董奉山隧道大跨徑斷面初支變形侵限處置措施分析

■林振宇

（福州市交通運輸綜合執法支隊交通工程質量安全監督大隊， 福州 350000）

本研究依托福州國道G316 線長樂漳港至營前段董奉山隧道施工實例，針對復雜水文地質條件的大斷面、小凈距、洞口段淺埋隧道群，在淺埋段開挖支護施工過程中出現大變形侵限后的處置施工技術進行分析，為今后類似條件的隧道群初支大變形侵限處置提供借鑒。

1 工程基本概況

1.1 隧道概況

董奉山隧道為四洞并行隧道群（圖1），主路隧道凈寬17.5 m，最大開挖寬度為20.2 m，輔路隧道凈寬10 m，最大開挖寬度12 m，四洞進口端均為分離式小凈距淺埋隧道，主路隧道兩洞間最小凈間距19 m， 輔路隧道與主路隧道最小凈間距12.9 m，淺埋段下穿董奉山國家森林公園保護區。

圖1 隧道洞口及淺埋段地形地貌

1.2 地形地貌

隧道進口淺埋段屬于坡積平原地貌單元，坡度為5°～10°，上覆坡積粘性土，地表植被發育，主要為林木、果園，地勢平坦。 進洞口及明挖段開挖高度11.76～16.27 m。

1.3 工程地質

根據地質調繪、鉆探資料，淺埋段地質條件復雜，處于巖性變化區域，地層多變，母巖以石英閃長巖和花崗巖為主，局部存在凝灰熔巖。

1.4 水文地質

淺埋段裂隙很發育，富水性高，開挖時拱腳呈股狀流水，初支多處呈點滴狀或淋雨狀滲水，通過打設地表降水井進行抽排后，開挖時掌子面明顯減少，初支局部滴水，上、中臺階左右側滲水量明顯減少，下臺階及仰拱開挖時拱腳仍有股狀水流出（圖2）。

圖2 隧道地質狀況

淺埋段地表穿越或緊鄰多條山凹沖溝，屬季節性溝谷，具有典型的山區溝谷特征，左輔洞旁鳳凰溪匯水面積61 萬m2， 暴雨天氣洪峰達3.7 m3/s；右輔洞進洞70～110 m，右側50 m 處存在一處面積約2 300 m2水塘， 該水塘高于右輔洞設計標高約15 m，地表植被茂盛，水力聯系密切。

2.4.3 TCT 1項研究報道了TCT[6]，采用固定效應模型進行分析，詳見圖6。Meta分析結果顯示，兩組患者TCT比較差異無統計學意義[MD＝－5.87，95%CI（－17.69，5.95），P＝0.33]。

2 初支變形侵限情況

2.1 地表開裂

地表發生20～70 cm 沉降 （面積約2 500 m2），地面大范圍開裂， 裂縫圍繞掌子面呈環向放射狀，裂縫從掌子面前方約30 m 至后方15 m，中軸線右側35 m 至左側18 m，局部裂縫寬度大于30 cm，深度貫穿覆蓋層，山體出現滑坡跡象（圖3）。

圖3 地表裂縫

2.2 鋼架及初支變形

初支噴射砼出現開裂，裂縫斜向約30°；上臺階處拱架型鋼出現往小里程扭曲變形， 扭曲變形近30 cm（圖4）。

圖4 拱架扭曲變形

2.3 測量侵限量

截至2021 年9 月5 日， 各隧道變形侵限情況如下：左輔洞初支侵限范圍為FZK6+230～FZK6+272，最大侵限110.5 cm；左主洞初支侵限范圍為ZK12+254～ZK12+290，最大侵限33.8 cm；右主洞初支侵限范圍為YK12+327～YK12+368， 最大侵限36.5 cm；右輔洞初支侵限范圍為FYK6+369～FYK6+401，最大侵限10.1 cm（圖5）。

圖5 各隧道典型侵限斷面圖

3 侵限原因分析

3.1 國家森林公園的影響

董奉山隧道進口端位于國家級森林公園保育區范圍，環水保要求高，導致隧道淺埋段未設計降水、注漿等地表處理措施。

3.2 地質水文條件復雜

（1）淺埋段隧道地層地質主要為坡積粉質粘土、全風化凝灰熔巖和砂土狀強風化凝灰熔巖層，結構較為松散，挖后穩定性較差，開挖時無自穩能力，易產生洞頂或洞壁失穩塌方；（2）地下水位長期高于洞頂且水量豐富，土層含水率>30%，砂土狀地層富水更高，隧頂最大壓力水頭約35 m；（3）淺埋段地形地貌復雜，下穿和緊鄰多條溪流、沖溝、水塘，雨季洪水頻發，雨季對洞身開挖影響大。

3.3 隧道特點

隧道四個洞均為小凈距隧道，主洞與輔洞間距為12.9～27 m，主洞與主洞間距為17～31 m，易產生群洞效應。

3.4 施工影響

隧道施工過程中不可避免的擾動造成周邊圍巖松散，擾動后即成流土、流砂；拱腳附近處于最低點，成為股狀滲流主要出水點，進一步降低拱腳承載力。

4 應急處置措施

4.1 蓄水池水位強降及基礎處理

左輔洞洞頂攔水壩蓄水進行強排，采用污水泵進行抽排及開閘放水，并設置專門人員值守，通過強排減小水壩蓄水；攔水壩蓄水范圍內池底、攔水壩靠左輔洞一側的土體采用干水泥及水泥漿進行封閉（圖6）。 后續施工雨天時應及時排除壩內的積水，必要時在攔水壩上游采用排水管及時將水引流至攔水壩的排水口排出，避免攔水壩內在隧道施工期間積水。

圖6 蓄水池水位強降

4.2 地表裂縫處理

對地表裂縫采用灌漿處理， 灌漿采用1∶1 水泥漿，水泥漿可添加早強劑、速凝劑等。 深根系植物根系深入土壤可達3～5 m，為保護國家森林公園植被生長， 灌漿至水泥漿面低于地表約6 m 即停止，剩余裂縫采用回填土，由人工進行夯實封閉處理。 安排專人對隧道地表巡查， 加強對地表裂縫的觀測，裂縫有新的擴展時及時封閉，大的裂縫封閉后采用彩條布或防水卷材進行遮蓋，防止降雨時地表水滲入隧道（圖7）。

圖7 地表裂縫處理

4.3 注漿堵水

根據左輔洞及左主洞初支滲水與攔水壩抽排情況，攔水壩周邊及壩底與地表裂縫、洞內環形裂縫形成貫通縫，導致鳳凰溪內流水大量滲透。 大量滲水對洞身開挖、仰拱開挖造成影響，并且影響運營期間二襯防排水質量。 攔水壩與左輔洞之間采用注漿堵水，封閉滲流通道，防止攔水壩處地表水滲入隧道。

4.4 原初支徑向注漿加固

變形段換拱前應對隧道初支變形侵限段進行徑向注漿加固，增加隧道圍巖的自穩能力[1]。 加固采用長4.5 m，外徑42 mm，壁厚4 mm 的花管，環向保持間距1 m，縱向保持間距1 m，梅花狀交錯布置。注漿采用單液漿，水灰比控制0.5∶1～1∶1，注漿壓力控制0.5～1.0 MPa，注漿施工之前，必須進行注漿試壓、試驗，來調整注漿參數。

5 換拱施工

根據測量對初支支護斷面掃描結果，對初支支護局部侵限段采取“由外向內、先固后換、逐榀施作”的原則進行處理；對于全斷面侵限段采取從小樁號到大樁號逐榀拆換，拱架拆換遵循“由外向內、先固后換、先墻后拱、隔環拆除（若有套拱）、逐節換拱、逐榀施作”的原則進行處理。

5.1 拆除初期支護

拱架逐榀進行拆除，拆除主要以人工以及機械破碎開挖為主，降低對圍巖的擾動[2]。

5.1.1 初期支護噴射混凝土鑿除

（1）按照斷面測量數據，工人在初支變形位置標記出侵限的范圍且標出該處的侵限量。 （2）嚴禁大面積鑿除初期支護，應逐榀鑿除，防止出現塌方和冒頂。 （3）為減小拱架拆除對圍巖的擾動和破壞，嚴禁爆破拆除，應采用機械+人工等方法靜態破除，破除順序仍遵循“先墻后拱、逐榀拆除”的方法[3]。

5.1.2 初期支護鋼拱架割除

鋼拱架拆除應逐榀拆除，一次只能拆除一節鋼拱架單元（圖8），割除前需對本節鋼拱架進行支撐，防止切割后直接砸落，先使用氣焊割除本節鋼拱架兩端，再割除鋼拱架各榀之間的縱向連接筋和鋼筋網片，然后用風鎬或撬棍松動鋼拱架，最后由人工配合葫蘆吊，將鋼拱架吊離換拱臺車。

圖8 鋼拱架拆除順序

5.2 圍巖欠挖處理

在拆除初期支護后，因變形侵限造成的圍巖欠挖，采用機械+人工進行拆除，對原拱架的鎖腳錨管進行保留，直至輪廓滿足施工和設計要求，開挖按仰拱封閉時預留沉降量為15 cm， 鋼拱架落地時預留沉降為20 cm、 鋼拱架施工至中臺階時預留沉降為30 cm、 鋼拱架施工至上臺階時預留沉降為40 cm 開挖。欠挖處理后應立即進行初噴，并按原設計要求掛設鋼筋網。

5.3 鋼架安裝

（1）按照斷面測量尺寸加工的對應鋼拱架單元吊上換拱臺車，調整定位后進行安裝。 原施工的鎖腳鋼花管與新安裝拱架也采用L 型筋進行焊接固定，新換鋼拱架與原臨時仰拱進行焊接閉環。 （2）兩側拱腳位置各加設2 根3.5 m 長的φ42×4 mm 鎖腳錨鋼花管，用L 型筋將鎖腳錨管和鋼拱架進行焊接固定。 （3）鎖腳錨鋼花管注漿采用單液漿，水灰比控制在0.5∶1～1∶1，注漿壓力控制在0.5～1 MPa。

5.4 噴射混凝土

每榀初支鋼拱架完成更換后及時濕噴C25 砼，噴射砼厚度應滿足原設計要求。

5.5 超前小導管安裝

換拱段落位于砂土狀地層，穩定性差時，根據需要進行超前支護，超前支護采用長度3.5 m，φ42×4 mm 的小導管，環向布置間距25 cm，縱向布置間距1.2 m，外插角為13°。

5.6 初期支護拆換注意事項

（1）在置換拱架期間，加強監控量測及洞內外觀測，適當加密監控量測斷面及頻率。 （2）換拱前進一步核查該段邊墻拱架侵限值，鑒于該換拱段圍巖自穩性較差，換拱作業時危險性較大，侵限值較小時經設計單位驗算是否換拱，必要時通過加強初期支護和二襯支護參數來減少換拱長度。 （3）各工作面嚴禁積水、浸流，洞內拱腳嚴禁浸泡水及懸空，初支換拱后應做到不滲不漏。

6 換拱過程監控量測

在董奉山隧道換拱期間， 必須對拱頂下沉、周邊收斂、地表沉降三項指標嚴格進行監控量測。

6.1 布點監測

換拱前在侵限變形段初支鋼拱架上安設監控量測點， 拱頂下沉和周邊收斂觀測點按照每2 m 1 個斷面進行布置，監測初支及圍巖的位移變化；洞頂原地表，設置一排沉降觀測點，來監測地表沉降。拱頂下沉、周邊收斂和地表下沉各觀測點應同一斷面布設，利于量測成果分析。 對初支侵限變形處，安設絕對位移監測點，特別是連接鋼板處。應使用高精度全站儀進行監測，監測監測頻率保證每天2～3 次，監測應持續到二襯施工完成。

換拱過程中應細心觀察初期支護的狀態包括噴射混凝土層是否出現裂縫、 脫落和剪切破壞、鋼支撐是否出現壓彎變形。 對出現上述狀況要進行詳細描述和記錄并評估，作為及時采取應急處置措施選擇的參考和依據。

6.2 位移管理等級劃分

根據換拱期間監測成果分析可參照（表1）所列位移區間按照不同等級指導施工[4]。

表1 位移管理等級

7 結語

結合董奉山隧道初支大變形侵限處置前后監控量測數據分析， 監測點變形位移均在正常范圍內，且換拱期間地表裂縫未進一步發展，未發生隧道冒頂等危險情況， 變形侵限段圍巖注漿效果良好，提高了圍巖自穩定能力。 通過排盡洞頂壩內水，注漿截斷鳳凰溪地表水滲入隧道，進一步降低大量滲水對洞身開挖、仰拱開挖造成影響，營造隧道變形換拱處置期間安全環境。

換拱過程遵循著“先拱后墻、隔環拆除、逐榀拆除”的原則，采用機械+人工等方法靜態破除侵限和欠挖部位，最大程度減小拱架拆除對圍巖的破壞和擾動，保證了換拱施工的安全。 通過對董奉山隧道初支變形侵限段的處置， 有效解決了隧道大變形，確保了隧道后續施工的安全可靠。