西部某山岭隧道洞口偏压段大变形处理实践

尤鸿波,胡建华

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)

西部某山岭隧道洞口偏压段大变形处理实践

尤鸿波,胡建华

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)

以西部某山岭隧道洞口偏压段大变形为例，结合现场施工情况及地质调研，对大变形原因进行分析，并提出了相应的处理措施。应急处理措施包含设置临时钢支撑、洞渣回填护脚、补打注浆小导管加固围岩等；永久处理措施包含对初期支护换拱、加强二衬配筋、设置明洞等。工程实践中，通过监测数据验证了处理措施的合理性。最后，结合工程经验及教训，对洞口偏压段施工提出若干建议。关键词：洞口偏压段；大变形；原因分析；处理实践；监测

1 工程简介

1.1 隧道概况

巴斗罗隧道位于西部某水电站进场专用公路K11+328 m～K12+215 m处，隧道全长887 m(含明洞)。

隧道建筑限界为8.5 m(限宽)×5.0 m(限高)最大开挖跨度为10.8 m，最大开挖面积约89 m2。

1.2 工程地质条件

隧道出口段山体为斜坡地貌，洞口处有一浅切冲沟，植被较发育，山体自然坡度45°～50°。地表薄层残坡积(Q4)块碎石土覆盖，以稍密～中密为主，厚度约0.6～2.0 m，可见强～弱风化岩出露，岩性以绢云母板岩(T3zh)、砂质板岩(T3z)为主。层理产状N5°～15°E SE∠50°～60°，层面多微张，层面较光滑，铁锰质渲染。地表岩体强卸荷，局部有倾倒变形现象。

出口段洞内围岩岩性为强风化绢云母板岩、砂质板岩，呈2～5 cm薄片状，局部碎块状。围岩层理发育，其走向与洞轴线大角度相交，角度60°～70°，倾向洞内。

1.3 施工过程及变形情况

根据施工组织，巴斗罗隧道采用双向掘进，出口端的施工过程如下：

(1) 2013年7月8日，出口端进洞，进洞桩号为K12+198.3 m，围岩级别为Ⅴ级，按照Ⅴ级围岩洞口偏压段进行施工。

(2) 8月10日，出口端掌子面掘进至K12+174 m。根据监测数据反映，临近掌子面区域拱顶最大累计下沉值为30 mm，周边最大累计收敛值为19 mm。初期支护出现环向裂缝，地表(开口线外约10 m)出现宽约10 cm的裂缝。因承包商暂不具备施工二衬的条件，现场在K12+177 m～K12+198 m段初期支护内侧增加I16型钢拱架进行加强，新增钢拱架设置于既有两榀钢架中间。为避免雨水通过裂缝渗入地表，对地表裂缝进行封闭处理。

(3) 11月6日，出口端掌子面掘进至K12+005 m处。K12+160 m～K12+198.3 m段在完成底部台阶开挖后，K12+165 m～K12+195 m段路线左侧(靠江侧)初期支护钢拱架发生快速的收敛变形，变形量约35～40 cm，左侧初期支护喷混凝土出现环向裂缝，局部喷混凝土剥落。与此同时，隧道出口仰坡喷射混凝土出现开裂、鼓包、局部剥落，前期已有的洞顶地表裂缝宽度进一步增大，并新增2道地表裂缝。根据承包商对地表位移监控点的监测数据反映，测点累计水平偏移量为17 cm，累计下沉量为31 cm，地表裂缝范围和地表位移方向见图1所示。现场情况详见图2～4所示。

图1 隧道出口地质平面图 单位：m

图2 隧道出口全景图

2 变形原因分析

结合现场施工情况及洞内外地质调研，各方对初期支护钢拱架挤压变形及地表开裂现象进行了原因分析。分析认为原因包含地质、地形条件以及施工3方面因素[1]。

图3 新出现的地表裂缝图

图4 K12+165 m～K12+195 m处变形情况图

2.1 地质因素

出口段围岩为强风化、强卸荷的砂质板岩、绢云母板岩，岩体呈薄片状，局部碎块状，围岩级别为Ⅴ级，自稳能力差。

2.2 地形因素

洞口段左侧拱肩覆土最小厚度仅为10 m，偏压严重。在隧道工程建设中，偏压荷载容易对施工造成不利影响[2]。

2.3 施工因素

现场施工不规范，主要体现在以下方面：

(1) 二次衬砌滞后进洞时间较长；

(2) 下台阶开挖过程，一次性开挖纵向长度过长，初期支护仰拱未能及时封闭成环,不能保证隧道整体结构的稳定性[3]。

(3) 型钢拱架落脚不稳或脱空，钢架接头连接不规范，导致型钢拱架的刚性支护作用打折。

(4) 洞口偏压段左侧(靠江侧)小导管注浆加固效果与设计预期相差较大。

(5) 洞口开挖后，仰坡较高，存在较大临空面，但未能及时进行明洞施作及洞顶回填。

由于施工中支护未能及时封闭成环，致使支护强度不足抵抗围岩压力，拱架产生较大的挤压变形，喷射混凝土多处开裂、剥落。洞内围岩的变形导致岩层在重力的作用下，向临空面方向弯曲、折裂，产生地表裂缝，即倾倒破坏[4-5]。

3 处理措施

3.1 应急处理措施

为保证隧道施工期安全稳定，现场采取了应急处理措施，详见图5，步骤及要求如下：

图5 变形应急处理措施示意图 单位：cm

(1) 暂停出口端掌子面的爆破、开挖，撤出人员、机械[4]。

(2) 对K12+160 m～K12+198 m段采取洞碴压实回填。待回填至设计高程以上75 cm高度时，增设临时I16型钢横撑及纵向临时I16型钢，横撑与既有初期钢拱架及纵向型钢进行顶紧焊接。

(3) 对K12+160 m～K12+198 m段进行二次压实回填，使偏压侧洞碴回填高度至现初期支护挤压变形最大处，回填宽度L及高度可根据现场实际施工条件进行适当调整。

(4) 对K12+165 m～K12+177 m段采用第2层临时环向I16型钢拱架进行临时加强，钢拱架与已有横撑钢架进行焊接。必要时应增加斜向钢支撑。

(5) 靠江侧拱墙范围重新施作径向注浆小导管[6-8]。

(6) 密切关注此段初支表观变化，加强洞身变形段及对应地表的沉降监测[9]。

3.2 永久处理措施

为保证隧道运行安全，采取如下永久处理措施。

(1) 引截地表水

为避免降雨期间地表水通过裂缝进入边仰坡深层土体，要求采用不透水土壤对裂缝进行紧密夯填，对喷混凝土脱落处进行挂网补喷；在洞口仰坡开口线5 m外结合实际地形条件完成截水沟施作[10]。

(2) 洞口设置明洞

因洞脸、仰坡临空面较大，为保证洞口仰坡稳定及洞口安全，应尽快采用钢模台车施作洞口明洞衬砌及M10浆砌片石回填，利用明洞回填对洞口仰坡进行反压[2]。根据现场地形，明洞设置范围为K12+198.3 m～K12+215 m，总长约17 m。明洞回填设计图详见图6。

图6 隧道出口明洞回填设计图 单位：m

(3) 洞内换拱处理

由于初期支护大变形导致拱架侵入二衬范围，为保证二衬厚度，在应急处理措施完成后且洞身变形收敛条件下，采取了换拱处理[8,11]。换拱中严格按照“拆除1榀钢架，重新安装1榀工字钢”的原则执行[12]。具体步骤如下：

1) 每次用风枪凿除1榀拱架初期支护，按设计开挖轮廓线人工凿除欠挖部分围岩，割除侵限部分工字钢拱架、钢筋网片及纵连接筋。

2) 按设计要求挂设钢筋网，重新架设拱架并进行可靠连接，然后喷射混凝土，完成一次换拱循环。待喷射混凝土强度达到要求后，再施作下一榀变形钢架的换拱工作。

3) 每次换拱完成3～4 m后采用钢模台车施作钢筋混凝土二衬[12]。

换拱完成后，K12+160 m～K12+198.3 m段隧道支护参数详见图7。

(4) 加强二衬配筋

为提高变形段及影响段混凝土二衬的纵向强度和刚度，将K12+150 m～K12+198.3 m段二衬的纵向钢筋由B12调整至B22。

图7 变形段永久衬砌结构图 单位：m

3.3 位移监测方案

(1) 位移监测程序

位移监控量测的目的在于监测围岩变形情况，提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据。通过对量测数据的分析处理，掌握地层稳定性变化规律，预见险情，作为调整支护参数及施工方法的依据，提供围岩和支护衬砌最终稳定的信息[13]。

根据现场量测数据绘制位移-时间曲线图，在位移-时间曲线趋于平缓时进行回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律，回归分析为建立下沉量(U)随时间(T)发展的时态函数，根据测点位移变化速率判断围岩稳定状况，当隧道周边变形趋势有明显减缓趋势，则说明隧道变形基本处于稳定状态，当变化速率过快、过大，或当位移-时间曲线出现反弯点时，说明位移出现反常的急剧增加现象，表明围岩及支护已呈不稳状态，应及时加强支护并停止其他作业。

(2) 位移监测要求

考虑到变形段初期支护变形量较大且处于Ⅴ级围岩洞口偏压段，因此在应急处理阶段、换拱阶段至二衬浇筑前，应加强初期支护及地表变形观测，及时对监测数据进行分析。

根据类似工程经验及相关规范要求，应急处理阶段及换拱阶段，洞内量测断面纵向间距按5 m设置，量测频率按2次/d进行。

现场隧道洞内布置的位移监测断面共有8处，位置分别为K12+160 m、K12+165 m、K12+170 m、K12+175 m、K12+180 m、K12+185 m、K12+190 m及K12+195 m。变形段对应地表设置1处地表位移观测点。

4 处理措施现场验证

为了验证处理措施是否安全合理，现结合承包商提供的监测数据进行分析，得到以下成果和结论。

4.1 应急处理后变形情况分析

2013年11月12日，承包商完成了临时横撑钢架加固及洞碴反压回填。截至11月25日，洞内各断面收敛速率和下沉速率及地表水平位移速率和下沉速率均小于1 mm/d(见图8～13)，远远小于采取应急措施之前的变形速率，并逐渐变小；同时各断面水平收敛和顶拱下沉及地表位移值趋向收敛，隧道初期支护及地表变形均处于稳定状态。

图8 各断面水平收敛曲线图

图9 各断面拱顶下沉曲线图

图10 各断面水平收敛速率曲线图

图11 各断面拱顶下沉速率曲线图

4.2 施工控制效果

由监测结果分析可知，采取应急措施后，洞口偏压段变形得到有效控制，洞内及地表的变形量和变形速率均明显减小，确保了隧道施工安全，见图14。

图12 地表位移曲线图

图13 地表位移速率曲线图

图14 隧道洞口现状图

截至目前，隧道已经投入使用2 a，其大变形段衬砌及出洞口边、仰坡均未出现异常现象，证明所采取的处理措施是科学、合理的。

5 结 语

(1) 通过对巴斗罗隧道出口段施工情况、地质情况的现场调查，分析认为隧道洞口段大变形的原因包含地形、地质及施工3方面因素。

(2) 为保证隧道施工期安全，现场采取对大变形段增设临时横撑[14]、环向临时型钢，洞碴回填压实护脚，在偏压侧补打径向注浆小导管加固围岩等应急措施控制变形发展。

(3) 为保证隧道结构运行安全，现场对侵限的初期支护进行了换拱处理，保证二衬厚度；在洞口外设置17 m长的明洞，利用明洞上方回填对洞口仰坡进行反压，促使洞口边、仰坡稳定。

(4) 监控量测对于正确判断隧道围岩稳定性发挥了重要的作用。通过对变形段的量测数据分析，表明在采取应急措施后，隧道围岩及山体的快速变形得到了有效控制[11]。

(5) 本次大变形处理虽达到预期的效果，但增加不少工程费用。为降低工程造价及减少工期延误[15]，根据本工程经验、教训，建议在软弱围岩洞口偏压段施工中注意如下事项：

1) 明洞及洞顶回填宜及早施作，隧道采用爆破开挖时，宜在洞身掘进适当距离后施作明洞；非爆破开挖时，宜先施作明洞，然后开挖隧道;

2) 重视偏压侧注浆小导管的施工质量；

3) 洞口段仰拱应紧跟下台阶施作，及时闭合构成稳固的支护体系，二次衬砌尽早施作;

4) 尽量采用控制爆破，减少对围岩的扰动[16];

5) 施工过程中应通过监控量测掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全[1]。

[1] 孙洋,陈建平,余莉,等.浅埋偏压隧道软岩大变形及施工控制分析[J].现代隧道技术,2013,50(05):169-176.

[2] 周运祥.强风化砂岩地区浅埋偏压隧道病害分析及整治[J].铁道标准设计,2015,58(04):79-83.

[3] 徐一鸣.浅埋偏压隧道顶拱持续下沉控制技术[J].城市轨道交通研究,2013,16(07):92-94.

[4] 邹正明.富溪连拱隧道出口变形倾倒体仰坡治理工程[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2006 ,29(12):1556-1559.

[5] 邓尚平,傅鹤林.板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理[J].采矿技术,2003 , 3(01):49-51.

[6] 段方情,张可能,胡新红,李小林,冯兴发.某偏压隧道洞口段施工出现的问题及处理[J].西部探矿工程,2008, 20(05):150-152.

[7] 王伟,杨转运,易丽云,刘会.浅埋偏压隧道口的软弱围岩综合加固处治研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2010,29(05):697-700.

[8] 戴桂华,王木群.刘家院子隧道换拱方案设计研究[J].公路工程,2013, 38 (04):133-136.

[9] 王禹.复杂条件下不良地质围岩公路隧道开挖施工[J].西北水电,2009(05):28-31.[10] 陈涛.泽溪坂1#隧道洞口边坡溜塌及初期支护裂缝综合处治对策[J].湖南城市学院学报(自然科学版) ,2013(01):29-34.[11] 张兴来,钟云健.公路隧道衬砌换拱技术探讨[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2008,27(z1):910-916.

[12] 潘江元,杜鑫,李茂廷.隧道初期支护换拱工艺[J].公路,2012(12):221-223.

[13] 中华人民共和国铁道部.铁路隧道监控量测技术规程:TB 10121-2007 [S].北京:中国铁道出版社,2007.

[14] 周嘉宾,张小旺,侯腾飞.浅埋偏压隧道洞口段支护变形分析与控制[J].地下空间与工程学报,2012,08(z1):1411-1417.

[15] 汪宏,蒋超.浅埋偏压隧道洞口塌方数值分析与处治[J].岩土力学,2009,30(11):3481-3485.

[16] 刘明生.硗碛电站坝区软弱破碎围岩隧洞开挖施工[J].西北水电,2007(03):51-55.

Treatment Practice of Big Deformation at Biased-pressure Section of Mountain Tunnel Inlet

YOU Hongbo, HU Jianhua

(Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China)

With the big deformation at the biased-pressure section of the mountain tunnel inlet and in combination with the construction conditions at site and the geological survey, causes for the big deformation are analyzed and the treatment measures are proposed accordingly. The emergent treatment measures include installation of the temporary steel arch support, support foot backfilled with excavated debris; surrounding rock reinforced by grouting with small ducts, etc. The permanent treatment measures include replacement of the arch of the initial support, reinforcement increment of the final lining, provision of the exposed tunnel, etc. Rationality of the treatment measures are verified by the monitoring data during the construction practice. Finally, comments on the construction at the biased-pressure section of the tunnel inlet are provided according to the engineering experience and lessons.Key words: biased-pressure section at inlet; big deformation; cause analysis; treatment practice; monitoring

1006—2610(2016)06—0012—05

2016-07-18

尤鸿波(1985- )，男，福建省晋江市人，工程师，从事隧道及地下工程设计与管理工作.

TU45;TV223.31

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.004