马山顶隧道地表变形处治技术

王艳波

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

公路隧道进出口段由于埋深较浅，围岩软弱，地质条件差，如果施工方法不当，则会对地面变形造成较大影响[1]。目前隧道开挖方法大概分为以下几类：a）全断面法；b）台阶法，其中台阶法又分为长台阶法、短台阶法、超短台阶法；c）环形开挖留核心土法，也称三台阶七步开挖法；d）中隔壁法（CD法）；e）交叉隔壁法（CRD法）；f）双侧壁导坑法，也称眼睛法。除了上述的常规施工方法，国内外学者对隧道不良地质的施工技术进行了深入的研究，如徐兵结合茅山西隧道浅埋段，对明挖和盖挖两种施工方案进行了技术经济比较，并对盖挖法施工方案及施工工艺进行了介绍，实践证明，盖挖法节省了投资，缩短了工期，保护了环境[2]；黄成造等人针对特大断面隧道采用双侧壁导坑法施工时预留核心土的稳定性问题，提出一种新的隧道施工工艺——对拉锚杆，通过在实践中检验，认为该工艺在双侧壁导坑法施工中是可行的[3]。本文以某条在建高速公路隧道为背景，针对进口端地表沉降开裂采取相应的工程措施，以期对以后类似的工程提供参考。

1 工程背景

1.1 隧道基本情况

马山顶隧道为中隧道，穿越构造剥蚀低山丘陵区，为左右分离式隧道，隧道走向219°。左线隧道起讫桩号ZK32+047—ZK32+643，隧道长度596.0 m，最大埋深约107.6 m。右线隧道起讫桩号K32+048—K32+645，隧道长度597.0 m，最大埋深约107.6 m。隧道穿过构造剥蚀低山丘陵区，起伏较大，地面标高70.15～171.05 m，最大相对高差约100.9 m。山体植被茂密。两端洞口坡形较陡，最大坡角约45°～60°。

根据施工图工程地质调绘成果及钻孔情况，隧道进口为第四系残坡积粉质黏土和寒武系中统高滩组全-强风化泥质砂岩组成，强度低，结构面发育，结合差，碎裂状结构，若受地表水冲刷或坡脚开挖影响，易产生滑塌，稳定性较差。

1.2 进口端开裂情况

2016年10月24号隧道进口端左洞完成边仰坡开挖及支护；10月25号开始施做套拱；11月10号完成管棚打孔、安装及注浆；11月20号开始进行暗洞开挖，施工方法采用三台阶七步开挖法。由于进口段覆土层较薄（ZK32+065—ZK32+100范围内最大覆土高度为16 m），且地质情况为第四系残坡积粉质黏土及全风化泥质粉砂岩，12月8号，开挖ZK32+080上台阶时，地表出现第一处裂缝，裂缝最大宽度约为5 cm，仰坡喷射混凝多处剥落；洞内开挖中台阶时，由于拱架基础悬空，造成拱顶及拱腰部分初期支护开裂及剥落，裂缝走向与路线纵向垂直。

图1 全风化泥质砂岩

图2 地表裂缝

图3 仰坡喷射混凝土剥落

图4 初期支护剥落及开裂

图5 隧道进口端左洞地表下沉观测点布置图

根据监测结果显示：12月13日马山顶进口端地表下沉累计最大值116.7 mm；12月15日上午11时天沟上方出现3条裂缝，地表下沉累计最大值246.2 mm，拱顶（ZK32+070）累计下沉 135.8 mm；12月16日，地表下沉累计最大值255.6 mm，进口端拱顶（ZK32+070）累计下沉211.5 mm；12月17日，地表下沉累计最大值257.1 mm，进口端拱顶（ZK32+070）累计下沉211.9 mm，组织人员割除进口端地表草、标记裂缝；12月18日，进口端拱顶（ZK32+070）累计下沉212.9 mm；12月19日进口端拱顶（ZK32+070）累计下沉218.2 mm。

2 隧道进口端专项勘察方案

针对隧道进口管棚施工完毕后隧道顶部地表裂缝，拱顶下沉，对其进行补充勘察。勘察工作遵照“勘察技术要求”规定和工作程序进行，广泛收集利用已有资料，调查测绘工点路段所属工程地质单元的地质环境特征。对地质覆盖层较薄处以挖探井为主；对覆盖层厚度较大处以钻探为主。综合分析后提供工点调查报告。

2.1 地质描绘

在详细勘察工作的基础上，对工点进行专项地质调绘。复核岩层产状，重点调查边坡现场破坏行迹、裂缝性质。同时搜集隧道施工过程，以及施工过程中出现的不稳定现象，为隧道破坏模式提供依据。

2.2 地质钻探

在地质调绘的基础上，按照边坡的地质勘察要求，本次勘察布置并完成钻孔11个，布置横断面3条（1条主剖面和2条辅助剖面），详见图6。通过钻探查明：

a）地层风化分界线，岩层分布情况，为下一步处治设计提供依据；

b）布置测斜管和地面监测点，查明隧道变形情况。

图6 隧道进口端左洞地表下沉观测点布置图

2.3 综合分析

分析地质调绘成果，初步为隧道变形定性；结合地质钻探成果和监测成果，明确变形原因；提出处治建议。

3 地表裂缝处治方案

3.1 预加固措施

由于马山顶隧道进口端左洞为粉质黏土及全强风化泥质砂岩，且含有少量水分，围岩承载力较低，施工单位刚进洞时已将原设计的上下台阶留核心土法调整为上中下三台阶七步开挖法，并将每环8根φ22药卷缩脚锚杆调整为每环16根φ 42缩脚注浆小导管，但初期支护仍有较大沉降。考虑到围岩的软弱性，采用地表注浆对隧道进行预加固。注浆采用φ 42热轧无缝钢管，壁厚4 mm，管口段0.5 m范围内钢管不开孔，其余部分按15 cm间距交错设置注浆孔，孔径8 mm，小导管长度为隧道开挖外轮廓50 cm至地面的垂直高度。地表注浆宽度为拱脚以上45°范围内，长度为ZK32+070—ZK32+120。

在地表注浆过程中，首先按照1.0 m×1.0 m的间距梅花型布置钻孔，然后利用钻机进行钻孔，钻孔后进行孔位检查，然后埋设导管，对导管进行注浆。小导管注浆压力建议为0.5～1 MPa，注浆过程中注浆压力应逐级缓慢提升，当地下水较大时则压注水泥-水玻璃浆液，水泥浆水灰比1∶1，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5，水玻璃浓度35波美度，注浆压力不变。

对于洞身段的软弱围岩，对原设计的XS-Ⅴa型衬砌进行加强，未开挖的掌子面拱架间距由60 cm改为50 cm，其余支护参数不变；超前支护由原设计的4榀一环调整为3榀一环，即纵向间距调整为1.5 m，每环仍为37根，间距40 cm；锁脚锚杆由原设计一榀8根3.5 mφ22药卷锚杆调整为一榀16根3.5 mφ22药卷锚杆；对于已经施做初期支护的段落（ZK32+070—ZK32+080段），每3榀施做一环，即纵向间距调整为1.8 m，每环仍为37根，间距40 cm；对于仰拱底部，先进行标贯，如承载力无法满足要求，进行注浆加固。

3.2 开挖工法

虽然三台阶七步开挖法可将整个隧道分为上中下3个台阶，并且每个台阶分为左右两个部分开挖，但由于中间核心土的存在，无法使初期支护尽早闭合成环，对减少地表沉降方面作用有限。结合马山顶隧道的实际情况，建议将三台阶七步开挖法优化为交叉中隔壁法（CRD法），交叉中隔壁法能够有效地减小掌子面开挖跨度，使隧道的开挖掌子面由扁平改为竖高，并且由于临时仰拱的存在，能够让初期支护闭合成环，因此可有效地减少地表沉降，保证施工安全。图7为交叉中隔壁法施工步序。

图7 交叉中隔壁法（CRD法）

3.3 其他措施

由于隧道洞口端地表出现多处裂缝，为防止雨水下渗，造成更大裂缝甚至土体大面积滑塌，将对出现裂缝的地面进行夯实，然后用水泥砂浆填实，最后对地表注浆范围进行喷射混凝土封闭处理。此外，在原截水天沟上游5 m处增设一道截水天沟，以保证截水效果。

4 地表处治效果及结语

本文以马山顶隧道为工程背景，通过地表注浆及CRD开挖工法，顺利通过进口浅埋段软弱围岩。主要结论如下：

a）采用上述方法注浆后，地表下沉得到有效抑制。第三方监控结果显示，地表累计沉降量及沉降速率明显减少。地表注浆处治后，通过对注浆范围内土体进行钻芯取样，隧道开挖外轮廓范围外围岩整体性及稳定性良好。

b）CRD开挖工法由于中支撑的存在，将隧道一分为二，使隧道的断面形状由扁平变为竖高，有利于结构受力；并且设置了临时仰拱，使初期支护能够尽早成环，在抑制地表沉降方面要优于其他开挖工法。因此对于隧道进出口浅埋段、软弱围岩及对地面沉降要求较高的段落，建议采用CRD法。

c）隧道进出口边仰坡的地表水及隧道内的裂隙水，对隧道结构的安全影响较大。因此，在开挖明洞之前，一定要做好洞顶截水天沟的铺砌；洞内掘进时，必须设置临时排水设施，保证初期支护的稳定。