韭菜坪隧道充填型溶槽處治技術優化研究

張建功，陳學明

(1.中國十七冶集團有限公司北京工程設計分公司，北京 100082；2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100082)

1 韭菜坪隧道概述

韭菜坪隧道位于貴州省畢節市赫章縣境內，該隧道為分離式隧道，右線全長1981(起訖樁號YK57+189～YK59+170)米，左線全長1998(起訖樁號K57+189～YK59+187)米。隧道穿越地層主要為古生界二疊系下統矛口組(P1 m)灰巖，巖體裂隙發育，巖芯較破碎，呈碎塊狀。根據物探成果，(YK59+077～YK59+108)段存在巖溶發育帶(推測巖溶發育形式為淺層充填型溶槽、深部溶蝕裂隙，洞身部位以溶蝕裂隙為主)，圍巖等級為Ⅴ級，該段地下水主要為風化裂隙水和基巖裂隙水，水量受大氣降水影響顯著，圍巖富水性不均一，隧道開挖時呈淋雨狀出水。

隧道施工從出口大里程向小里程方向掘進，掌子面開挖至YK59+113，采用瑞典MALA地質雷達(配100 MHz天線)及配套分析軟件REFLEX進行測試，并進行了洞內超前地質鉆探和現場取樣試驗。綜合判斷YK59+077～YK59+108(埋深約50～60 m)段，隧道起拱線以上巖體中發育大型充填型溶槽(與地表貫通)，縱向長度約為31 m，最大寬度約為25 m，充填物主要為含黏性土中砂，褐黃色、稍濕、松散-稍密狀，主要成分為長石、石英、云母，局部夾可塑狀黏土團塊。溶槽充填物整體性較差，隧道施工揭穿溶槽底板，易誘發冒頂和塌方。根據土工試驗和地勘經驗，充填物物理力學性質詳見表1。

表1 充填物物理力學性質表

2 充填型溶槽處治原則

充填型溶槽設計應本著“結構安全、保護環境、施工易操作、工程造價低”的原則，安全、穩妥的通過溶槽地段。

3 充填型溶槽處治方案

依據《公路隧道設計規范》JTG D70-2004、《公路隧道設計細則》JTG/T D70-2010，采用“同濟曙光-公路隧道設計系統”軟件進行計算。計算方法采用荷載結構法。計算結果(原設計襯砌類型)滿足規范要求，計算結果和原設計標準襯砌斷面圖1所示。

表2 配筋及正常極限狀態驗算結果極值表

說明:(1)Ag：縱向受拉鋼筋的截面面積；Ag'：縱向受壓鋼筋的截面面積。

(2)ρ：縱向受拉鋼筋的配筋率；ρ'：縱向受壓鋼筋的配筋率。

(3)安全系數K1：系《公路隧道設計規范(JTG D70--2004)》9.2.4-2查得；安全系數K2：系由驗算公式計算所得。

(4)Y：表示“滿足”；N：表示“不滿足”。

圖1 原設計襯砌類型斷面圖

由于隧道圍巖缺陷的探測及判釋技術不完善，加之現有隧道計算理論不成熟，與實際的差異較大等因素，考慮到充填型溶槽規模大，施工風險高，與一般的隧道圍巖的襯砌類型無法對比，為了保證襯砌體系的穩定性和施工時安全性，將原設計的超前支護、系統錨桿、鎖腳錨桿及開挖方法進行了優化設計。

(1)超前支護優化方案

隧道內超前支護常采用的形式為超前砂漿錨桿、單層/雙層超前小導管、超前大管棚、超前小鋼管等，為防止開挖造成掌子面坍塌，擾動整個溶槽范圍造成地表塌陷等情況，將原設計的φ42×4 mm超前小導管優化為φ108×6 mm的超前大管棚，并且管棚與管棚中間采用φ42×4 mm的小導管，仰角為45°，長度為6 m，縱向間距為2 m。加強超前注漿支護，為考慮施工方便超前管棚循環長度為15 m，搭接長度不小于3 m。

(2)系統錨桿優化方案

系統錨桿在大型充填型溶槽的隧道中懸吊作用、擠壓加固作用及成拱效應難以充分發揮，為了提高充填物整體的穩定性，因此將中空錨桿優化為徑向注漿小導管加固充填物，徑向注漿采用φ50×4 mm鋼花管，長度為6 m，間距為50(縱)×100(環)cm,注漿采用水泥漿液，水灰比為1∶1，注漿壓力0.5～1.5 MPa，注漿終壓1～1.5 MPa，注漿結束標準：①每孔注漿量達到設計注漿量。②注漿壓力達到最高設計的注漿壓力并保持10 min以上。③如果長時間注漿壓力不上升(一般指8 h)，可按注漿量標準進行注漿效果控制。注漿順序：宜由下往上，按照兩序孔進行，即先隔孔跳排注單號孔，然后注其余雙號孔，這樣通過實施約束性注漿的模式，實現擠壓密實的注漿目的。注漿漿液總方量Q采用注漿對象的總土方量進行計算：

Q=KVn=0.2×31×18.7×6×0.28=194.78 m3

單孔設計注漿量

Q1=194.78/1 178=0.165 m3

(3)鎖腳錨管優化方案

據受力分析：隧道支護體系與溶槽填充物間的接觸應力在拱頂和拱腰部位的差異很大。隧道支護的最危險之處在拱腰(約與隧道中線成40°夾角)處，然而拱頂處壓力值偏小，這是由于拱頂下沉變形量大，應力得到充分釋放，而壓力又是隨支護變形而向洞室移動，因此造成拱頂接觸應力減小。因此每榀拱架在拱腰(約與隧道中線成40°左右的夾角)處左右側各增加1組(2根φ42×4 mm，長度為6 m)鋼花管并且與鋼拱架焊接牢固，防止鋼拱架失穩變形。

(4)開挖掘進優化方案

公路Ⅴ級巖石隧道開挖方法一般分為：硬質巖采用環形開挖預留核心土法，軟質巖一般采用三臺階、CD法、CRD法等。該隧道原設計的開挖方式采用的環形開挖預留核心土法，因遇到了填充性溶槽，開挖斷面過大，可能會造成坍塌或引起填充性溶槽段已完成的初期支護變形，同時考慮到安全施工，因此優化為三臺階+臨時仰拱的開挖方案，這樣可以有效的控制拱頂下沉和邊墻收斂。

(5)施工過程的注意事項

因為該隧道是分離式隧道，右線填充性溶槽施工過程中掌子面的距離至少與左線掌子面錯開3D m(D代表隧道的開挖寬度)，以免左洞爆破影響右洞。該段仰拱施工距離掌子面不大于3 m，二次襯砌施工距離掌子面不大于10 m。鋼拱架的連接螺栓鏈接牢固，鎖腳錨管的打入角度為斜向下30°～45°，并與鋼拱架焊接牢固。拱腳落在穩定的巖石上或增加混凝土墊塊，保證拱架穩定以免拱架受力以后下沉。

4 施工后效果評價

韭菜坪隧道按照上述方案進行施工，在施工過程中每5 m布設監控量測點，對邊墻收斂和拱頂下沉進行了全過程監測，其中在斷面YK59+103處，邊墻收斂和拱頂下沉的累積量最小，分別為43.3 mm和77.5 mm；在斷面YK59+093處，收斂和拱頂下沉的累積量最大，分別為44.8 mm和79.3 mm；從監控量測的數據分析，邊墻收斂和拱頂下沉在隧道開挖21 d后就趨于穩定，并且在19～21 d，每天的收斂速率和下沉速率在0.2～0.1 mm。說明了初期支護參數設計比較合理。

圖2 YK59+103拱頂下沉和邊墻收斂的曲線圖(最小值)

圖3 YK59+093拱頂下沉和邊墻收斂的曲線圖(最大值)

5 結束語

本文介紹了韭菜坪隧道大型充填型溶槽(與地表貫通)處治技術的成功案例，得出以下幾點結論，可在同類型巖溶隧道施工過程中推廣借鑒。

(1)大型充填型溶槽，在充填物含水率不高時(不會發生突泥)，通過采用大管棚超前注漿的超前支護方案，對保持充填物的穩定和防止開挖時塌落(方)效果更佳。

(2)大型充填型溶槽取消系統錨桿，采用小導管徑向注漿加固溶槽，注漿量按照注漿對象的總土方量進行計算和控制，既可確保施工安全又能合理控制工程造價。

(3)在進行大型充填型溶槽隧道初期支護時，在應每榀鋼拱架拱腰位置增加1組鎖腳錨桿(管)，對防止鋼拱架失穩變形更為有利且效果明顯。

(4)為確保大型充填型溶槽隧道安全掘進，開挖要盡量減少開挖臨空面，及時封閉成環，讓隧道初期支護受力更及時、更充分。