破碎圍巖條件下隧道內(nèi)部沉降控制技術(shù)研究

王海社，張亞杰，任裕廷

（中交二公局國際公司，陜西 西安 710065）

1 研究背景及意義

隧道工程是現(xiàn)代交通建設(shè)中不可或缺的一部分，它在提高交通效率、節(jié)約土地資源、保護生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。然而，隧道工程也面臨著許多技術(shù)難題，其中之一就是如何控制隧道開挖及支護后產(chǎn)生的洞內(nèi)沉降。洞內(nèi)沉降會影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，甚至導(dǎo)致隧道破壞或坍塌，給施工和運營帶來巨大風(fēng)險。洞內(nèi)沉降的大小和分布與圍巖條件有密切關(guān)系。在破碎圍巖條件下，由于圍巖具有強度低、變形大、滲透性強等特點，隧道開挖及支護后產(chǎn)生的洞內(nèi)沉降更為嚴重和復(fù)雜。隧道開挖及支護后產(chǎn)生的洞內(nèi)沉降是影響隧道結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性的重要因素之一[1-4]。因此，探討破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后產(chǎn)生的洞內(nèi)沉降控制問題具有重要的理論意義和工程價值。

本論文主要針對破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后產(chǎn)生的洞內(nèi)沉降控制技術(shù)進行分析。首先，對破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后沉降成因進行分析，指出在隧道開挖或支護后產(chǎn)生沉降及變形的特殊位置及發(fā)生原因；其次，對已有的隧道沉降控制技術(shù)進行闡述，說明各種施工技術(shù)所適用的條件和施工效果；最后，對實際工程中所采用的各種配套沉降控制措施進行了研究，分析其使用的具體位置以及效果，最終得出了一套針對破碎圍巖條件的隧道內(nèi)部沉降控制方法，為今后的隧道工程提供一定的參考。

2 破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后沉降成因分析

破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后沉降產(chǎn)生的原因主要包括以下幾方面：首先，隧道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力釋放和重分布，使圍巖發(fā)生彈性變形和塑性變形，從而引起隧道周邊和地表的沉降。其次，隧道開挖導(dǎo)致地下水位下降和滲流場改變，使含水土層或巖層發(fā)生固結(jié)收縮或膨脹，從而引起隧道周邊和地表的沉降。最后，隧道支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間存在一定的空隙或縫隙，使得部分圍巖向空隙或縫隙內(nèi)移動或垮塌，從而引起隧道周邊和地表的沉降。這些成因相互作用、相互影響，共同決定了破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后沉降的程度和范圍[5-6]。

綜上所述，破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后沉降產(chǎn)生的成因主要有3 個方面：圍巖應(yīng)力釋放、地下水位下降和支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間存在空隙或縫隙。這些成因相互作用、相互影響，共同決定了破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后沉降的程度和范圍。

3 破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后沉降控制技術(shù)

對上述破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后產(chǎn)生沉降的因素進行了分析之后，本文開展了對應(yīng)的控制方法研究。通過綜合各類施工方法以及通過技術(shù)創(chuàng)新來有效地控制破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后產(chǎn)生的沉降。

3.1 已有的隧道沉降控制技術(shù)

隧道沉降控制是指在隧道施工過程中，采取一定的方法和措施，減少或避免地面沉降對周圍環(huán)境和建筑物的影響。根據(jù)不同的原理和方式，隧道沉降控制技術(shù)可以分為地層處理技術(shù)和隧道自身技術(shù)兩大類。

地層處理技術(shù)是指通過改變或提高地層的強度、剛度、滲透性等性質(zhì)，來抑制或消除地層運動的方法。常用的地層處理技術(shù)有超前注漿、深層注漿、土釘墻、樁基加固等。超前注漿是指在隧道掘進前，先在地層中注入水泥漿或其他材料，形成一定的固結(jié)體，從而提高地層的強度和剛度，減少地層運動。深層注漿是指在隧道掘進過程中，通過注入水泥漿或其他材料，形成一定的固結(jié)體，從而提高地層的強度和剛度，減少地層運動。土釘墻是指在隧道周圍的地層中，鉆孔后注入水泥漿或其他材料，然后在孔內(nèi)釘入鋼筋或鋼絞線，形成一定的固結(jié)體，從而提高地層的強度和剛度，減少地層運動。樁基加固是指在隧道周圍的地層中，鉆孔后注入水泥漿或其他材料，然后在孔內(nèi)釘入樁，形成一定的固結(jié)體，從而提高地層的強度和剛度，減少地層運動。

3.2 破碎圍巖條件下隧道內(nèi)部沉降控制技術(shù)方案

根據(jù)上述已有的隧道沉降控制技術(shù)，以及結(jié)合沉降產(chǎn)生的主要原因，本文制定了具體的控制沉降的技術(shù)方案。破碎圍巖條件下隧道內(nèi)部沉降控制技術(shù)方案如下。

1） 分析原因：破碎圍巖的特點是強度低、變形大、易發(fā)生松散和垮塌，給隧道開挖和支護帶來很大困難。隧道開挖過程中，由于圍巖擾動、地壓作用、水文地質(zhì)條件等因素，會導(dǎo)致洞內(nèi)沉降和位移，進而誘發(fā)地表裂縫和滑移。隧道支護結(jié)構(gòu)的剛度、強度、穩(wěn)定性等與圍巖匹配程度直接影響著隧道的安全性能。

2） 確定目標：要將洞內(nèi)沉降和位移控制在允許范圍內(nèi)，保證隧道結(jié)構(gòu)的完整性和安全性。減少地表裂縫和滑移的發(fā)生和擴展，保護地表環(huán)境和設(shè)施。優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高施工效率和經(jīng)濟性。

3） 采取措施：要在開挖前進行充分的勘察設(shè)計，確定斷層破碎帶位置、形態(tài)、規(guī)模等參數(shù)，并根據(jù)不同斷層形態(tài)對圍巖穩(wěn)定性進行敏感性分析。在開挖過程中采用適宜的開挖方法，如弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法或CD 法，減小開挖斷面積，減少圍巖擾動。在開挖后及時進行有效的初期支護，并根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整支護參數(shù)。在初期支護后進行有效的二次補強，并根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整補強參數(shù)。如有必要可采用地表注漿或洞內(nèi)環(huán)向注漿，并進行典型孔注漿試驗指導(dǎo)后續(xù)工作。在施工過程中加強監(jiān)控量測，在關(guān)鍵部位設(shè)置監(jiān)測點，如洞內(nèi)沉降、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷隧道穩(wěn)定性和支護效果，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整施工方案。在施工過程中加強地表保護，在地表裂縫處采取挖槽回填粘土處理，在洞口下方溝塹處進行部分回填，在洞口平臺位置修建擋墻，在地表邊坡位置增加測斜觀測，并通過分析確定洞口山體是否穩(wěn)定。如有必要，再采取進一步的洞口加固措施，如抗滑樁、錨索加固等。

控制沉降的技術(shù)方案流程見圖1。

圖1 控制沉降的技術(shù)方案流程圖

4 案例分析

4.1 工程概況

塞爾維亞E763 高速公路PP 段項目，線路起訖樁號為右線K131+472—K134+675（左線K131+485—K134+750），右線K141+940—K144+740（左線K141+973—K144+809）；路線長度6.101 km。工程內(nèi)容主要包含Laz 隧道進口至出口路基零填零挖點，Munjino Brdo 隧道所有土建工程的施工。路基挖方27.3×104m3。項目合同工期36 個月。

4.2 應(yīng)用措施與價值

在工程項目建設(shè)期間，左洞發(fā)生了掌子面圍巖破碎掉落，引發(fā)支護上部圍巖垮塌。在支護過程中，右洞進尺8.9 m，在距洞口3 m 左右，初支拱頂位置出現(xiàn)由沉降引起的橫向裂縫，與此同時伴隨有縱向位移。針對這一情況應(yīng)用本文提出的控制破碎圍巖條件下隧道內(nèi)部沉降的技術(shù)方案，具體應(yīng)用如下：首先，分析了沉降產(chǎn)生的原因，洞內(nèi)沉降的主要原因是現(xiàn)場地質(zhì)條件差，洞頂覆蓋層無凝聚力，過程中無法自穩(wěn)，作為直接荷載作用于支護結(jié)構(gòu)上。同時洞口有輕微偏壓，開挖過程中，洞內(nèi)支護強度偏弱，洞內(nèi)發(fā)生沉降及位移，誘發(fā)地表裂縫。根據(jù)現(xiàn)場情況判斷，地表裂縫表現(xiàn)為垂直隧道方向，在未開挖段落靠近掌子面附近，隨開挖進尺而出現(xiàn)，初步判定是由洞內(nèi)沉降引發(fā)的地表沉降滑移。其次，確定目標為控制洞內(nèi)產(chǎn)生的沉降以及地表沉降滑移。最后，采取對應(yīng)的控制措施。一是當前右洞掌子面暫停開挖，臨時仰拱保持跟進，盡快封閉成環(huán)。二是格柵拱架剛度較型鋼拱架低，在施工中應(yīng)當先對格柵拱架進行飽滿噴混，使噴混和拱架盡快結(jié)合、共同受力。在后續(xù)施工中，應(yīng)當保留核心土，發(fā)揮穩(wěn)定掌子面支護的作用。根據(jù)現(xiàn)場實際情況、施工難易程度等情況，綜合考慮采用地表注漿／洞內(nèi)環(huán)向注漿等方式進行加固，加固方案施作前，應(yīng)進行典型孔注漿試驗，指導(dǎo)后續(xù)注漿工作。考慮型鋼拱架當?shù)夭少徏皥笈щy，建議格柵鋼架采用0.5～0.6 m 間距，后續(xù)施工建議采用12 m 長管棚支護。加強監(jiān)控量測，在地表邊坡的位置，建議增加測斜觀測，通過分析確定洞口山體是否穩(wěn)定。如果有必要，再采取進一步洞口加固措施，例如抗滑樁、錨索加固等。盡快安裝測斜管，加強現(xiàn)場監(jiān)控。

除此之外，針對某隧道施工中出現(xiàn)的縱向滑移、開挖方式、支護下沉收斂等問題，提出了相應(yīng)的解決方案和建議。首先，根據(jù)現(xiàn)場及監(jiān)控數(shù)據(jù)分析，該隧道出現(xiàn)的縱向滑移屬于典型的牽引性滑移，建議在兩隧道之間設(shè)置微型樁+承臺，并及早施作明洞和洞門，并進行明洞回填反壓，以有效地控制隧道縱向位移。同時，通過測斜管監(jiān)測判斷洞口是否為滑坡體，并確定滑移面位置。其次，針對圍巖破碎、縱向位移和沉降較大的地段，建議采用弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法或CD 法掘進，以減小開挖斷面積和圍巖擾動。如有必要，可采用玻纖錨桿超前加固。再次，針對支護下沉收斂問題，建議縮小鋼筋格柵柔性支護間距，并加強格柵鋼架縱向連接；增大鎖腳直徑，并控制施作角度；設(shè)置拱架拱腳縱向托梁；用自進式錨桿替代洞內(nèi)管棚。最后，還提出了其他方面的建議，包括加強隧道徑向注漿補強、控制注漿壓力時間順序、采用挖槽回填粘土的方法處理地表裂縫等。根據(jù)前期沉降數(shù)據(jù)由設(shè)計單位進行3D 建模，對二襯進行相應(yīng)加固，二襯鋼筋主筋由φ16 改為φ20，鋼筋拱架間距由100 cm降為80 cm。圖2 為加固前的有限元分析圖。

圖2 有限元分析圖

通過應(yīng)用上述技術(shù)方案，有效地解決了某隧道施工中的沉降問題。左洞采用單側(cè)壁臨時支撐，分區(qū)域平行開挖支護，實現(xiàn)了仰拱施工的前100 m 沉降穩(wěn)定，但掌子面附近仍需加強監(jiān)測。右洞采用三臺階預(yù)留核心土開挖支護，結(jié)合超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固，嚴格控制仰拱初支及下臺階與掌子面的距離，做到強支護，早成環(huán)，并及時設(shè)置監(jiān)控點進行監(jiān)測，保證了初支收斂沉降量在合理范圍內(nèi)，并逐步趨于穩(wěn)定。其沉降監(jiān)測結(jié)果見圖3。

圖3 距掌子面50 m 處豎向沉降觀測情況

5 結(jié)束語

本文以破碎圍巖條件下隧道開挖及支護后產(chǎn)生的洞內(nèi)沉降控制技術(shù)為研究對象，首先綜述了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和存在的不足，然后分析了影響隧道沉降的主要因素和機理，接著系統(tǒng)地總結(jié)和比較了目前常用的沉降控制措施及其優(yōu)缺點，基于此提出了一種適用于破碎圍巖條件下的隧道內(nèi)部沉降控制技術(shù)方案，并以塞爾維亞E763 高速公路PP 段項目為例進行了實踐驗證。驗證結(jié)果表明，本文提出的技術(shù)方案能夠有效減小施工過程中的沉降量，有效預(yù)防危險事故的發(fā)生，保障工程項目的安全和質(zhì)量。