不及時，隧道現有防護結構不能承擔圍巖壓力而出現坍塌。

③施工時對超前地質勘探不重視，或是根本不進行超前勘探，而是按此前的施工方法及支護手段一味向前施工，當地質及水文條件出現重大變化時，不及時進行施工方法及支護的調整，從而出現隧道坍塌現象。

3 淺埋隧道各種施工工藝及方法的研究

在鐵路、公路的建設中常常遇到淺埋隧道。因其特有地質特性，極易出現隧道坍塌現象，故有必要系統性對淺埋隧道的各種施工工法的優缺點進行分析及研究，解決施工問題。確保施工快速、安全、優質的進行，提高經濟效益。

基于淺埋隧道的特有性質，目前發展了一系列適合淺埋隧道的施工工藝及方法。常有的方法明挖法、蓋挖法、暗挖法和盾構法等，其優缺點和問題如下。

3.1 明挖法

明挖法，指的是將隧道處上覆土體全部清除，然后進行洞身、洞門修建，最后再回填的施工方法。

明挖法具有施工簡單、快速、適用性強，因清除了拱頂覆土，不存隧道頂坍塌，故安全較高，在一定條件下成本較低等優點。

但明挖法受外界氣象條件的影響較大，施工對地面環境的影響較大。如果地形條件和地質條件不利，深基坑防護工程量大，及地面工程范圍內的建筑物和地下管線需拆遷的較多，則施工成本急劇上升，故相對其它施工方法，其對外界條件的要求較高，通常能夠采用明挖法的淺埋隧道并不多。

3.2 蓋挖法

蓋挖法是先蓋后挖，先施做地表的臨時路面或是結構頂板，使路面維持交通暢通后再進行地下其它結構施工的一種新型施工方法。多用于隧道工程需要穿越公路、市政道路或是其它建筑的情況下。

蓋挖法施工的優點是：頂板結構作為保持交通的路面的同時作為基坑的支撐，節省了臨時支撐的工程量，減少了道路占用時間，對地面的干擾相對較小，同時受氣候的影響也較小。也避免了隧道頂坍塌的風險。

其缺點是：施工出土不方便，施工工序較為復雜，工效低、速度慢，且成本較高。

因其存在上述儲多缺點，在施工時主要用于較大型的城市地下結構的施工，對于線狀的鐵路、公路隧道而言，采用蓋挖法的適用性不強。

3.3 盾構法

盾構法為采用盾構機作為主要的施工機械進行地面下隧道挖掘的一種新工藝。

盾構法具有安全性好、效率高、危害小、環境影響小等優點。

但盾構施工法具有重復利用率低、施工復雜、適用性受限、工作條件差、地表變形不易控制等缺點。

盾構法用于較長大地下隧道在經濟上節約的，但如果僅為了某一小段淺埋隧道而采用盾構法施工，是非常不經濟。所以不存在因是淺埋隧道而特意采用盾構法施工的可能，故盾構法施工淺埋隧道不存在現實意義。

3.4 淺埋暗挖法

淺埋暗挖法又名礦山法，淺埋暗挖法是淺埋隧道施工中最為傳統的，也是用得最為廣泛的。該法為在軟弱圍巖地段進行淺隧道施工時，首先進行圍巖的地質加固，以控制地表的沉降為施工重點，采用型鋼拱架和錨噴混凝土對圍巖進行初期支護。由初期支護及復合式襯砌承受所有圍巖的基本荷載，而不考慮圍巖的自承能力。二襯僅作為安全儲備，共同承擔特殊荷載。淺埋暗挖法的施工工法主要來源于“新奧法”，比如初期支護的主要手段是錨噴；盡量減少施工活動對圍巖的擾動；錨噴等初支結構緊貼圍巖；采用監控量測反饋指導施工等。故施工遵循“新奧法”原則，按照“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”方針進行。

淺埋暗挖的優點：開挖前對地層進行了加固，促進了自然平衡拱的形成及增強了平衡拱的承載能力；初支及時跟進，初支結構與圍巖密貼，具有一定柔性，封閉性好，結構樣式靈活多變；施工方法對地面建筑、道路及地下管線的影響小，擾民少。施工受外界環境因素的影響小，故為淺埋隧道采用最多的一種施工工法。

缺點是：施工速度慢，機械化程度低，工人勞動強度高，質量控制難度大等。

4 淺埋暗挖法的核心技術

在進行某隧道淺埋段施工時，根據現場土質情況、隧道埋深、隧道斷面形式及地表建筑物情況，決定采用淺埋暗挖法施工。施工時按淺埋暗挖法“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”原則結合地質情況制定適當宜的開挖步驟和支護措施，嚴格根據監控量測數據確定及調整支護參數，以確保暗挖施工和周邊環境的安全。

管超前：圍巖破碎，土質含水量高，自穩能力差，本項目采取超前大管棚作為洞口淺埋輔助施工措施，通過管棚和注漿來穩固地層，防止拱部坍塌。超前大管棚支護采用外徑108mm，壁6mm的熱軋無縫鋼管，環向布置間距為45cm，長度為30m，共布置48根，傾角1～3°，在拱部180°范圍內布置，進洞后采用超前小導管注漿支護。

嚴注漿：超前大管棚及小導管支護后，立即壓注純水泥漿或化學漿液填充圍巖空隙，使隧壁形成具有一定強度的保護作用的殼體，以增強圍巖自穩能力，確保安全。

短開挖：該隧為雙線鐵路隧道，開挖斷面較大、覆蓋層薄，采用普氏理論計算結果表明，臺階法不能形成自然平衡拱。最終決定采用上、下斷面側壁導坑分部開挖法（CD法）進行施工，采CD法分部開挖，相當于減少了普氏理論中a、h值，從而使圍巖在現有覆土厚度下能夠形成平衡拱。以機械和人工風鎬開挖為主，松動爆破為輔，每循環進尺0.8m，盡量減少對圍巖的擾動。

強支護：在圍巖松散，平衡拱下方土體的重量荷載需由初期支護結構承擔，故初支需強大且牢固，隧道設4.5m錨桿，間距1.5m梅花形布置，I22a工字鋼拱架每60cm設一根，拱架間設間距1m的？準18連接鋼筋，鋼拱架每個拱腳處設2根4.5m長？準28鎖腳錨桿，。隧道全斷面噴射25cm厚C20混凝土，掛？準8@15cm×15cm鋼筋網。

快封閉：為有效控制圍巖松馳，仰拱緊跟。設置適時臨時支撐，以使初期支護盡快形成封閉受力結構，并為襯砌模板臺車軌道的鋪設提供條件，及時進行襯砌施工。

勤量測：結構承受荷載情況，最終都表現為變形。按照規定加強進行監控量測，設置各部位的變形警戒值，掌握隧道各部位的施工動態以調整施工參數。根據現場地質條件、圍巖類別、跨度、埋深、開挖方法和支護類型等綜合確定地質與初期支護觀察、地表沉降、拱頂下沉、隧洞凈空收斂等量測作為本段淺埋隧道監控量測項目。通過監控量測，為判斷圍巖穩定性，支護、襯砌的可靠性，二次襯砌合理施作時間提供依據，指導日常施工管理，確保淺埋暗挖法施工的順利進行。

5 結束語

該隧道淺埋段的施工設計，為今后大斷面淺埋隧道的施工積累了經驗。施工時要盡可能創造條件，以使圍巖形成普氏理論的自然平衡壓力拱，以減少初支所承受的圍巖荷載，確保施工安全。同時加強監控量測，及時掌握圍巖和支護結構的動態情況，調整施工工藝及支護參數，增強施工安全性和提高隧道的長期安全穩定性。

參考文獻：

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