淺埋黏土層大跨度隧道施工技術與塌方風險分析

李志強，楊 濤

(1.濰坊學院 建筑工程學院,山東 濰坊 261061；2.濰坊永昌路橋工程有限公司,山東 濰坊 261057)

0 引言

塌方是隧道施工過程中常見的地質災害之一，常常給隧道工程帶來人員傷亡、器械損壞以及工期延誤，給隧道施工帶來一定的挑戰性[1-2]。隧道建設過程中塌方頻繁發生，嚴重危及到施工人員及財產安全，因此隧道塌方風險評估是一項迫不及待的研究課題。國內外學者對隧道塌方風險進行了一系列的研究。李術才等[3]選擇隧道塌方典型因素建立了隧道塌方風險等級的屬性識別模型，并通過工程驗證了其具有較好的適用性。袁永才等[4]基于突變理論對塌方風險因素進行歸一化處理，得到不同塌方的安全數值指標，形成塌方風險突變理論模型，并進行工程應用。模糊層次分析法作為兼具量化與定性描述的評估方法在隧道塌方風險評估中進行了廣泛的應用[5-6]。

對于黏土層淺埋隧道段，圍巖穩定性低，開挖擾動后常難具有自穩能力，拱頂沉降變化較快，降低隧道結構安全性，對襯砌施作工藝及強度具有較高的要求。對于大跨度隧道，需綜合采用雙側壁導坑法與多臺階法進行分部開挖，避免隧道開挖斷面過大而圍巖變形不均勻，從而導致結構整體失穩[7-10]。因此對于黏土層大斷面隧道進行獨立的塌方風險評估頗有意義。

本研究以典型黏土層淺埋大斷面隧道為例，分析雙側壁導坑法施工工藝及襯砌施工工藝，剖析該洞口段施工技術難點，并相應給出施工技術措施。對于該洞口段施工過程，進行地質雷達探測分析，選擇合適的評估因素，建立塌方風險模糊層次評估模型，評估施工塌方風險等級，本文研究成果以期對黏土層大跨度隧道建設過程中塌方風險評估帶來一定的參考意義。

1 工程概況與施工技術

1.1 工程概況

大羅山隧道是福建境內市政公路控制性工程，左線起訖樁號為ZK3+400～ZK4+760，長1 360 m，右線起訖樁號為YK3+335～YK4+765，長1 430 m，屬于長隧道，隧道最大埋深達170 m。隧道采取雙層上、下機非分離式結構，隧道開挖斷面面積達180 m2，襯砌內輪廓線為14.52 m。右洞出口段為淺埋地段，坡度為8°～20°，巖性以第四系洪坡積含碎石粉質黏土、含黏性土碎石為主，松散可塑，天然狀態尚可穩定，開挖易發生坍塌，屬V級圍巖，無自穩能力。地表植被稀少，地表降雨容易下滲，隧道開挖過程中，圍巖極不穩定，易發生塌方風險，隧道地質剖面圖如圖1所示。

圖1 隧道右洞出口段地質剖面圖

由于隧道設計扁平率小、開挖斷面大以及隧道跨度較大，為保證隧道施工安全性，有效控制隧道開挖圍巖應力、應變及沉降，保證襯砌結構的穩定性，洞口段軟弱圍巖設計采用雙側壁導坑法施工。

1.2 洞口段施工技術難點與工藝

1.2.1施工技術難點

根據隧道勘察技術資料與工程實際情況，洞口淺埋段不良地質情況、施工難點與施工技術措施總結如表1所示。

表1 施工技術難點分析

注：Kv為巖體完整性系數(也稱“龜裂系數”)；BQ為巖體的基本質量指標。

1.2.2洞口段施工工藝

針對表1中的施工技術難點，洞口段施工采取雙側壁導坑法以及S5JQ圍巖襯砌類型，具體施工工藝如下。

(1)雙側壁導坑法工藝

基于洞口段埋深淺、上覆黏土層、開挖斷面大等特點，易將隧道斷面分成若干部分進行開挖，各部分采用臨時支撐進行閉合成環，保證分部開挖的穩定和安全，雙側壁導坑法的導坑高度大于跨度，有利于承受更大的豎向荷載，避免應力集中現象。該隧道洞口段雙側壁導坑法示意圖如圖2所示。

圖2 雙側壁導坑法施工工藝

具體工藝流程為：(1)左側上導坑超前支護施作；(2)左側上導坑開挖；(3)左側上導坑初期(臨時)支護施作；(4)左側下導坑開挖；(5)左側下導坑初期(臨時)支護施作；(6)右側上導坑超前支護施作；(7)右側上導坑開挖(比2滯后約15 m)；(8)右側上導坑初期(臨時)支護施作；(9)右側下導坑開挖；(10)右側下導坑初期(臨時)支護施作；(11)中心核心土超前支護施作；(12)上部核心土開挖(比9滯后約10 m)；(13)中間拱頂初期支護施作；(14)中部核心土開挖；(15)下部核心土開挖；(16)中央管溝施工；(17)底部仰拱初期支護施作；(18)仰拱二次襯砌施作；(19)輔道路面施作；(20)拱部二次襯砌施作；(21)中隔層澆注及溝槽澆注。

(2)S5JQ圍巖襯砌類型施工工藝

洞口段采取S5JQ型圍巖襯砌結構，主要包含如下：

① 超前支護(φ108×6 mm管棚+注漿或φ42×4 mm超前小導管+注漿)；

②φ25×5 mm中空注漿錨桿長4.5 m，縱環間距0.5 m×1.0 m；

③ 28 cm厚C25噴混凝土(雙層E6定型鋼筋焊接網+22a號工字鋼拱架，縱向間距0.5 m)；

④ 12 cm預留變形量；

⑤ 400 g/m2土工布；

⑥ 隧道專用防水卷材厚1.2 mm；

⑦ 60 cm厚模筑鋼筋混凝土二次襯砌。

2 洞口段超前地質預報探測

2015年12月3日，利用地質雷達SIR-3000對右洞洞出口段YK3+715～YK3+685進行超前地質預報。此次地質雷達選用100 MHz屏蔽天線，采集樣本點為512，采集時窗為800 ns，采用點測采集方式。波形圖如圖3所示。

圖3 地質雷達波形圖

根據波形圖可知：反射電磁波較為穩定，大部分反射強烈，振幅出現震蕩現象，同相軸多處不連續，未出現明顯物性分界面，電磁波能量衰減較慢。可推測圍巖密實度差異性較大，掌子面(YK3+715)前方3～20 m(YK3+712～YK3+695)段圍巖密實度差，松軟破碎，含水量較大，存在涌水和坍塌風險。

建議施工單位切實及時施作初期支護，預留核心土，防止圍巖變形過大，在開挖后及時進行清渣，二次襯砌需及時跟進，注意土質含水變化情況，防止滲漏水與塌方事故。嚴格按照設計工法施工，遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的暗挖施工方法基本原則。

3 洞口段塌方風險分析

根據地質雷達超前預報結果，針對掌子面前方YK3+712～YK3+695問題段展開塌方風險分析。

3.1 風險因素確定

隧道工程多建于地質復雜的環境中，從勘察、設計、施工及運營階段均有不同的因素對隧道結構穩定性形成動態影響，選擇每個因素進行塌方風險評估是難以實現的。對于黏土地層大跨度隧道，應選擇對其作用最大的因素進行風險評估，參考相關文獻[11]及具體工程特點，本研究選擇地質因素(圍巖級別I1、隧道埋深I2、地下水I3)、工程因素(開挖方式I4、隧道跨度I5、施工水平I6)共6項因素進行塌方風險評估。

(1)地質因素

隧道圍巖強度及完整性對隧道結構穩定性和安全性起著至關重要的作用，圍巖級別越大，圍巖強度越低，穩定性越差，塌方的風險隨之越大；隧道開挖后，隧道上方圍巖形成自然拱，當隧道埋深越小，開挖擾動波及地表，破壞或削減隧道上方圍巖的自穩能力，如果支護不當或不及時，發生塌方風險也越大；地下水是誘發隧道塌方的最廣泛的因素，地下水對圍巖造成軟化、溶蝕等物理化學作用，同時地表水下滲補給地下水的過程，巖體節理裂隙、巖層界限、斷層破碎帶加劇演化貫通，形成滲水通道，破壞圍巖完整性，降低圍巖自穩能力，增大塌方風險。

(2)工程因素

隧道施工中不同地層理應采取合適的施工方法，對于軟弱地層，施工方法宜采用多臺階或雙側壁導坑法開挖，分部開挖工作面越少，塌方風險也越大；隧道跨度越大，對圍巖自穩能力及支護強度的要求越大，發生的塌方風險也越大；施工水平涉及到隧道施工全過程中的技術與管理水平，一般從施工單位的信譽評價、施工單位的經驗水平、技術力量來對施工水平做出評估。

根據以上因素建立塌方分析結構圖，如圖4所示。

圖4 塌方風險分析結構

3.2 風險分析理論概述

(1)確定因素權重集

為了反映各個風險因素對塌方風險的影響程度，對每個因素賦予綜合權重，如下所示。

C={c1,c2,…,c6},

(1)

式中，C為綜合權重集；c1～c6是各風險因素的綜合權重值。

風險因素的權重來源有多種，通常分為主觀權重和客觀權重，在隧道工程現場信息充足的情況下，主觀權重主要由現場專家基于層次分析法評估而得，而客觀權重是采用頻數統計法對收集的100多個隧道塌方案例確定而來[12]，具體如下：

C=k1C1+k2C2,

(2)

式中，C1為客觀權重集；C2為主觀權重集；k1，k2為分配權重，由專家現場根據工程實際情況確定。

根據100多座隧道的塌方資料，采用頻數統計法對圍巖級別、隧道埋深、地下水、開挖方式、隧道跨度、施工水平進行統計分析，可得客觀權重如下：

C1=(c11,c12,…,c16)=

(0.31, 0.08, 0.27, 0.12, 0.15, 0.07)。

各因素的主觀權重通過層次分析法而確定[13-15]。

(2)確定因素隸屬度及模糊評估矩陣

將各因素按風險程度劃分為5個等級，等級越高，風險程度越大，根據風險因素劃分的等級，有利于因素的風險隸屬度的確定。各因素的風險分級如表2所示。

表2 因素風險分級表

遵循文獻[12]中所確定隸屬度函數的原則，對于隧道埋深及開挖跨度可以量化分級的因素，本研究選擇梯形隸屬度函數；而對于圍巖級別、地下水、開挖方式以及施工水平不能量化分級的因素，采用工程中廣泛使用的Karwowski[16-17]提出的隸屬度函數，如表3所示。

表3 Karwowski隸屬度函數

每一個因素都分為k個風險等級，每個因素的每一個等級對該因素具有相應的影響，其影響程度用隸屬度來表示。

對于n個因素，各因素風險等級為k級，建立隸屬度評價矩陣如下：

(3)

式中，bik(i=1，2，…，n)為第i個因素第k風險等級對該因素的隸屬度。

(3)模糊綜合評價

根據上述的權重集與隸屬度評價矩陣，可以得到模糊綜合評價集：

A=CB=(a1,a2,…,a5)，

(4)

式中，ai為所有因素綜合對第i風險等級的隸屬度。

根據最大隸屬度原則，選擇A集中的最大元素對應的等級即為塌方風險等級。

4 塌方風險分析與開挖驗證

4.1 塌方風險分析

基于地質雷達探測成果，本研究選擇YK3+715～YK3+685段進行塌方風險分析，根據隧道地質勘查資料以及現場實際情況，可確定各風險因素取值情況，如表4所示。

表4 YK3+715～YK3+685段塌方風險因素取值

通過現場相關專家及技術人員對風險因素的實際評估，得到各風險兩兩比較的判斷矩陣，如下所示。

通過構造該判斷矩陣，計算出最大特征向量λmax=6.219，一致性指標CI=0.044<0.1，一致性系數CR=0.035<0.1，一致性檢驗合理，該判斷矩陣可靠性較好。計算各因素的權重為C2=[0.40，0.18，0.12，0.05，0.22，0.03]。

根據專家及技術人員的經驗，k1，k2分別取0.5，0.5，則可得綜合權重集C=(0.36，0.13，0.19，0.09，0.18，0.05)。

根據表2因素風險分級與表4的取值情況，再綜合模糊計算理論及相關文獻[12,18]，可以得到塌方風險隸屬度評估矩陣：

故而可得模糊綜合評價集A=(0.48，0.57，0.38，0.76，0.36)。根據最大隸屬度原則，可知隧道右洞出口YK3+715～YK3+685段塌方風險等級為IV級，屬于危險級別。

4.2 開挖驗證

2015年12月15日，隧道右洞出口段開挖至YK3+705，進行了噴射混凝土和初期支護后，洞內較為正常；隨后連續多日降雨，2015年12月18日掌子面開挖至YK3+709時，在YK3+705～ YK3+708段發生小規模塌方，洞內圍巖主要以粉質黏土為主，呈流塑狀，含水量豐富，且襯砌存在滴漏、掌子面局部存在滲水現象；地表發生塌陷，形成直徑約為5 m的塌腔，腔內土石松散濕潤，具體如圖5、圖6所示。

圖5 地表塌腔

圖6 掌子面塌方

5 結論

(1)以典型上覆黏土層淺埋大斷面隧道的洞口段雙側壁導坑法進行分析，歸納該隧道洞口段的施工技術難點，并提出了相應的施工措施。

(2)基于頻數統計法和層次分析法，獲得各風險因素的客觀權重和主觀權重，根據模糊數學理論方法及Karwowski函數，建立各因素的隸屬度評估矩陣，從而構建塌方風險模糊層次評估模型，該方法基于歷史數據的客觀性以及專家現場考量的主觀性，具有較好的可靠度和實用性。

(3)運用塌方風險模糊層次評估模型進行了應用，得出評估段塌方風險級別為IV級，通過與現場開挖實際情況比較，一致性較好。