浅谈不良地质区浅埋隧洞的开挖支护设计

文/曹彦斌 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 湖南长沙 410014

谢洁方 湖南有色金属职业技术学院 湖南株洲 412000

李亦桉 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 湖南长沙 410014

某国家石油储备地下水封洞库工程位于广东省湛江市，设计库容500 万方。库区内工程由地下结构工程、地上生产区及辅助生产设施等组成，其中地下工程主要由主洞室群、竖井、水幕系统及施工巷道组成。施工巷道共布置3 条城门洞型主施工巷道，净断面尺寸为9.0m×8.5m（宽×高）。

工程于2014年12月开工，主③施工巷道总长约1.1km，主③0-150.000m～主③0 ±000m 段为不良地质区浅埋段，地形地质条件较复杂，施工难度大。本文对设计思路及过程进行探讨，并提出合理设计方案。

1、地质条件

主③施工巷道典型浅埋不良地质区有以下主要两段：

（1）桩号主③0-150.000m～主③0-060m 段为“半土半石段”，埋深约为15m～20m；洞室顶部主要为残积砂质粘性土，局部为全风化片麻状花岗岩，可塑～硬塑，遇水易软化、崩解；洞底主要为中风化片麻状花岗岩，洞室围岩主要为V 级岩体。残积砂质黏性土为含水层，地下水位线位于洞顶6m～10m 以上。

（2）桩号主③0-060.000m～主③0 ±000m 段为“全土洞”段，隧洞埋深约为11m～13m，小于一倍洞径。巷道右侧冲沟宽阔。洞室顶部为残积砂质粘性土和全风化片麻状花岗岩，可塑～硬塑，遇水易软化、崩解；洞室底部为全～强风化片麻状花岗岩，洞室围岩主要为V级岩体。地下水位线位于洞顶6m～10m 以上，残积砂质黏性土和全～强风化片麻状花岗岩为含水层，全风化在地下水位以下。

2、设计思路

按照新奥法进行隧洞设计,设计分为两个阶段：施工前预设计阶段和信息反馈修改设计阶段。设计的主要方法是：工程类比法,再通过现场监控量测确认和修整，遵循“管超前、禁爆破、短进尺、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则组织施工。

3、施工前设计

本段隧洞上覆厚度约为11m～20m，按照浅埋隧洞进行设计。参考类似工程的成功经验，采取地面垂直注浆、大管棚、小导管预注浆等多种辅助措施加固围岩土体，设计方案简要说明如下：

（1）洞室开挖前先从地表钻孔（φ100），对洞室两侧土体进行注浆加固，范围为桩号0-150m 至0+000m，每侧各2 排，间排距为2m，最内侧一排距离巷道外侧开挖边线1m，孔底位于巷道开挖底板以下不少于2m。

（2）完成地表注浆后即进行大管棚施工，大管棚采用φ133 ×6mm 钢管，长度20m，布置范围为侧墙上半部和顶拱，间距0.4m。开挖至桩号0-122.644m 处脱离大管棚范围后，在隧洞顶拱范围内采用超前小导管预注浆，小导管采用φ50 ×3.5mm 钢管，长度4.5m，环向间距0.4m，轴向间距3m。

（3）开挖完成后即初喷C25 混凝土厚0.05m，砂浆药卷锚杆φ25@1m×1m，钢筋网φ8@0.15m×0.15m，钢拱架I18@0.5m，喷C25 混凝土厚0.2m。初期支护完成后进行即进行衬砌混凝土施工，厚度为0.5m，为C25 混凝土。

（4）监侧点沿隧洞纵向拱顶和墙中部每5m各设一个测点,监测拱顶下沉及收敛；地表下沉监测点沿底板中线每5m 设一个。

4、现场信息反馈及相应设计方案调整

4.1 桩号主③0-060.000m～主③0±000m 段支护方案的调整

隧洞开挖过程中，实际开挖揭露的地质条件与地勘单位提供的地质资料相差较大，在开挖主③0-150.000m～主③0-060m 洞段的过程中，发现基岩面随着掘进的深入有降低趋势，经补充勘察验证，桩号主③0-060.000m～主③0 ±000m 段为“全土洞”段。

为降低开挖支护过程中顶拱塌方的风险，对该段增加顶拱管棚措施，管棚采用φ89 钢管，长度10m，环向间距0.4m；为防止支护失稳，避免结构整体下沉，在底部增设仰拱，并与支护结构连接闭合成环，形成整体。

4.2 主③0-030.000m～主③0-020.000m 岩脉及地表沉陷处理

根据监测资料，主③0-030.000m 桩号、主③0-030.000m～主③0-020.000m 段地表沉降达15cm，巷道两侧的钢管桩向内变形，施工中管棚渗水量达14L/min，开挖上台阶时出现过顶拱坍塌的现象。为加固洞顶土体，堵塞大的渗水通道及可能存在的空腔，减小地表沉降对巷道开挖带来的安全风险，在该段地表进行固结灌浆，采用φ89＊4.5mm 钢花管注浆加固，间距2m×2m，沿洞径范围布置，孔深距巷道中管棚以上30cm。在实际开挖该段巷道的过程中，根据监测资料，该段地表沉降趋于稳定，顶拱固结效果达到预期。

4.3 施工过程中隧洞变形量较大

根据监测资料，巷道已开挖和临时支护完成的洞段顶拱沉降较大，最大累计达20cm，两侧直墙收敛明显，中下台阶分界处最大累计达30cm。现场要求施工单位做出以下措施：加强钢拱架底脚的支撑，设置水平槽钢、增加锁拱锚杆等，同时避免支撑脚坑洼积水；在变形较大处增设随机支护措施等，加快仰拱与二衬的施工进度，严格根据《隧道安全施工九条规定》及相关规范要求控制各工作面之间的间距。在采取以上措施后，巷道变形趋于稳定。

5、小结与思考

（1）不良地质区浅埋隧洞是一种特殊条件下的隧洞,设计时应充分认识其特点,根据其特点和运行工况慎重选择支护类型和参数及辅助施工措施。

（2）不良地质区浅埋隧洞设计时，做好施工前地质调查；施工过程中，及时察看隧洞围岩情况,收集、整理和分析现场地质情况和监控量测信息,以确定预设计是否合理,并根据实际情况，及时修改设计参数。

（3）主③施工巷道开挖后，顶拱及边墙变形值均较大，要求在施工过程中应严格按照相关规范及设计要求施工，减少掌子面暴露时间，及时支护稳定后进行下一循环的开挖，同时，应协调好二衬施工与掌子面掘进之间的干扰。

（4）该洞段变形量较大，使衬砌混凝土无法按照设计要求的尺寸施工。在后续设计及其他类似工程中，在不考虑现场施工因素的情况下，应如何尽量避免因水文、地质等客观条件引发的隧洞变形，值得探讨。