偏压小净距隧道洞口段施工技术

2015-03-23郭长江

浙江建筑 2015年3期

郭长江

GUO Changjiang

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州313000)

1 工程概况

径子里隧道是漳州古雷港区至武平高速公路十方至东留段上的一座上下行分离的小净距隧道。隧道左线起讫桩号为ZK33 +925 至ZK34 +210，长285 m，右线起讫桩号为K33 +950 至K34 +290，长340 m。隧道进出口端均采用端墙式洞门，左右洞洞门不在同一断面上，相距80 m。隧道净空为10.25 m×5.0 m，最大埋深69.22 m，其中右洞出口有长约60 m 浅埋地段，埋深约1.0～11.0 m，且沿隧道走向右洞左侧覆盖层厚度平均不足3.0 m。出口处山体自然坡度较陡约25°～40°，为凸形坡，坡向135°，山坡向与线路大角度相交，洞口严重偏压，见图1。

图1 洞口偏压、浅埋示意图

2 工程地质特征

隧道区属剥蚀丘陵地貌，地势稍有起伏。岩性以加里东期花岗岩及其风化层为主，围岩Ⅲ～V 级。其中，右洞出洞口K34 +190 至K34 +290，长100 m，该段为V 级围岩，岩性为全风化、强风化花岗岩及粉质黏土，具有遇水软化、抗冲刷能力差、易风化的特点，围岩自稳能力差，易坍塌、冒顶及掉块，在雨水作用下仰坡易产生滑塌，粉质黏土主要集中于右洞左侧侧面50 m 薄覆盖层区域，雨季或强降雨时洞内地下水出水状态为淋雨或涌流状。综上所述，隧道出口处存在成洞条件较差，易产生边坡失稳等工程地质问题。

3 设计支护参数及措施

本隧道为四车道小净距隧道，洞口段浅埋且严重偏压，最大开挖宽度达13 m，右洞左侧粉质黏土覆盖层不足3 m，在这种条件下，施工难度很大，设计主要考虑加强初期支护，采取强有力的辅助施工措施与初期支护密切配合，确保施工顺利进行。洞口严重偏压段采用S5a 衬砌，辅助施工措施主要有超前长管棚、超前小导管、超前锚杆。

3.1 S5a 衬砌

适用于小净距隧道洞口V 级围岩浅埋偏压加强段，其承载能力由系统锚杆、喷射混凝土层、钢拱架及二次衬砌共同形成。系统锚杆采用D25 中空注浆锚杆，L=3.5 m(外)，L=6 m(内)，间距500 mm(纵)×1200 mm(环);钢筋网采用单层φ8 钢筋网，间距200 mm×200 mm;C20 喷混凝土厚度260 mm，钢拱架采用20a 工字钢，纵向间距500 mm;拱墙、仰拱二衬均采用500 mm 厚C25 钢筋混凝土结构。

3.2 超前长管棚

管棚钢管均采用φ108 ×6 mm 热轧无缝钢管，环向间距400 mm。接头用长150 mm 的丝扣直接对口连接。当长管棚钢管已深入中风化岩层时可以适当缩短长管棚长度。钢管设置于衬砌拱部，平行路面中线设置。沿隧道纵向同一横断面内接头数不大于50%，相邻钢管接头数至少错开1.0 m。为了保证钻孔方向，在衬砌外设C25 钢架混凝土套拱。考虑钻进中的下垂，钻孔方向应较钢管设计方向上偏1°。钻孔位置、方向均应用测量仪器测定。在钻进过程中也必须用测斜仪测定钢管偏斜度，发现偏斜有可能超限应及时纠正，以免影响开挖和支护。

3.3 超前小导管

设置在隧道洞内无长管棚的V 级围岩地段，采用外径42 mm，壁厚3.5 mm，长4000 mm 的热轧普通钢管，在钢管距尾端1 m 范围外钻φ6 mm 压浆孔。钢管环向间距400 mm，外插角控制在10°～15°，尾端支撑于钢架上，也可焊接于系统锚杆的尾端，每排小导管纵向至少须搭接1.0 m。

3.4 超前锚杆

设置在隧道洞身Ⅳ级围岩浅埋地段。锚杆采用直径22 mm，长3500 mm 的砂浆锚杆，环向间距约400 mm。实际施作时锚杆方向应根据岩体结构面形状确定，以尽量使锚杆穿透更多的结构面为原则，外插角可采用5°～15°不等。采用早强砂浆作为粘结材料，每排锚杆的纵向搭接长度要求不小于1.0 m［1］。

4 施工状况及变形原因分析

结合隧道设计图纸、施工现场条件、总体工期和施工经济成本等方面综合分析考虑，隧道施工采取由东留往武平单向掘进。洞口段开挖施工前已施作好洞顶截水沟，边仰坡开挖与防护同步进行。小净距隧道由于左右线间距较小，为尽量减小两洞开挖放炮的相互影响，保护中间岩柱的稳定，待左洞进洞50 m 后开始施工右洞。右洞洞口段属小净距隧道V 级围岩浅埋严重偏压地段，采用中隔壁法施工，先开挖右洞右导坑，待喷射混凝土达到设计要求后再进行左导坑开挖，且保证左右导坑开挖工作面的纵向间距不小于15 m，开挖形成全断面时，及时完成全断面初期支护闭合，确保初期支护的承载能力，在初期支护落底后及时施作二次衬砌仰拱和仰拱回填层。当全断面进洞15 m 时(里程K34 +271)，监控量测数据表明，K34 +270 断面拱顶沉降超限且有继续增大趋势，同时洞顶地表下沉，具体部位见图2。随即停止开挖，仰拱及仰拱回填跟进至右洞左导坑掌子面，观察数日后，拱顶最大沉降已达245 mm，地表沉降加大。究其原因，主要有以下几个方面:

4.1 地质原因

右洞右导坑成洞断面为全风化花岗岩，部分为粉质黏土，地形切割较为强烈，冲沟发育，山体自然坡度较陡，严重偏压，开挖时伴有渗水，自稳能力差。右洞左导坑顶部及侧面覆盖层不足3 m，且为粉质黏土层，强度低。

4.2 勘察设计原因

虽然设计已经采取了一系列强有力的措施来应对浅埋、偏压、小净距隧道施工(如采用CD 法开挖，超前长管棚支护等)，但是对于隧道侧向粉质黏土覆盖层薄这一地质特征没有详细的地勘资料，设计单位对此重视程度不够，造成开挖方法和支护措施不能满足偏压的要求。

4.3 施工原因

由于开挖活动造成隧道周边应力的重新分布和调整，而施工中个别部位注浆和喷锚支护措施不到位，钢拱架与围岩不密贴，中隔墙工字钢连接处弧度不精确，加之右洞左导坑开挖过程中对中隔墙的扰动，导致围岩压应力超过初期支护和中隔墙的承受能力而发生变形。

4.4 自然因素

隧道施工期间偶有降雨发生，增加了右洞右导坑一侧偏压土体的自重，同时右洞左导坑薄黏土覆盖层受雨水浸泡，土质松软，土体强度降低，不能有效平衡压力，导致地表沉降。

图2 拱顶沉降示意图

5 施工综合处治技术

5.1 总体方案

变形发生后，首先对拱部变形较大区域采取竖向钢支撑，加强附近中隔墙强度，控制变形的进一步发展，然后进行径向注浆加固，最后刻槽拆换变形支护。针对未施工的粉质黏土单侧薄覆盖层段落，采取在隧道侧面覆盖层外侧增设重力式挡土墙，墙内回填土的施工方案。

5.2 已施工段变形处理

5.2.1 竖向钢支撑

竖向钢支撑的作用是控制初期支护变形的进一步发展，采用钢管加工字钢搭设。在拱顶沉降部位先施加横向钢支撑，分别与初期支护钢拱架焊接牢固，横向钢支撑采用18a 工字钢。横向钢支撑施作速度要快，避免变形过大引发坍塌等安全事故。然后在跨度中央及钢拱架处分别增加竖向支撑，竖向支撑采用φ100 壁厚3 mm 的钢管搭设，同时在中隔墙弧顶处架设竖向支撑，以增加强度，使中隔墙与竖向钢支撑形成整体受力体系，阻止初期支护变形的进一步发展。

5.2.2 径向注浆加固

初期支护变形后，其背后土体已松散，为了抑制变形的发展，加固松散土体，避免变形处理过程中发生坍塌及变形处理后发生二次变形，须对变形初期支护背后松散土体进行径向注浆加固。采用φ42小导管，小导管前端部焊成尖锥形，便于插入孔中，管体上每隔150 mm 梅花形钻眼，眼孔直径为6～8 mm，尾部长度不小于300 mm 作为不钻孔的止浆段。结合本段地质条件及变形情况，径向注浆加固厚度3 m，注浆孔梅花形布置，间距1.0 m ×1.0 m(纵向×环向)，因变形段有少量渗水，注浆材料采用双液浆。

注浆小导管安装一根，注一根，不能为了方便连续安装，以免注浆浆液从后安装小导管流出，影响注浆效果，阻塞注浆管。注浆完成一根小导管，进行下根小导管钻孔，可以对上根注浆效果进行检验，以便及时调整注浆小导管间距和注浆参数。

5.2.3 刻槽并安装新钢架

钢架拆换不能直接拆除变形钢架换上新钢架，如此施工变相增加了钢架间距，隧道更容易塌方。应首先在需拆换变形钢架两侧刻槽，刻槽深度及钢架安装通过中线采用五寸台进行控制。刻槽采用风镐进行，氧气乙炔切割连接筋。然后安装钢架，但新安装钢架暂时不能全断面封闭成环，且无法坐落在坚实的基岩上，要及时施作锁脚锚杆，以防止钢架下沉或两底脚回收。之后拆除钢支撑，再拆除变形钢拱架。拆换钢架本着先拱部后边墙，先两端后中间，拆除一榀安装一榀的原则。

5.2.4 锚喷支护

上述工作完成后，要及时进行锚喷支护，使其初期支护尽早形成整体受力，发挥作用。

5.2.5 地表沉降处理

K34 +700 处右洞洞顶出现沉降开裂，受其影响，右洞边墙外侧土体也伴随不同程度的开裂。在洞顶沉降处上方增设截水沟，以防止雨水流入塌坑处渗进隧道，塌坑边界外2 m 设环形排水沟，并用砂浆抹面，与截水沟相连。对地表进行注浆处理，注浆强度达到80%后，再对塌坑分层夯实回填处理，回填至与地面线顺接后，再用500 mm 厚黏土层对塌坑及周边开裂处进行封闭堵水。

5.3 未开挖单侧薄覆盖层偏压段处理措施

5.3.1 方案比选

K34 +280 至K34 +267 段变形处理后，K34 +267 至K34 +230 段施工方案的选择尤为重要。方案1:在原设计CD 法施工的基础上，进一步增加中隔墙的强度，工字钢增加至22a，同时将右洞左右导坑分别分成上下台阶进行开挖，且每个台阶底部均设临时钢架或临时仰拱。方案2:在右洞左侧边墙外侧增加挡土墙，挡土墙内侧回填土，既增加了隧道侧面覆盖层厚度，又平衡了偏压力，经设计人员计算，挡墙施工完成后可以采用正台阶预留核心土法开挖。

综合比较两个方案，见表1。方案2 明显优于方案1，故选择方案2。

表1 方案优化比选费用及优缺点列表

5.3.2 施工工艺

采用方案2 施工主要工序见图3。

图3 右洞施工工艺流程

5.3.3 挡土墙施工

在传统护理职业偏见影响下，部分护生尤其是男护生在实习过程中可能产生自卑感。团体心理辅导是借助团体内人际交互作用，使团队内成员相互传递正能量的一种心理辅导方式[30]，不仅能最大限度地改善护生自尊水平，还能提高护生人际沟通能力[31]。教学医院及学校可通过组建实习生微信群、组织野外活动等方式，定期对实习护生开展团队心理辅导。

(1)挡土墙位置确定。本隧道为小净距隧道，左右洞测设线距离小于20 m。挡墙首先应满足左幅路基宽度、水沟及碎落台的要求，其次应保证墙背回填土方体积，以增加土压力，平衡洞顶偏压。综合考虑，挡土墙平面位置见图4。

图4 挡土墙平面位置示意图

(2)挡土墙形式选择。隧道洞口段严重偏压，故采用重力式挡土墙。其依靠圬工墙体的自重抵抗墙后土体的侧向推力(偏压土压力)，以维持土体的稳定。重力式挡土墙墙背形式多样，结合现场地形地貌及工程特征，采用仰斜墙背。仰斜墙背所受土压力较小，更有利于抵抗偏压力，墙背与开挖面边坡较贴合，易于排水，外形与洞顶边坡自然融合。

(3)挡土墙受力分析。隧道开挖活动造成隧道周边应力的重新分布，洞顶偏压压力一部分将通过初期支护，转移到边墙外侧土体，此部分正是挡墙墙背回填范围，墙后土体对挡墙形成水平推力。所以，挡土墙自重及墙后回填土自重均可有效平衡隧道偏压问题。而且，随着墙后填土宽度的增加，可平衡更大的偏压力［2］。

(4)挡土墙施工。与传统路基挡土墙施工方法类似。施工完成效果见图5。

图5 隧道完工效果图

5.3.4 隧道开挖

挡土墙施工完毕后，施工重心转移至隧道洞内。首先对先期施工长管棚变形超限部位，采取增加超前小导管作为辅助施工措施，待其注浆强度达到设计要求后，方可进行隧道开挖;然后施工方法由CD法转换成正台阶预留核心土法，将右洞左导坑继续施作至右导坑断面，开挖形成全断面，及时完成初期支护闭合，之后采用台阶法开挖。施工顺序:①上台阶拱部开挖;②拱部初期支护;③上台阶核心土开挖;④下台阶开挖;⑤边墙及仰拱初期支护;⑥完成初期支护后立即进行仰拱浇筑及仰拱填充施工;⑦浇筑二次衬砌。见图6。

图6 隧道开挖施工工序图

(1)挡土墙施工墙背回填与墙身混凝土浇筑应同步进行，加强墙背回填的质量控制，减缓来自洞顶偏压而产生的水平推力。

(2)小间距隧道由于两洞之间间距较小，当右洞施工至左洞洞口里程后，为尽量减小开挖放炮对洞室的相互影响，保证中间岩柱的稳定，左右洞掌子面错开距离应不小于30 m，先行洞二次衬砌应落后于后行洞掌子面不小于20 m。先行洞二衬仰拱和仰拱回填应紧跟下台阶。

(3)隧道开挖必须在施工辅助措施注浆浆液凝固后才能进行，开挖后应立即进行喷锚支护。做好钢架基础保护，防止钢架悬空。软弱地质地段，由于地基承载力差且受水浸泡、行车碾压等影响，极易造成钢架悬空，导致钢架下沉，钢架周围土体松散，最终表现为整个初期支护变形，甚至出现坍塌，所以做好钢架基础保护尤为重要。常用方法有:一是加设钢架基础连接纵梁，扩大开挖底脚;二是采用混凝土掺加速凝剂包裹钢架底部［3］。

5.3.6 实施效果

通过在隧道右洞左侧薄覆盖层偏压段外侧增设挡土墙，有效地解决了本隧道先期施工中遇到的拱顶沉降超限、地表下沉等问题，同时平衡了隧道上部偏压土体，消除了隧道支护变形的隐患，并且加快了施工进度，节约了施工成本，与线路左幅自然融合，线形美观。