隧道淺埋、偏壓及軟弱圍巖研究與施工方法研究

唐能、劉志義、蘇一波、崔盛站、夏黎黎

（1.云南楚姚高速公路有限公司，云南 楚雄 675000；2.云南利魯環境建設有限公司，云南 昆明 650032）

0 引言

在高速公路隧道工程施工中,淺埋、偏壓及軟弱圍巖隧道施工中產生的問題越來越突出，因此，有效分析和研判隧道周邊環境及實際地質狀況，制訂有針對性的施工技術方案并根據具體動態信息不斷進行方案調整，以滿足工程需要就顯得尤為重要和關鍵。在這樣的背景下，本文對隧道淺埋、偏壓及軟弱圍巖的研判和相應的解決方案進行研究。

1 工程概況

大坡隧道隸屬于楚雄至大姚高速公路，位于楚雄州牟定縣凹菠蘿村及中屯村內，以侵蝕地形為主，土質主要以黃色粉質黏土為主，自穩性極差。

出口端左幅為V 級圍巖，淺埋段，發生過兩次重大塌方，表層覆蓋層薄弱且均為堆積土，沒有任何自穩結構，隧道初期支護承受整個土體的垂直壓力，隧道開挖斷面較大（三車道）。第二次進洞時采用環形開挖預留核心土法開挖，經過實踐，該方法不適用于該段特殊地質結構。因此，根據圍巖、支護結構受力特點、數據分析、施工經驗等總結選取更好的開挖方法迫在眉睫。

2 洞口段淺埋、偏壓圍巖壓力計算

2.1 洞口偏壓情況

偏壓隧道圍巖壓力計算設定偏壓分布圖（見圖1）與地表坡面一致，則垂直壓力總值Q為：

式（1）中：h、h'為內、外側由拱頂水平至地面的高度（m）；γ為隧道上覆圍巖重度（kN/m3）；B為隧道跨度（m）；θ為頂板土柱兩側摩擦角（°），參考表1 選取；λ、λ'為內、外側的側壓力系數。

表1 各級圍巖的θ 值

λ、λ'按下式（2）（3）計算：

式（2）～式（5）中：α為地面坡坡腳（°）；?c為圍巖計算摩擦角（°）；β、β'為內、外側產生最大推力時的破裂角（°）。

偏壓隧道水平側壓力的計算如公式（6）所示：

式（6）、式（7）中：hi'、λ'為內、外側任意一點i至地面的距離（m）。

2.2 淺埋隧道圍巖壓力計算

在隧道開挖后，圍巖的坍塌并不延伸到地表，即使不加支護，圍巖的坍塌也是有限度的。當這種坍塌使洞室形狀改變到一定程度后不再發展，而在圍巖中建立起新的平衡。也就是說，隧道開挖后圍巖力學形態將經歷“平衡——變形、破壞、坍塌——應力重新分布——新的平衡”的過程，這種過程最終形成人們所熟知的“平衡拱”（見圖2）。隧道上方的部分巖體承受著整個巖體以上的重力，根據荷載的具體分布及力的相互作用形成一個如同拱一樣的承載環，并將荷載重力側向傳遞下去，這就是圍巖的成拱作用。

圖2 平衡拱

式（8）中：h為平衡拱高度（m）；b為隧道跨度的一半（m）；fup為圍巖堅固性系數。

我國現行隧道設計規范采用各級圍巖坍塌高度的經驗公式（9）如下：

式（9）中：S為圍巖級別；B為隧道寬度（m）；i為圍巖壓力的增減率；以B=5m 的圍巖垂直均布壓力為準，當B小于5m 時，取i=0.2；當B大于5m 時，取i=0.1。因此，大坡隧道出口左幅的平衡拱高度為16m。

淺埋和深埋隧道的分界，按荷載等效高度值，并結合地質條件、施工方法等因素綜合判定。其判定如式（10）所示：

式（10）中：Hp為淺埋隧道分界深度（m）；hq為荷載等效高度，算出的深埋隧道垂直均布壓力（kN/m2）；γ 為圍巖重度。在礦山法施工的條件下，Ⅳ～Ⅵ級圍巖取Hp=2.5hq。因此，大坡隧道出口左幅淺埋隧道分界深度Hp=40m，荷載等效高度hq=h=16m。由于大坡隧道左幅出口段埋深平均為12m，因此埋深H小于荷載等效深度hq，此時荷載視為垂直均布壓力，按公式（11）計算：

式（11）中：q為垂直均布壓力（kN/m2）；γ 為隧道上覆圍巖重度（kN/m2）；H為隧道埋深（m），指坑頂至地面的距離。

大坡隧道出口左幅埋深等于荷載等效高度時，垂直均布壓力計算得q=320kN/m2，側向均布壓力為e=0.5q=160kN/m2；偏壓隧道圍巖壓力計算得隧道垂直壓力總值Q=1822.5kN/m2，偏壓隧道水平側壓力計算結果為內側ei=106kN/m2，外側ei'=108kN/m2。根據數據分析得出,大坡隧道出口左幅洞口淺埋段隧道垂直壓力較大，存在偏壓現象[1-2]。

3 施工方法選定

大坡隧道出口淺埋段經過實地考察及垂直土壓力荷載計算，最終研究決定采用中隔墻法（CRD）進行施工。雖然總體施工斷面較密，大大增加了圍巖的持續擾動次數，且初支全斷面閉合的時間延長，但各施工區塊開挖后立即各自閉合，所以在整個施工期間變形幾乎不發展，能夠得到有效控制[3]。

4 中隔墻施工工法

4.1 工法介紹

大坡隧道出口左幅CRD 法施工分上下兩層、左右兩側共4 步施工。先進行左側上導坑的開挖及支護，同時進行臨時支護施工；左側上導坑進尺3m 后，開始進行右側上導坑的開挖及初支施工，同時進行臨時支護施工；右側上導坑進尺10～15m 時，左側中、下導坑進行開挖及初支施工；左側中、下導坑進尺3m 時，進行開挖和初支右中、下導坑施工，形成豎向中隔壁與橫向臨時仰拱支撐的網格狀支護系統。最后把左右兩側中隔墻支撐澆筑到仰拱及填充中，拆除臨時支撐施作二襯[4]。

4.2 施工步驟

CRD 法施工步驟見圖3。

圖3 CRD 法施工步驟平面圖

4.3 開挖工藝流程及操作要點

隧道CRD 法開挖施工流程，見圖4。

圖4 隧道CRD 法開挖施工流程圖

4.4 洞身開挖

洞身開挖應注意超欠挖等問題，原則上不應欠挖，也不宜超挖太多，當圍巖石質堅硬、完整時，允許個別巖石突出部分侵入襯砌。拱腳和墻腳開挖時要求更加嚴格，該處1m 范圍內嚴禁欠挖。

4.5 超前小導管

超前小導管長4.5m，外徑42mm，壁厚3.5mm 熱軋鋼花管；V 級圍巖環向間距30cm，縱向前后相鄰兩排小導管水平投影搭接長度不小于150mm；外插角5～10°，可根據實際情況調整；1∶1 水泥漿、滲水位置采用雙液漿；拱部120°范圍。

4.6 鋼架施工

鋼架加工完成后進行試拼，無扭曲錯位現象，拼裝偏差為±5cm，平面翹曲度控制為2cm。在開挖或初噴混凝土后及時架設鋼架。安裝前要清除底部及周邊虛渣與雜物，底腳要置于牢固的基礎上，鋼架架身要盡量密貼圍巖并與錨桿焊接牢固。拱腳設置長度不小于4.5m 的φ42×4mm 鎖腳小導管，針對特殊地質環境應增加鎖腳小導管數量；應注意鋼架的受力，下半部開挖后及時落底接長，封閉成環。

4.7 錨桿施工

中空錨桿施工前應檢查錨桿是否有異物堵塞，確保中空錨桿桿體順直、排氣管通暢；錨桿孔的孔徑、力學性能是否符合設計要求；錨桿插入孔的中心，入孔長度不得小于設計長度的95%。

4.8 鋼筋網施工

鋼筋網采用φ8 鋼筋15cm×15cm；在初噴4cm 混凝土后鋪掛鋼筋網片，使鋼筋網片與噴射混凝土形成一體，且鋼筋網片噴射混凝土保護層的厚度不小于2cm。鋼筋網施工要緊貼開挖巖面，有效搭接長度為1～2 個網格，相鄰網片采用焊接連接，并與錨桿、鋼架或其他固定裝置焊接牢固。保證鋼筋網噴混凝土保護層厚度不小于3cm。

4.9 噴射混凝土施工

噴射混凝土要嚴格按照中心試驗室及相關試驗要求的噴射混凝土配合比，施工噴射混凝土厚度按照設計要求、圍巖級別進行控制；施工原材料進行電子計量配料，嚴格按配合比，攪拌時間不少于2min。

4.10 監控量測

監控量測主要內容：洞內、洞外沉降觀測，地表沉降觀察，拱頂下沉量測、凈空收斂量測，洞口段沉降觀測。需嚴格按照設計資料進行監控量測，并及時整理和反饋監測信息成果，為動態施工提供基本依據[5]。

5 中隔墻拆除

5.1 臨時支撐拆除的施工條件

當CRD 法施工各部開挖支護、仰拱填充完成后，進行洞內監控量測，以便及時關注拱頂沉降情況，觀測初期支護體系封閉成環后的變形情況，經數據分析確認沉降變形在正常范圍內，方可拆除臨時支撐鋼架。

5.2 臨時支撐拆除的施工步驟

拆除鋼架具體步驟如下（見圖5）：

圖5 臨時支撐拆除示意圖

一是拆除1 部位臨時仰拱；二是拆除2 部位臨時仰拱；三是拆除3 部位臨時仰拱；四是拆除4 部位中支撐；五是拆除5 部位中支撐。

5.3 臨時支撐拆除施工要點

為確保安全，在拆除臨時支撐前，先選取洞口大管棚段5m 進行拆除試驗。

采取隔3 拆1 的方法，在中支撐鋼架頂部切開2～3cm，及時監測，并分析數據，觀察隧道變形量和變形速率。若隧道變形量和變形速率在允許范圍內時，則采取隔1 拆1 的方法，同樣需要及時觀測隧道變形量和變形速率，嚴禁連續切開鋼架。分析監控量測結果，變形穩定后，確定隧道初支的穩定性。鑿除噴射混凝土過程中應做好安全防護，作業區前后設相關標示標牌，并安排專人值班。應自上而下逐榀鋼架進行鑿除，下方嚴禁行人、機械通過。

采用裝載機配合拆除臨時仰拱時，先抬起裝載機料斗端住臨時仰拱鋼架，切開連接筋，去掉與各支護的螺栓連接，切開焊接處后，用裝載機抬走鋼架。拆除中支撐時應注意前后的連接關系，利用下一榀中支撐鋼架，采用繩索固定該中支撐鋼架上部和下部，然后去掉與初支的連接螺栓，切斷該鋼架的所有連接筋。先放松上部連接繩索，慢慢放倒鋼架，放倒后，解除上部、下部繩索。

鋼架拆除過程中，應注意拱頂的變形情況，發現拱頂異常時，應及時暫停拆除，并采取適當措施進行臨時支撐的加固。出現特殊情況時，即刻拉動警報，及時通知洞內人員撤出。

6 結語

洞口段是隧道的喉結，施工前要做好充分調查，全面考慮，確定合理的施工方案，利用巖體力學的理論與方法，充分發揮隧道圍巖的承載能力，合理地設計支護結構，實現隧道圍巖與支護共同承載，變傳統礦山施工法的被動支護為主動支護，達到隧道少支護的目的。該項目淺埋、偏壓及軟弱圍巖隧道施工中出現的有關問題，經過各方的研究和處理，對其他類似隧道具有一定參考意義。