土巖組合淺埋隧洞側穿老舊房屋施工風險控制技術

劉新有 普恒 雷波 劉暢

摘要：

在城鎮(zhèn)地區(qū)采用淺埋暗挖法進行的地下隧洞施工中，富水軟弱地層及復雜周邊環(huán)境對施工形成較大安全隱患。為控制施工風險，以滇中引水工程龍泉隧洞出口段土巖組合淺埋隧洞施工實踐為例，以改造地質條件為前提，以強支護、密監(jiān)測為原則，以控制地表沉降為重點，以格柵（或其他鋼結構）和噴錨作為初期支護的手段，并采用預加固、大管棚、小導管超前注漿等措施。結果表明：各項措施合理可行，確保了復雜地層淺埋條件下隧洞的施工安全，可為引水隧洞施工提供參考。

關鍵詞：

土巖組合； 淺埋隧洞； 施工風險； 滇中引水工程

中圖法分類號：TV52

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.010

文章編號：1006-0081（2023）05-0059-06

0 引 言

復雜地質淺埋隧洞施工安全控制作為隧洞工程建設的難點，一直受到高度關注。相關研究和實踐取得了許多技術成果和施工經驗，如“三超”安全風險控制措施、多層次施工風險評價體系、深埋長輸水隧洞施工風險評價模型以及通過建立分解樹模型提出的風險控制措施等［1-3］。針對上軟下硬地層中隧洞上臺階拱腳未坐落于基巖時，易引起初支整體下沉、地表沉降過大等問題，杜學才等［4］以滇中引水工程龍泉隧洞出口段為工程背景，分析了隧洞開挖引起的沉降規(guī)律及原因，并進行了水泥-水玻璃雙液漿膠凝試驗和地表注漿現場試驗。結果表明：地下水入滲是引起初期支護整體下沉和地表沉降過大的主要原因，采用地表注漿取得了較好的止水效果，地表沉降和拱頂沉降顯著減小。

在中國城區(qū)淺埋暗挖法隧洞施工技術的開發(fā)中取得了重大成果，但仍存在諸多不足，施工過程中存在風險與隱患［5］。本文以滇中引水工程龍泉隧洞出口段開挖支護為例，針對其地處上土下巖地層、埋深較淺、地表建筑物復雜的工程特點，分析了隧洞施工風險，并通過采用的三臺階向兩臺階左右分步開挖法及超前預加固、構建筑物隔離及時調整開挖支護等措施，結合采取風險控制措施前后的拱頂沉降、地表沉降監(jiān)測數據對比，表明所采取的措施達到了有效控制隧洞開挖變形、減小地表沉降、保證隧洞施工安全的目標，可為類似工程設計、施工提供參考。

1 工程概況

云南省滇中引水工程龍泉隧洞出口段位于昆明城區(qū)北部盆地與長蟲山交接地帶，長390 m，屬土巖組合淺埋暗挖段，周邊敏感建筑物眾多，對施工安全要求高。研究區(qū)位置及周邊環(huán)境見圖1。

該段隧洞設計流量為80 m3/s，斷面型式為馬蹄形，斷面凈空尺寸為6.68 m×7.22 m（寬×高），如圖2所示。隧洞地處滇池湖盆北部邊緣區(qū)，位于長蟲山背斜東翼，巖層走向與隧洞軸向大角度（≥60°）相交，陡傾下游方向；地勢平緩、開闊，地形坡度小于5°，埋深在7～26 m之間，上覆土多為第四系沖、洪積（Q 4al+pl）土體，全部位于地下水位以上。隧洞圍巖主要為裂隙溶蝕風化巖體，局部為表面強烈溶蝕風化巖體，主要穿越地層為第四系全新統(tǒng)沖、洪積層（Q 4al+pl）：紅褐色黏土（③-3），硬塑，局部可塑、礫質土（③-6），硬塑（稍密）；大塘組上司段（C 1d2）：淺灰色角礫灰?guī)r。該段隧洞地質情況見圖3。土層、巖層主要物理力學參數分別見表1，2。

2 施工風險分析

龍泉隧洞出口段施工風險主要為地質風險、周邊環(huán)境風險以及開挖施工風險。其中，地質風險主要包括：淺埋洞段圍巖穩(wěn)定性差、圍巖大變形、涌突水、巖溶地質災害等。周邊環(huán)境風險主要包括：隧洞出口段穿越第四系沖洪積層（Q 4al+pl），其兩側地面建筑分布集中，隧洞施工引起的地下水位降低和圍巖變形破壞均可能引發(fā)地表沉降超標、塌陷、建筑物裂損等。施工風險則包括施工作業(yè)及管理不當導致的事故風險等。

2.1 地質風險

龍泉隧洞出口段地質風險主要為：① 存在紅黏土、白云質灰?guī)r夾層、雜填土等不良地質，地層強度低、

水穩(wěn)定性差，成洞條件及承載能力不足，有圍巖穩(wěn)定及大變形問題；② 隧洞埋深淺，上覆有效巖體厚度不足2倍洞徑，開挖易冒頂塌方，且易遭遇不均勻沉降問題；③ 部分巖體巖溶發(fā)育強烈，透水性強，且隧洞處于長蟲山巖溶子系統(tǒng)排泄區(qū)邊緣，上游匯水豐富，隧洞通過可溶巖段時遭遇巖溶涌水的可能性大。根據圍巖詳細劃分標準，該段屬于Ⅴ類圍巖，地質和水文條件復雜，地質風險較高。

2.2 周邊環(huán)境風險

龍泉隧洞出口段周邊環(huán)境風險主要指隧道開挖施工引起的地表沉降會對地表建筑物造成較大危害，輕則開裂，重則倒塌［5］。龍泉隧洞出口段LQUT8+810.653 m～LQUT9+200.653 m范圍內地表環(huán)境較復雜，隧洞右側臨近地表建筑物主要有昆明重機廠家屬區(qū)第18棟、第14棟、第13棟、新6棟、第78棟和昆明重工中學教學樓，隧洞左側臨近地表建筑物主要有公交車維修檢修中心、燃氣公司辦公樓等（圖1）。其中，重機廠家屬區(qū)老舊房屋為20世紀80年代修建，基礎形式為條形基礎（深1.5 m），磚混結構5層，隧洞開挖邊線距房屋僅9.7 m。隧洞埋深在7.0～9.6 m之間，最小埋深在洞口，若暗挖施工措施不當，引起的地表沉降可能導致上述建筑物開裂、傾斜、倒塌。

2.3 開挖施工風險

淺埋大斷面隧道開挖施工各方面都存在風險。由于開挖斷面大、埋深淺、圍巖物理力學性質差，開挖后容易導致大變形及變形速度過快，嚴重影響施工進度和施工安全［6］。開挖方法不合理、超挖、超前支護不到位、開挖支護不及時、對土體擾動較多等易導致土體或支護結構、尤其是拱頂上方及兩側邊墻失穩(wěn)坍塌。臺階拱腳臨空時間較長易造成拱頂及地面下沉，進而導致初支失穩(wěn)。還有如開挖支護時物體掉落傷及人員、施工過程中監(jiān)測不及時或異常數據未及時處理、施工質量不符合要求、安全措施不到位等，均會造成事故的發(fā)生。

3 施工風險控制措施

3.1 開挖方式選取

開挖方法選擇不當或工序間安排不合理，將造成開挖面暴露時間過久，引起圍巖松動、掉塊等；支護不及時易導致地表沉降過大及塌方［7］。因此，必須采取正確的開挖方法并確保初期支護質量，包括超前支護、加強初期支護、加強監(jiān)控量測、采用封閉型鋼成環(huán)、緊跟二次襯砌等。

滇中引水工程龍泉隧洞出口段起伏巖層以角礫灰?guī)r、白云質灰?guī)r等中硬巖為主，抗壓強度達60 MPa。為減小爆破振動影響，該段均采用非爆機械開挖。由于地質不均勻，采用組合工法并動態(tài)調整開挖臺階及支護參數，具體如下。

（1） 臺階調整。將隧洞前30 m作為開挖試驗段，采用三臺階預留核心土開挖，核心土確保了掌子面穩(wěn)定，但拱腳破巖效率較低，開挖工序時間長，拱腳擾動次數多。而且，由于作業(yè)空間受限，錨桿施工不及時，拱架封閉成環(huán)周期長，不利于沉降控制。后半段結合已探明的巖層起伏情況，將開挖方案調整為兩臺階開挖。作業(yè)過程中加密監(jiān)測，根據監(jiān)測結果在設計超前支護措施上增加其他工程措施。

通過臺階調整，有效縮短了開挖面暴露時間，減小了拱頂沉降。由于土的固結過程中，土體水分排出，土體體積減小、密度及強度增大，易導致地層損失，故預埋注漿管及時進行初支回填灌漿，降低了地層損失率。

（2） 支護調整。隧洞開挖后及時進行初期支護，采用工字鋼橫撐將下臺階拱腳封閉，如圖4所示。上臺階鋼拱架之間加設I20a工字鋼作為縱向橫擔梁，并將縱向橫擔梁與初期支護鋼架腹板焊接成整體，如圖5所示。通過支護調整，在減小了裸洞時間的同時，加快了初支成環(huán)，有效控制了初期支護體系的整體下沉。縱向橫擔梁增加了初期支護鋼架的縱向剛度，有效控制了拱頂沉降。

為驗證新的開挖方式對隧道變形的控制效果，對隧洞里程LQUT9+185和LQUT9+140兩斷面的拱頂沉降進行監(jiān)測，其中LQUT9+185斷面未進行開挖臺階調整和支護調整，LQUT9+140斷面已進行調整。圖6為兩斷面拱頂沉降時程曲線，可看出，變化開挖方式前，LQUT9+185斷面拱頂沉降增長速率較快，50 d后仍在緩慢增加，達到35 cm以上；變化開挖方式后，LQUT9+140斷面拱頂下沉減緩，且40 d后穩(wěn)定在20 cm附近，表明開挖臺階和支護調整對拱頂沉降具有良好的控制效果。

3.2 地質風險預報措施

從以往隧洞施工情況來看，圍巖條件較差洞段易出現塌方，而圍巖條件較好洞段也往往因超前地質預報未落實到位，出現涌水突泥等地質風險。根據2.1節(jié)可知，龍泉隧道出口段不僅圍巖條件較差，且存在巖溶涌水的風險，因此更需要考慮進行超前地質預報工作。聯合使用物探法與鉆探法，根據超前地質預報結果和掌子面實際情況，研判是否需要進行超前鉆探。采用超前地質鉆探則進行12 m及以上深度探測（連續(xù)施作大管棚時可代替超前鉆探），掌子面探測鉆孔不少于1個，探孔位置布置在掌子面洞頂范圍。在富水巖溶發(fā)育區(qū)域、設計風險提示區(qū)域適當增加物探探孔數量。鉆進過程中出現突進、卡鉆或出水壓力較大時，停止鉆進，召集參建四方進行決策后采用合理的技術措施施工。

3.3 周邊環(huán)境風險控制措施

3.3.1 建筑物隔離及洞外加固

為保證隧洞施工過程中周邊地面建筑物的安全穩(wěn)定，在全土層段和上土下巖段對地面建筑物采取隔離措施。采用小型機械地質鉆機進行隔離樁施工，并分別按建筑物距離隧洞邊線距離和地質情況進行地層注漿加固、地層注漿加固+套管、地層注漿加固+鋼筋籠、地層注漿加固+套管+鋼筋籠的洞外加固措施。

3.3.2 安全監(jiān)測控制

通過現場監(jiān)測數據驗證建筑物隔離及洞外加固應用效果。除日常監(jiān)測項目外，還新增建筑物沉降、傾斜量測等項目，每日進行數據整理分析并繪制關系曲線，預測后續(xù)數據的變形趨勢。通過監(jiān)測對施工過程進行動態(tài)控制和信息化指導。若數據變化異常，則按要求進行預警并加密監(jiān)測，及時采取相應控制措施，確保施工和周邊地面建筑物安全。圖7為昆明重機廠住宅區(qū)附近地表沉降監(jiān)測值隨時間變化曲線，DBC01～07代表不同的測點。由圖7可得，住宅區(qū)地表沉降累計變化值介于-3.21～20.29 mm之間，沉降變化速率介于-5.97～4.45 mm/d之間。地表總體沉降累計變化值與沉降變化速率均在設計控制值之內，表明采取的建筑物隔離及洞外加固措施對沉降控制較好。

3.4 開挖安全風險控制措施

3.4.1 超前預加固

為控制地層沉降，通常對洞內局部土體進行加固，以有效改進土體特性［8］，在隧道開挖施工后形成自然拱。為有效控制開挖風險，該段設計采用超前灌漿，注漿孔布置如圖8所示。

在該段黏土層或上土下巖地層施工過程中，巖層起伏較大，掌子面超前灌漿為水平布孔，巖土交界面不易探明，灌漿過程中僅巖土分界線處灌漿孔具有可灌性，其余孔漿液擴散通道均被黏土層隔斷，灌漿量較小，未達到超前堵水兼顧預加固圍巖的效果，仍存在突泥涌水風險。經試驗后調整為地表超前注漿加固，隧洞中心及左右邊線各布置一孔（間距1.5 m，鉆孔角度根據測量放樣及隧洞埋深設置，確保鉆孔位置延伸至隧洞拱腳）的方式施作鉆孔，通過鉆孔探明隧洞巖土分界線及溶腔位置，且根據鉆孔進尺及回水情況判斷相應區(qū)域地層性質及可灌性，對灌漿起到指導作用。

通過超前灌漿和超前地表加固結合，使圍巖的裂隙被具有一定強度的漿體充填密實，加固了圍巖，形成了止水帷幕。后期開挖后揭露的隧洞土層及巖層大多較干燥、無滲漏水情況，且開挖過程中掌子面漿脈明顯，表明隧洞內及周邊區(qū)域巖溶裂隙被水泥漿填充較好，地表超前預加固灌漿堵水效果明顯。

3.4.2 超前大管棚

根據隧洞模型試驗與現場監(jiān)測分析，隧道的破壞首先發(fā)生在拱頂位置，隨著隧道不同部分的開挖，破壞區(qū)向拱肩和地表擴展［9］。管棚超前注漿技術能有效控制淺埋隧道的地層變形［10］，因此采用超前大管棚作為支護措施［11］，現場實際全土洞段布置范圍由頂拱120°調整為頂拱180°。采用Φ108熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm，間距0.5 m，長12 m，外插角15°，兩循環(huán)間搭接3 m，如圖9，10所示。

管棚與拱架可靠焊接形成穩(wěn)定支點。由于大管棚的梁效應及擴散傳遞荷載的作用，通過施作超前大管棚，一方面減少了工作面上覆的土壓力，避免了圍巖失穩(wěn)；另一方面其預支護作用減小了地表沉降及拱頂沉降。同時通過管棚注漿可改善圍巖狀況，加固巖體，與超前灌漿作用類似。在管棚鉆孔過程中做好詳細記錄，還可作為掌子面前方超前探孔依據。

3.4.3 超前小導管

實際開挖過程中，掌子面拱頂處局部滲水，上臺階巖層起伏，石芽夾黏土，黏土呈硬塑狀。受水浸泡后易軟化、崩解，開挖立架過程中黏土剝落掉塊，需要進行大量清理排險工作，嚴重影響施工工期，且超挖嚴重，影響施工經濟性。原設計小導管采用Φ42熱軋無縫鋼管，布置拱頂120°～180°，壁厚3.5 mm，間距0.5 m，長4.5 m，外插角10°～20°，兩循環(huán)間搭接1.5 m。為控制風險，在原設計基礎上加密布置小導管，上土下巖洞段布置范圍調整為施作至巖土交界面且不小于頂拱180°范圍，長度3 m，間距0.4 m，每循環(huán)布置，搭接1.5～2.0 m，如圖11所示。

超前小導管一方面可起到超前管棚作用，另一方面可通過注漿與圍巖緊密黏結，形成共同體。加密超前小導管前，隧洞最大超挖可達25 cm；加密后，隧道最大超挖控制在10 cm以內，表明加密后的小導管有效減少了超挖及掉塊，提高了施工效率和經濟性。

4 結 論

以滇中引水工程龍泉隧洞出口段為依托，結合施工工藝措施，針對上土下巖地質及淺埋等工程特點進行了風險分析，并采取合理措施控制施工風險，得到以下結論。

（1） 龍泉隧洞出口段施工具有諸多風險，包括地質風險、周邊環(huán)境風險以及開挖施工風險，需分別采取相應風險控制措施。

（2） 采用三臺階預留核心土對全黏土段進行開挖，采用兩臺階對上土下巖段分步開挖，輔以超前支護、支護參數調整、超挖掉塊部位及時采用初支回填注漿等，可確保高效施工、初支快速封閉成環(huán)，有利于初支整體穩(wěn)定、控制拱頂沉降。

（3） 采用物探法與鉆探法相結合的方式落實超前地質預報工作，提前做好掌子面前方的地質研判及處理。

（4） 采取微型隔離樁及洞外注漿對地表周邊建筑物進行隔離加固，監(jiān)控量測結果表明該措施可有效減小隧洞開挖對周邊環(huán)境的影響。

（5） 采用超前注漿對地下水進行超前封堵，堵水效果明顯。施作超前大管棚可控制地層變形，施作加密布置后的超前小導管可有效減少超挖及掉塊。

施工實施效果驗證了各項措施的可行性和合理性，可為今后引水隧洞建設提供思路和經驗。

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（編輯：李 慧）

Abstract：

The water-rich soft stratum and complex surrounding environment in the construction of underground tunnel using shallow buried excavation method in urban area form great security risks.To control the construction risks，take the construction practice of the excavation of shallow buried tunnel in soil-rock combination stratum in the Longquan tunnel exit section of the Central Yunnan Water Diversion Project as an example，with the precondition of reforming structural geology，under the principle of reinforcement measures and intensive monitoring，and based on the priority of controlling ground settlement，steel grate（or other steel structures） and shotcrete and rock bolt support were used an effective rocky reinforcement measures at the early stage.Relevant measures such as pre-reinforced structure，pre-grouted big tube canopy and advanced grouting with small pipe were taken.The results showed that all the measures were reasonable and feasible，ensuring the safety of tunnel construction under shallow buried conditions of complex strata，which could provide references for the construction of diversion tunnel.

Key words：

soil-rock combination； shallow-buried tunnel； construction risk； Central Yunnan Water Diversion Project