某小凈距隧道堆積體進洞段仰坡開裂分析與處治研究

摘要：文章通過對某隧道堆積體進洞段仰坡開裂進行分析，提出處治應對措施。對臨近堆積體隧道施工，進洞開挖需要爆破開挖時，宜盡量采用松動爆破，并且控制分段藥量；進洞過程中宜盡量避開雨期，避免堆積體受大氣降雨入滲坡體，坡體弱化疊加爆破振動雙重作用引起仰坡滑移開裂。地表監測表明：采用超前大管棚增設超前小導管的方法在堆積體淺埋段可以取得良好的控制地表變形效果。

關鍵詞：開挖變形；變形控制；堆積體

U457.+3A250793

0 引言

小凈距隧道在開挖過程中表現出復雜多變時空變形與應力調整，易引發生支護開裂、塌方、冒頂等風險事故，諸多學者對小凈距隧道施工方案優化進行了研究。秦玉賓［1］采用現場監測及數值模擬對淺埋偏壓小凈距隧道寶豐隧道采用原CD法施工方案出現的異常監測結果進行了分析，并綜合分析其變形和開裂原因，在此基礎上提出了三臺階預留核心土法施工方案。杜立兵等［2］為分析小凈距交叉隧道臺階法施工過程中新建隧道和既有隧道的襯砌安全性，基于斷裂力學的Griffith準則，提出了判定襯砌開裂的開裂安全系數CF，并依托實際工程采用有限元軟件分析交叉隧道的襯砌安全性。蔣宗鑫等［3］以竹山隧道為例，利用壓力盒測試得到初期支護和二次襯砌所承擔的圍巖壓力數據。馮義［4］采用室內模型試驗和數值分析方法，針對低跨比的雙洞八車道隧道，研究了不同凈距隧道近接時的襯砌內力、洞周位移、接觸壓力。劉曉飛等［5］為確保崇愛高速公路觀音山隧道施工安全，對Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用數值模擬方法分析了軟弱破碎圍巖小凈距隧道開挖間距與支護方案。戴俊等［6］為確定某小凈距隧道適宜的開挖方法，利用有限元軟件對全斷面法、臺階法和單側壁導坑法進行模擬，分析不同開挖方法引起的圍巖應力，并對不同的開挖方法引起先行洞圍巖及中夾巖柱的受力變化進行研究。李忠等［7］為分析淺埋雙側偏壓小凈距隧道在開挖后底部隆起變形的圍巖壓力情況，利用極限分析上限法構建隧道破壞模式，推導了M-C準則下圍巖壓力計算式。陳平［8］以鄭家塔隧道與瓦塘2#隧道鄰近施工為研究對象，論證小凈距隧道采用三臺階臨時仰拱法的合理性。郭立軍［9］結合湖南省張家界市吳家邊隧道工程實例，對隧道不同凈跨的雙線隧道施工過程進行三維數值分析。本文通過對某小凈距隧道堆積體進洞段后行洞的仰坡開裂機制進行分析，并提出應對處治措施，以期為類似地質條件的隧道施工提供參考。

1 工程背景

圖1所示為某高速公路分離式隧道出口端洞門立面設計圖。該分離式隧道在左洞里程ZK22+528～ZK22+400段，右洞YK22+532～YK22+410段，設計凈間距為13.8～15 m，為小凈距段。此外，設計標高在左洞進口端標高為786.468 m，出口端標高為801.477 m，縱坡坡率為2.3%；右洞進口端標高為786.636 m，在出口端標高為804.753 m，縱坡坡率為2.8%。左右洞在出口端洞門處標高相差3.3 m。在標高方向上，左洞里程ZK22+528～ZK22+400段，右洞YK22+532～YK22+410段還為高低錯幅隧道。該里程段落內的設計頂板埋深為0～68 m，洞身圍巖為可塑粉質狀黏土及強至中風化粉砂質泥巖夾灰巖，巖石軟硬相間，下伏中風化至強風化粉砂質泥巖，巖體極破碎～破碎，呈松散結構。隧道進洞段設計圍巖等級均為Ⅴ級，左、右洞均分別采用28 m大管棚，管棚采用108 mm×6 mm無縫鋼管，環向間距為40 cm，仰角為1°～3°。設計支護等級為SX-Ⅴa。SX-Ⅴa設計初期支護為60 cm間距Ⅰ20工字鋼，26 cm掛網C20噴射混凝土，縱環間距為60 cm×120 cm的42 mm×4 mm注漿花管，二次襯砌50 cm厚C30鋼筋鋼混凝土。洞門設計采用削竹式洞門，隧道開挖斷面凈寬為12.86 m，斷面開挖面積約為107.6 m2。見圖1。

由于進洞條件限制，隧道從出口端進行進洞施工。在進行場地平整后，由于受出口端洞口場地限制，隧道施工以右洞作為先行洞，左洞作為后行洞開挖掘進。右洞進洞30 m后，左洞開始進洞，在開挖6 m后拱頂與右洞間隔巖墻之間出現了開裂，左洞區域的仰坡位置發現地表開裂。

2 開裂機制分析

先行洞右洞開挖至YK22+522處時，掌子面揭露圍巖為半巖半土，其中掌子面右側主要為褐黃色軟塑狀粉質黏土，成分以黏粒為主，其次為粉粒，偶夾3～10 cm灰巖碎石與強風化泥巖碎塊；掌子面左側為淺灰色薄層水平狀強風化粉砂質泥巖夾灰巖，巖質軟～較軟，圍巖節理裂隙發育，巖體整體破碎，掌子面潮濕；圍巖自穩能力差，無支護時拱頂易掉塊、坍塌。后行洞左洞進洞采用三臺階預留核心土機械逐榀開挖支護，掌子面開挖至ZK22+518處時，掌子面揭示主要為粉質黏土，成軟塑狀，成分以黏粒為主，其次為粉粒，偶夾3～10 cm灰巖碎石與強風化泥巖碎塊。后行洞左洞開挖過程中遭遇中小降雨天氣，上臺階掌子面開挖至ZK22+514處時，地表巡查發現左洞仰坡出現兩道主裂縫，裂縫展布如圖2所示。其中，后緣裂縫在仰坡整體呈半回型狀，裂縫張開度為3～18 mm；另一主裂縫分布基本與隧道軸向垂直，為錯臺型裂縫，錯臺2～3 mm，張開度為1～3 mm。

根據左、右洞揭示的圍巖情況，可知隧道下伏的巖層產狀主要為水平薄層狀強風化粉砂質泥巖夾灰巖，巖質軟～較軟。從左、右洞掌子面揭示圍巖情況結合左洞地質雷達回波圖（詳見圖3），掌子面前方20 m范圍內電磁波反射波形較雜亂，局部振幅較高，能量團分布不均勻，同相軸連續性較差，時斷時續。結合該段地形以及地表補充踏勘情況，推測左洞進洞段處于堆積體區域，該堆積體為小型堆積體，分布于左洞里程ZK22+518～ZK22+498段內，堆積體深度為8～12 m。堆積體推測周界如圖2所示。

根據薩道夫斯基爆破振動方程，取單段藥量分別為10 kg、15 kg、20 kg、25 kg、30 kg、35 kg（K=300，α=2.0），右洞掌子面從YK22+522處至YK22+492處開挖爆破過程中爆破振動曲線如圖4所示。即使分段藥量在10 kg時，對仰坡的爆破振動在推進至YK22+492處時，仍達到0.98 cm/s，隧道掌子面爆破孔深為1.5～2.5 m，屬于淺孔爆破，其振動頻率在40～100 Hz。參考規范［10］，對土窯洞振動加速安全允許質點振動速度為0.9～1.5 cm/s，而實際開挖過程分段藥量高達30 kg，對仰坡爆破振動速度根據薩道夫斯基爆破振動方程，右洞振動速度從YK22+515處向YK22+492處推進過程中為4.252～2.038 cm/s，遠大于對土窯洞振動加速安全允許質點振動速度。此外，堆積體開裂時還受大氣降雨入滲坡體，坡體弱化疊加爆破振動雙重作用下更易引起仰坡滑移，并產生地表開裂。

因此，推測左洞仰坡發生開裂的原因主要為仰坡所處的地質巖體為堆積體，巖體的自穩定性較差；先行洞右洞的爆破開挖對臨近的仰坡堆積體造成振動損傷并累積，進一步弱化了仰坡堆積體的自穩定性；小凈距的后行洞左洞開挖擾動，且其處在較低標高，進一步放大了圍巖開挖擾動的影響；外加地表大氣降雨的疊加，仰坡堆積體往隧道大里程方向發生滑移變形，最終引起左洞仰坡的堆積體滑移開裂。

3 處治措施與設計調整

（1）立即停止左、右洞掌子面開挖，并及時封閉裂縫。

（2）在左洞仰坡布置2 m深鉆孔埋鋼化管排除堆積體地下水，間排距為3 m，梅花狀布置，防止雨水或大氣降雨下滲惡化仰坡圍巖。

（3）為防止開挖過程中拱部出現垮塌，保證邊仰坡的穩定性，在ZK22+516～ZK22+495段管棚中間增設42 mm×4 mm超前小導管，超前小導管長L=4.5 m，環向間距為0.35 m，縱向間距為1.2 m，設置區域為揭露區域為堆積體上半拱130°區域。

（4）為保證邊仰坡的穩定，隧道洞門型式由設計的直削式洞門調整為端墻式，左、右洞明洞長度由原設計10 m調整為8 m。

（5）隧道為分離式隧道，左、右幅隧道凈距較小，隧道進洞段左、右福開挖擾動相互影響較大。此外，左幅隧道設計高程比發幅隧道設計高程最大處低3.3 m左右，隧道施工中先施工標高較低側的隧道（即左洞），再施工標高較高側的隧道（右洞）。

（6）施工過程中應密切關注圍巖變化情況并加強現場監測，有異常及時通知各方到現場處理。

采取前述措施后，左洞開挖掘進堆積體仰坡未再出現新的地表裂縫，布置左洞仰坡沉降觀測點監測曲線如圖5所示，地表沉降監測未發現顯著沉降變形，封閉裂隙未發生明顯張開。此外，地表沉降監測數據表明，采用管棚加小間距的超前小導管在堆積體隧道淺埋段可以取得良好的地表變形控制效果。

4 結語

（1）對臨近堆積體隧道施工，進洞開挖需要爆破開挖時，宜盡量采用松動爆破，并且控制分段藥量。

（2）進洞過程中宜盡量避開雨期，避免堆積體受大氣降雨入滲坡體，坡體弱化疊加爆破振動雙重作用引起仰坡滑移開裂。

（3）超前大管棚增設42 mm×4 mm超前小導管后，在堆積體淺埋段可以取得良好的地表沉降控制效果。

（4）對隧道凈距較小且高低錯幅的隧道施工中宜先施工標高較低的隧道，再施工標高較高的隧道。

參考文獻：

［1］秦玉賓.淺埋偏壓小凈距隧道施工方案優化［J］.施工技術（中英文），2023（10）：70-76.

［2］杜立兵，嚴松宏，蔡白潔.小凈距空間交叉隧道臺階法施工安全性研究［J］.隧道建設，2013（5）：378-382.

［3］蔣宗鑫，吳 斌.小凈距淺埋偏壓軟巖隧道支護結構受力實測分析［J］.鐵道建筑，2015（7）：50-54.

［4］馮 義.大跨度小凈距公路隧道模型試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2016（S1）：18-31.

［5］劉曉飛，張清帥，呂宏璋，等.軟弱破碎圍巖小凈距隧道開挖間距與支護方案優化研究［J］.西部交通科技，2022（12）：172-176.

［6］戴 俊，田國賓，熊咸玉.基于圍巖受力影響的小凈距隧道開挖方法優化［J］.科學技術與工程，2019，19（29）：307-311.

［7］李 忠，陳家征，袁文佳，等.考慮底部隆起的淺埋雙側偏壓小凈距隧道圍巖壓力計算分析［J］.粘接，2023，50（7）：162-166.

［8］陳 平.小凈距隧道開挖工法合理性研究［J］.鐵道工程學報，2018，35（4）：65-69.

［9］郭立軍.小凈距隧道圍巖變形特征及施工方法優化［J］.鐵道建筑，2017（3）：50-57.

［10］GB6722-2014，爆破安全規范［S］.