老龙山隧道不良地质段施工控制技术研究

2015-01-14杜荣生

山西交通科技 2015年6期

杜荣生

（山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030012）

0 引言

随着我国公路建设事业的不断发展，公路隧道不断向崇山峻岭地区迈进，其不可避免地要穿越破碎围岩、浅埋、偏压、富水等不良地质段，给公路隧道的建设带来极大的挑战。目前，学者们针对隧道不良地质段的施工技术已开展了大量的研究工作。黄成造[1]等人针对某公路隧道破碎围岩塌方段的工程实例，在研究采用双侧壁导坑法施工时预留核心土的稳定性问题的基础上，提出对拉锚杆的新型隧道施工工艺；吴华忠[2]等人结合茅山西隧道的浅埋段，根据实际量测与现场地质调查结果，对明挖法和盖挖法进行深入研究，研究结果表明，盖挖法节省了投资，保护了环境；邵利平[3]以沈阳市某人行过街通道为工程实例，针对其超浅埋段，采用二重管深孔注浆技术有效加固了地层，在保证地面正常交通及地下管线安全的前提下，顺利完成施工；张慧[4]等人以六武高速公路某隧道为工程实例，在其施工中遇到浅埋、偏压、软弱围岩等情况下，采用“零开挖进洞”等一系列施工方案，既可保护生态环境，又可保证施工安全。本文依托太佳高速公路老龙山隧道工程，针对其不良地质段提出相应的施工控制措施，并对其施工效果进行全面评价，以期为类似工程提供借鉴意义。

1 工程概况

老龙山隧道是一座双向四车道分离式隧道，其左洞长4 970 m，右洞长4 940 m，最大埋深230 m。隧址区位于太原盆地西部，吕梁山脉东部，属黄土覆盖中山区，其地形地貌主要为黄土峁、梁沟壑区，地势起伏较大，相对高差约200～300 m，“V”字型冲沟发育且分布较为密集，其纵横交错，沟谷深度一般为35～50 m，坡度为50°～70°。在隧道地表局部发育有黄土陡壁，其高度约30 m。隧道进口端位于山坡坡脚，连接一段填方路基；出口端位于山体中部，连接路堑边坡。

根据隧道钻探及地质调查结果可知，隧址区内覆盖层主要包括第四系全新统冲洪积卵石（Q4al+pl）、晚更新统冲洪积成因卵石和风积黄土（粉土）（Q3eol）、第四系中更新统风积成因的黄土（粉质黏土）（Q4eol）。该隧道基岩主要包括晚第三系上新统（N2）砾岩和奥陶系中统（O2）泥灰岩、灰岩、炭质灰岩等，其岩层风化层较为发育。

由于隧址区位于吕梁-太行断块西部的吕梁隆起区及其中部的五台山隆起区，其岩体形态受褶皱构造影响较大，因此其岩体节理裂隙较为发育，岩体较为破碎，对隧道施工影响较大。尤其在隧道左线ZK53+875—ZK53+905段，其埋深仅有5 m，属于黄土超浅埋段，在施工过程中出现掉块、塌方现象，在其上导坑施工完成后，其拱部即发生较大沉降，拱肩部位出现钢拱架严重剪切变形现象，其具体情况如图1、图2所示。

图1 隧道塌方

图2 隧道钢拱架剪切变形

2 不良地质段施工控制措施

2.1 预加固措施

由于老龙山隧道洞口段围岩极为破碎，极易发生塌方，且部分围岩为富水软弱土质，因此应采用管棚进行预加固。管棚是由钢管和钢支撑组成的超前支护体系，可用于预加固和支撑自稳能力较差的隧道段。

在管棚施工过程中，首先利用人工送管，再利用钻机进行顶进，直至顶进至设计深度，其在洞身段易受施工空间的影响，因此主要用于洞口预加固。在管棚支护体系中，钢管为纵向支护，宜采用φ80的钢管，以1°～2°的仰角钻进至前方围岩中，其长度为35 m，可用丝扣进行连接加长，每节钢管长度为4～6 m，纵向搭接长度不小于3 m，环向布设间距为45 cm。钢管钻孔直径应大于钢管自身直径2 cm，以利于钢管顶进。钢支架为环向支护，可采用普通钢拱架，其与钢管共同构成超前支护体系。

对于洞身段的破碎围岩，主要采用超前小导管注浆法进行加固，首先利用钻机将小导管以5°～10°的外插角向隧道掌子面前方打设，再连接注浆机以3～5 m一个循环进行注浆加固。结合老龙山隧道的实际情况，本项目组决定采用渗透注浆法进行围岩预加固，即利用中低压将具有一定渗透性的浆液注入围岩中，并逐渐渗透入围岩裂隙中，从而将破碎围岩进行加固。为保证注浆效果，本项目采用的单管浆液扩散半径为0.5 m。

2.2 开挖工法

由于分部开挖可将整个隧道掌子面分成不同部位而逐步开挖，因此可将一部分超前开挖作为超前导坑，为下一步开挖提供指导。分部开挖可有效减小掌子面开挖跨度，利于围岩稳定，适用于软弱破碎围岩段。结合老龙山隧道的实际情况，选用台阶分部开挖法，即环形开挖预留核心土法，一般开挖进尺为0.5 m，其上部预留的核心土可有效支撑开挖面，有利于隧道掌子面稳定，具体情况如图3所示。

图3 台阶分部开挖法

对于隧道不良地质段，在采用上述超前预加固措施后，采用人工配合机械方式进行开挖掘进，每循环0.5 m，从而避免爆破作业中对软弱围岩的扰动。在上述措施的及时支护及严格开挖作业下，可顺利通过不良地质段，有效保证施工安全。

3 施工效果评价

3.1 支护状况观察

为全面评价老龙山隧道在采用上述施工控制措施的效果，本文主要针对以下三方面进行现场观察：

a）对隧道地表、洞口边仰坡进行观察，包括地表有无塌陷、地裂缝，洞口防护混凝土有无开裂、掉块。

b）对初期支护有无裂缝、渗漏水情况进行观察，且对于已发生的裂缝，仔细观察其裂缝长度、宽度、有无渗水情况，判断其发展趋势，及时预警。

c）对已施作二衬的隧道段，主要观察混凝土有无裂缝、剥离，钢拱架有无剪切破坏，基底是否有隆起等。

利用上述现场观察手段对老龙山隧道左线ZK53+875—ZK53+905段进行观察后可知，采用上述施工控制措施，其初期支护状况良好，二衬未见明显裂缝、渗漏水，可初步判定该施工控制措施取得了良好的效果。

3.2 地表下沉

采用精密水准仪、水准尺进行地表下沉量测，其量测精度可达±1 mm，其测点布设位置应以隧道中线为轴，对称分布，中间稍密，两侧稍疏，也可根据现场具体情况进行适当加密。在隧道3～4倍洞径外埋设一个基准点，同时根据隧道地表下沉速度决定量测频率，如表1所示。

表1 老龙山隧道地表下沉监测频率

针对老龙山隧道不良地质段，即左线ZK53+875—ZK53+905段，采用上述地表下沉监测手段进行量测，每隔5 m布设一个监测断面，每个断面布设7个监测点，其监测结果如图4所示。

图4 地表下沉监测结果

由图4可以看出，在隧道施工过程中，隧道轴线对应地表处的沉降量最大，最大值达到5.1 mm，但当掌子面开挖经过该处后，地表下沉逐步趋于稳定，下沉量逐步减小，可见采用上述施工控制措施使得隧道开挖对地表未产生较大影响。

3.3 周边收敛及拱顶下沉

通过对老龙山隧道进行周边收敛及拱顶下沉监测，可全面了解该隧道支护结构的应力应变状况，进而评价隧道围岩及支护结构的稳定性，同时可根据周边收敛及拱顶下沉的速率，综合判定二衬施作合理时机。本项目采用数显式收敛计进行周边收敛监测，利用水准仪、水准尺、铟钢尺进行拱顶下沉监测，其监测频率应参照表2。

表2 老龙山隧道周边收敛及拱顶下沉监测频率

本项目针对老龙山隧道左洞ZK53+890、ZK53+900两个断面进行重点监测，其周边收敛及拱顶下沉监测结果如图5、图6所示。

图5 断面ZK53+890监测结果

由图5可知，断面ZK53+890周边收敛值普遍较小，监测周期内累计收敛值仅为28 mm；拱顶下沉值在掌子面开挖后20 d内呈明显增长趋势，最大下沉速率达到10 mm/d，掌子面开挖20 d后逐渐趋于稳定。

图6 断面ZK53+900监测结果

由图6可知，断面ZK53+900周边收敛值普遍较小，其最大值发生在掌子面开挖后15 d，速率为3.5 mm/d，随后逐渐趋于稳定；而拱顶下沉变化幅度相对较大，第8天拱顶下沉速率较大，达到10 mm/d，随后变形趋于平缓，在第13天由于开挖下断面，拱顶下沉速度随之增大，但在第16天又趋于平缓，并逐步稳定。

总之，采取上述施工控制措施后，隧道拱顶下沉及周边收敛方面得到了有效控制，保证了施工安全，达到了预计目标。