鵝公尖隧道淺埋偏壓斷層破碎段施工方案研究

胡杰、任會

（1. 湖南建工集團有限公司，湖南 長沙 410029；2.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200）

0 引言

平江至益陽高速公路，是湖南省“七縱七橫”中的第三橫——平江（湘贛界）至安化高速公路的東段，從湘北橫貫東西。項目在穿越平江幕阜山時，設置了鵝公尖隧道。隧道采用分離式雙向四車道布置，斷面形式為馬蹄形，最大開挖跨度13.3m，最大開挖高度10.6m。受隧道前后構筑物影響，隧道平江端左右洞結構凈間距僅為17m，屬于小凈距段。在地質構造影響下，距離平江端洞口100m 處發育有一處寬20m 的斷層破碎帶。

潘文韜等基于九綿高速福隆隧道進行了淺埋偏壓隧道施工工法研究，現場監測結果表明深埋側上拱腰收斂數值最大且波動較大，淺埋側下拱腰收斂增速較慢，提出偏壓隧道較適宜工法為CD 法。侯瑞彬等做了大跨小凈距偏壓隧道施工方案優化分析，認為CRD 工法對控制隧道水平收斂較為有利，但隧道拱腳處應力集中現象明顯，圍巖塑性區較大，雙側壁導坑法對控制隧道拱頂下沉較為有利。潘家升等結合合蕪高速試刀山隧道工程，分別對CD 法和三臺階七步法進行了研究，認為隧道穿越淺埋偏壓段時，三臺階七步法在控制圍巖變形方面比CD 法更具優勢。胡煒等認為處于傾斜層狀巖體中的隧道常會產生地質順層偏壓的問題，導致隧道局部塌方、偏壓變形及支護結構破壞。付大喜結合永吉高速毛坪隧道淺埋偏壓段下穿高壓線塔工程實例，提出CRD 法在施工前期效果較好，但整體效果不如環形開挖預留核心土法，先施工淺埋側比先施工深埋側相對偏于安全，深埋側整體應力值明顯大于淺埋側的，隧道存在整體側移的趨勢。

綜上所述，在淺埋偏壓隧道的施工方案研究方面，眾多專家學者進行了大量的分析研究，總體上認為淺埋偏壓隧道需采取分步施工方案減少圍巖的變形，但對處于斷層破碎帶的小凈距淺埋偏壓隧道涉及較少，本文擬結合鵝公尖隧道進行進一步的研究分析。

1 工程概況

1.1 項目概況

鵝公尖隧道是一座分離式長隧道，左洞長1195m，右洞長1250m。隧道段最小平曲線半徑為2150m，縱坡為人字坡，平江端為2.3%的上坡，伍市端為1.6%的下坡。隧道平江端距洞口100m 處發育f1 斷層，隧道穿越斷層段長度為20m，雙洞最小凈距為17m，僅為1.3 倍開挖洞徑，屬于小凈距隧道。洞頂最小覆蓋層厚度約20m，小于深淺埋限界埋深30m，屬于淺埋隧道。左右洞之間的地面橫坡為38，地形偏壓嚴重。該段為小型塌方事故頻發地段，擬作為本文的研究對象（見圖1）。

圖1 隧道平江端平面、縱剖面圖

1.2 地質條件

隧址區內構造體系為新華夏系巨型第二沉降帶的次一級隆起帶，前燕山期形成的東西向構造、古弧形構造、燕山和喜山期產生的新華夏系構造和其中一系列斷裂構造為主要內容的區域構造行跡，圍巖巖性主要是板巖和千枚巖。根據地勘結果，隧道區內發育3 條次級斷層，隧道區內下伏基巖主要為冷家溪群板巖夾千枚巖，巖層傾向單一，巖層呈單斜狀，局部受構造影響，產狀局部變化，巖層反傾。研究段的f1 斷層為逆斷層，走向約5，傾向東，傾角約81，寬20m，帶內巖石破碎，擠壓明顯，巖石呈碎塊狀、角礫狀，局部糜棱化，影響帶巖體破碎，節理密集。斷層破碎帶地下水較豐富，多處見下降泉，與隧道交角約80。斷層破碎帶處圍巖的巖土力學指標參數見表1。

表1 隧道巖(土)物理力學設計計算參數表

1.3 設計情況

鵝公尖隧道按雙向四車道高速公路、100km/h 標準進行設計，采用單心圓內輪廓斷面型式，擬定為拱高736cm，拱墻部圓半徑為581cm。隧道按新奧法原理進行設計，擬研究段的圍巖級別為Ⅴ級，支護結構從外到里分別為初期支護、復合式防水層、二次襯砌。初期支護為4m 長錨桿和26cm 厚C20 噴射混凝土，內含間距為60cm 的工20a，復合式防水層為無紡布和高分子防水板材，二次襯砌為45cm 后鋼筋混凝土全環封閉式結構。

1.4 施工過程情況

隧道從平江端洞口采用臺階法掘進，左右洞掌子面錯開30m 左右。2019年8月隧道施工至斷層位置，掌子面揭露的圍巖為強風化板巖，巖體破碎，呈散體結構。尤其是左、右洞拱腰往拱頂方向，圍巖節理發育，巖質較軟，自穩條件差，結構面結合差，在隧道出渣過程中均出現拱頂掉塊現象，并發生塌方，拱頂部分最大塌方范圍寬12m，深5.6m。塌方嚴重影響了隧道施工的正常掘進，為避免隧道塌方威脅到工人的生命安全，需暫停施工，找到解決方案。由于設計的支護結構措施已經較強，為落實短進尺、勤支護的理念，需進一步優化施工方案（見圖2）。

圖2 隧道塌方現場及施工方式圖

2 施工方案分析

根據以往專家學者的研究，目前在軟弱圍巖大跨隧道結構的施工方案中，采用的施工方案因隧而異，下面結合幾個具體實例介紹如下。廣東省廣樂高速公路烏樹頭隧道綜合分析了雙側壁導坑法、CD 法(單側壁導坑法)、三臺階加臨時仰拱法等3 種不同的施工方法，提出采用雙側壁法可以保證圍巖穩定性及圍巖變形量最小。廣福隧道某淺埋段，地質條件復雜，斷面大、巖性差，受構造影響比較嚴重，而且頂板厚度比較薄，易發生坍塌、冒頂現象，比選了全斷面法、短臺階法、單側壁導坑法和雙側壁導坑法，認為雙側壁導坑法開挖時位移最小。深圳市紅棉路隧道研究了雙側壁工法，認為傳統雙側壁工法存在施工工序較多、施工速度較慢、施工循環距離較長、臨時支撐較多、斷面閉合時間較長等不足。

從上述研究成果來看，雙側壁施工方案雖然具有變形小及圍巖相對穩定的優點，但存在施工進度慢、工序多、機械利用率低等缺點。而鵝公尖隧道斷面寬度不超過14m，在小凈距、斷面破碎帶段的施工需采用擾動小、機械利用率高、施工進度快的施工方案，如采用雙側壁導坑施工，則單側導坑的寬度不超過5m，工作面較為狹窄，開挖掘進機械回轉空間不足，效率低。根據隧道前段采用的施工方法，著重比較CD 法和環形開挖留核心土法兩種工法。

2.1 環形開挖留核心土法

利用環形開挖預留核心土法施工能夠采取機械化施工，及時對圍巖進行封閉，同時加快了施工進度。結合隧道的特點，隧道左右洞均采用環形開挖留核心土工法施工，具體做法如圖3 所示。

圖3 環形開挖留核心土法施工順序及計算模型示意圖

施工順序：開挖①部，施工支護Ⅰ（含超前支護、噴射混凝土、鋼筋網、鋼拱架）；開挖②部；開挖③部，施工支護Ⅱ；開挖④部，施工支護Ⅲ（仰拱初支）；施工支護Ⅳ（仰拱）；施工支護Ⅴ（二次襯砌）。

根據實測地形數據和巖土力學參數，進行有限元計算，模擬施工先開挖左洞隧道，后開挖右洞隧道，計算模型見圖3。

計算顯示，左洞開挖后變形范圍小于右洞，且兩洞變形總體向偏壓一側傾斜，圖4 為左右洞洞頂圍巖變形隨開挖進行的總體變形數據。其中第9 施工步為左洞二襯施工，第12 施工步為右洞核心土開挖，從圖4 中可以看出，在右洞核心土開挖完成后洞頂位移趨于穩定，最大變形值為13mm。

圖4 環形開挖預留核心土法左右洞洞頂位移示意圖

2.2 中隔壁法（CD 法）

CD 法施工對保持結構穩定和施工安全、實現分部開挖的減跨作用等具有較好的應用前景。鵝公尖隧道左洞埋深較淺，屬于施工先行洞，采用環形開挖預留核心土法施工效果較好，右洞埋深相對較深，擬進行CD 法施工比選，通常具體做法見圖5。

圖5 CD 法施工順序及計算模型示意圖

施工順序：開挖①部，施工支護Ⅰ（含超前支護、噴射混凝土、鋼筋網、鋼拱架、臨時中側壁）；開挖②部，施工支護Ⅱ（含邊墻及仰拱初期支護）；開挖③部，施工支護Ⅲ；開挖④部，施工支護Ⅳ（仰拱初支）；施工支護Ⅴ（仰拱）；施工支護Ⅵ（二次襯砌）。

圖6 為左右洞洞頂圍巖變形隨開挖進行的總體變形數據。其中第9 施工步為左洞二襯施工，第16 施工步為右洞右側下臺階開挖，從圖6 中可以看出，在右洞右側下臺階開挖完成后洞頂位移才趨于穩定，最大變形值為14mm。

圖6 CD 法左右洞洞頂位移示意圖

2.3 小結

比較右洞采用環形開挖留核心土法和CD 法兩種方式可知：左洞開挖期間對右洞洞頂位移存在影響，最大值不超過1mm；環形開挖留核心土法對拱頂位移的影響僅限于核心土開挖之前的階段，之后則基本影響不大；CD 法對拱頂位移的影響在右洞整個斷面開挖施工時均有影響，且累計數值稍大于環形開挖留核心土法。

綜上所述，從結構快速封閉成環和減小圍巖變形出發，鵝公尖隧道淺埋偏壓斷層破碎帶左右洞均擬采用環形開挖留核心土法。

3 實施情況

隧道淺埋偏壓斷層破碎帶共40m 長度范圍內采用環形開挖留核心土法施工，臺階長度的選取結合實際的地質狀況以及監測來確定，采用的是長度控制在5～10m 的超短臺階，保證初期支護及時落底閉合，二次襯砌緊跟掌子面。為減小左右洞干擾，左右洞先后錯開施工，后行洞掌子面應滯后于先行洞二次襯砌，先施工左洞，后施工右洞。圖7 為施工開挖照片及洞頂下沉監測記錄圖，通過采用環形開挖留核心土法，洞頂下沉速率在開挖后兩周內趨于穩定，3 周后即可施做二次襯砌。通過及時調整施工方案，隧道安全通過了斷層破碎段。

圖7 環形開挖留核心土法及洞頂位移監測圖

4 結論

其一，環形開挖留核心土法適合小凈距軟弱圍巖段的隧道施工，其變形較小、施工機械化程度較高，便于及時控制圍巖變形，隧道結構能快速封閉成環、充分利用初支結構的承載功能。

其二，環形開挖留核心土法相對于CD 法對隧道洞頂變形的影響更小，在確保核心土穩定的前提下，能有效控制圍巖變形在預留變形量的范圍之內，不會影響二次襯砌的正常施做。

其三，地形偏壓段隧道施工會造成圍巖位移向地形較高處發展，如偏壓側圍巖較為軟弱或存在軟弱結構面，則不可避免地會造成塌方或冒頂等事故，建議在淺埋偏壓段采取地表錨桿或灌漿等處治方案加固軟弱圍巖。