公路隧道工程中的浅埋地段施工技术研究

谭克宁

摘要：隧道工程浅埋段施工过程中的防塌施工技术至关重要，需做好相关辅助施工、监控量测、超前预报与施工技术研究工作。文章分析了公路隧道浅埋段施工技术方案，并以广西平田隧道工程为例，介绍了浅埋段施工情况。

关键词：公路隧道;浅埋地段;技术研究;平田隧道

The anticollapse construction technology during the construction of shallowburied tunnel section is very important，which requires good research work of related auxiliary construction，monitoring measurement，advanced forecasting and construction technology.This article analyzes the construction technology scheme of shallowburied highway tunnel section，then，with Pingtian Tunnel project in Guangxi as the example，it introduces the construction situation of shallow buried section.

Highway tunnel;Shallow buried section;Technical research;Pingtian Tunnel

0 引言

对于公路隧道施工而言，穿越浅埋地段是一大重难点，一旦不慎极易出现涌水涌泥现象，甚至引发塌方等地质灾害，不仅影响隧道工程施工的顺利开展，更是无法保证施工人员的人身安全。因此，在隧道施工前应对隧道工程浅埋地段的工程地质、施工的设计方案和相关辅助性施工等所有情况都必须进行详细研究，选用合适的施工方案与相关辅助施工措施进行施工，同时规范好监控量测，做好准确的超前地质预报及可能产生的涌水的堵水预案，确保施工安全，并达到预期施工目标。

1 公路隧道施工中做好浅埋段施工的重要性[HS）][KG2]

对于公路隧道工程来说，确保其施工安全的一个重要因素就是要保证浅埋段的施工质量。随着经济的发展，我国交通结构变得越来越复杂，类似于浅埋施工的隧道下穿公路的工程也非常广泛。相对于其他普通隧道工程来说，浅埋段的施工难度较大，若不能保证其施工质量和施工安全，容易出现地表下沉和地面塌陷的问题。同时还需保证设计方案的合理性，避免出现隧道沉陷、开裂，甚至出现通天陷坑等问题，这不仅会影响到施工工期，还会严重威胁到交通安全。

2 浅埋段施工方案

隧道工程浅埋段洞身开挖除根据围岩等级选择合适的施工方案外，还应该选择合适的辅助施工措施，规范监控量测，做好准确的超前地质预报及做好可能产生涌水的堵水预案，才能确保浅埋段的施工质量和安全。

2.1 浅埋段不同围岩等级的洞身开挖施工方案

对Ⅴ级围岩较好地段采用环形开挖预留核心土法施工。环形开挖进尺以0.5～1 m为宜，核心土及下部开挖之前，应注重拱部的初期支护保护，确保施工的安全性。下台阶一般落后于核心土5～10 m开挖。遇到软弱围岩地段，为防止沉降过大而出现质量安全事故，现场主要采用预留核心三台阶分部开挖法或CD法施工，开挖方式主要以机械开挖为主，并辅以减弱松动爆破进行开挖作业。主要的承载结构设计就是二次衬砌，所以在施工过程中应注重二衬工艺流程的紧凑合理。通常二衬施工按照“初期支护→衬砌拱仰→回填层→衬砌”的流程进行作业。二次衬砌施工过程中所应用的是整体模板台车机械化及混凝土配套施工，以便于其施工质量能够实现内实外光。

Ⅳ级围岩施工中，短台阶法的应用较为普遍，其能实现对台阶长度值的有效控制。通常短台阶法的阶长保持在10～15 m。在短台阶围岩二衬施工中，应对基础锁脚和上半断面锚杆进行施工控制，确保其能实现对衬砌荷载的有效承担。此外，Ⅲ级围岩施工也会采用台阶法进行施工，而且在条件允许的情况下，全断面法在三级围岩施工中的应用也较为普遍。

2.2 辅助施工措施

为确保隧道施工便捷化，还可在超前长管棚应用的同时，进行小导管、双层小导管和锚杆的应用。

（1）超前长管棚：在Ⅴ级围岩洞口应用比较广泛。其通过注浆使得围岩自身承载能力得到有效提升，促进岩体对结构弹性抗力的提升，有利于对结构受力条件的改善，从而有利于施工进洞安全。在衬砌拱部设置钢管，但是管心与衬砌设计外轮廓线之间的间距值应>25 cm，布置于与路面中线平行的位置。钢管偏离设计位置的施工误差应控制在20 cm以内，沿着隧道纵向统一横断面内的接头数量应≤50%，相邻的钢管接头数量至少要错开1 m。为了促进钢管刚度的提升，在完成注漿之后，用来填充的水泥砂浆为M30;为了确保钻孔方向，在明洞衬砌外部设置60 cm的C25的钢架混凝土套拱，套拱的纵长值为2 m。将钻进中的下垂考虑在内，确保钻孔方向与钢管设计方向上偏2°～3°，并通过仪器测量之后再确定方向。在钻进过程中，还必须得借助测斜仪对钢管的偏斜度进行测定，若是发现其偏斜可能超限，应对其及时进行纠正，从而防止对隧道开挖及支护产生影响。

（2）超前双层小导管：在Ⅴ级围岩土质地层段施工中比较常用。其借助于注浆促使围岩自身承载能力的提升，有利于岩体对结构弹性抗力的提升，更有利于其结构受力条件的改善。超前小导管施工时，内排钢管从拱架腹中穿过，以10°～15°外角打入围岩，钢管环向间距为40 cm;外排钢管从钢拱架背部以30°外角打入围岩，钢管环向间距为40 cm。钢管尾部与钢拱架焊接牢固，前后两排纵向搭接长度≥1.0 m。超前小导管注浆采用水泥浆液，当遇到地下水出露严重地段，可适当添加水玻璃调节凝结时间，保证注浆质量。

（3）超前小导管：设置在隧道洞内无长管棚支护的Ⅴ级围岩洞身段、破碎带及岩体呈中、薄层状结构或裂隙块状结构的Ⅳ级围岩段及紧急停车带Ⅳ级围岩地段。就其材质及设置规格而言，小导管采用无缝钢花管，且外径和壁厚应分别为42 mm和4.0 mm;钢花管环向间距应保持在40～45 cm，外插角控制在12°左右，设置于衬砌拱部约120°范围。超前小导管注浆采用水泥浆液，注浆参数可通过现场试验适当调整。

（4）超前锚杆：在Ⅳ级围岩拱顶比较完整的地段采用。在实际操作过程中，依据岩体结构面产状来确立锚杆方向，坚持尽可能促使锚杆穿透更多结构面的基本原则，将外插角控制在12°左右。所采用的粘接材料为早强砂浆。对于每排锚杆的纵向搭接长度也有要求，一般控制在1 m以上。

2.3 规范监控量测

（1）由于隧道工程岩土材料物理力学特性的复杂性和特殊性，为了能够对隧道施工时的围岩支护变形、受力、稳定程度、力学信息等予以全面掌握，对施工经济性、安全性、设计合理性进行判断，在隧道开挖施工完成之后，应立即进行布点并严密监测，及时分析监测数据，对开挖过程中支护结构的围岩的力学形态及支护结构变化规律予以及时掌握，并对围岩及支护结构的稳定性进行评估，从而在获取隧道施工相关信息的同时，实现对支护参数的有效调整。从监测结果来看，其能在确保隧道支护结构稳定性的同时，实现对施工安全的有效保证，并在此基础上确定和调整隧道结构的支护方式及施工方法，从而达到反馈设计、指导施工的目的，以体现动态设计和信息化施工的指导思想。根据隧道的实际情况，监控量测可分为洞内监控量测和地面监控量测两大类。对于隧道工程浅埋段的地面监控量测，其必测项目有以下2项：①地表观察：对地表地质、水文进行日常观察和对地表异常进行观察;②地表下沉：在地表设点观测，根据地表下沉量判断开挖对地表下沉的影响，确定隧道支护结构。洞内监控量测必测项目有以下3项：①洞内外地质与支护状态观察：观察在每次开挖后进行，对喷射混凝土效果、地下水情况及断层形态、分布、节理裂隙和围岩风化变质、围岩变形、工作面状态等予以全面观察;还包括已支护地段的围岩、喷射混凝土、锚杆和钢架等的工作状态。②周边位移：主要通过布点量测，掌控隧道断面两侧洞身围岩挤压位移收敛情况。③拱顶下沉：拱顶下沉量测应与周边位移水平收敛量测在同一量测断面内进行，采用水准仪测定下沉量，了解隧道断面的变形状态，判断隧道拱顶稳定性。

（2）对浅埋段监控量测的基本要求

①监测单位在实际工作中，应结合设计要求、量测目的、工期安排、支护参数、支护类型、施工方法、地形地质条件、隧道规模等编制监控量测实施方案。

②监控量测实施方案应报监理、业主批准后实施，并作为现场作业、检查的依据。实施方案应包括：管理体系、组织结构、反馈方法、数据处理、预测方法、量测基准值、监控频率、测点布置、監控量测断面、量测仪器选择、监控量测项目等。

③所编制的量测计划应该与施工进度计划相匹配，监控量测工作应与支护作业及开挖作业进度相适应，并按照要求开展监测与布点，结合现场实际情况对施工方案及时进行调整。

④隧道工程施工过程中须进行洞内观察，同时隧道内已支护结构随着围岩压力的进一步释放可能产生后续损伤或破坏，所以应进行已支护结构健康状态观察。

⑤地表沉降、拱顶下沉、仰拱隆起及洞室周边位移变形的监测断面应按以下原则设置：Ⅴ级围岩每15～20 m一个、Ⅳ级围岩每20～40 m一个、Ⅲ级围岩每40～60 m一个。

⑥隧道拱顶下沉、仰拱隆起及周边位移监测断面须尽量靠近开挖面，通常测点与开挖面距离处于2 m范围以内，应尽快安设爆破点;同时量测过程中应保证测点布设牢固、稳定;测试数据应准确可靠。

⑦地表观察重点应在洞口段和浅埋段，其观察内容应包括：地表开裂、地表沉陷，应特别关注地表贯通性裂缝的排查;边坡及仰坡稳定状态;地表积水、渗透以及排水情况等。

⑧浅埋隧道地表沉降测点应在隧道开挖前布设。地表下沉断面应布置在洞内净空收敛量测测点所在横断面上，每个隧道口至少应布置1个纵向断面;测点横向间距为2～5 m，纵向间距根据围岩级别及隧道埋深确定，可按下述原则选取：h<1.0D（h为隧道埋深，D为隧道开挖宽度，下同），<1.0倍的开挖宽度，对Ⅱ～Ⅳ级围岩取10 m，对Ⅴ级围岩取5 m;1.0D≤h<2.0D，对Ⅱ～Ⅳ级围岩取20 m，对Ⅴ级围岩取10 m;2.0D≤h<3.0D，对Ⅴ级围岩取10 m，Ⅱ～Ⅳ级围岩或坚硬陡峭段可不设置，但应加强洞内拱顶下沉与收敛位移量测。

2.4 超前地质预报

隧道工程洞身浅埋段地质发育情况的预测预报表明，地质及水文地质较为复杂，仅仅依靠物探、局部钻孔等方法难以对全隧道工程的水文地质等情况予以全面反映。为了确保施工安全，将超前地质预报手段应用于施工阶段全程，坚持动态设计与施工。结合隧道的实际情况，本方案设计中共采用了TSP、地质雷达及超前地质探孔等三种超前地质预报手段。隧道超前地质预报应体现以隧道地质为基础，选择适宜的地质超前预报方法，对于前方隐伏的重大地质问题、不良地质条件预测具有深刻影响，这也是信息化设计、施工的重要参考依据，有利于降低地质灾害风险发生率。目前，地球物理探测、地表与地下相结合、主洞探测与超前导洞相结合等都是较为常见的探测预报方式。

2.5 涌水的堵水预案

对于隧道浅埋段在施工时局部地段可能产生的涌水现象，应该考虑如下预案与应对措施：

（1）隧道工程地质、水文条件较为复杂，故超前地质预报应贯穿于整个施工阶段，在保证对所有情况进行全面了解的情况下，才可继续向前开挖施工。（2）若施工区域水体较为丰富，且水压较高，则应在分步开挖掘进的同时，进行全断面注浆施工;而当施工段水量较小时，可采用局部钻孔工艺，实现水体的降压、疏排。（3）进行孔口防突装置的应用，避免在承压富水区域，高压水柱或钻杆对施工人员造成的伤害。（4）为实现对富水区域静水的有效阻隔，确保隧道安全可靠，应在衬砌过程中注重半封闭或全封闭式衬砌方式的应用。

3 实例探析

3.1 工程概况

平田隧道属于广西大塘至浦北高速公路项目隧道工程之一，位于广西壮族自治区钦州市灵山县境内，为分离式双洞单向行驶隧道。双洞共长10 215 m，其中左洞长5 110 m，右洞长5 105 m。平田隧道地质围岩情况较差，岩体主要以薄层状页岩、泥岩为主，全部以Ⅳ、Ⅴ级围岩构成，Ⅳ级以上围岩较少，同时围岩结构复杂，自稳能力差，地下水较多，施工难度大和危险系数较高。

3.2 平田隧道浅埋段情况

平田隧道浅埋段位于平田村居民区下方，隧道桩号左线ZK43+200～ZK43+680和右线YK43+200～YK43+720段，隧道埋深约40～70 m。浅埋段围岩为Ⅴ、Ⅳ级中风化硅质页岩，岩体较为破碎，施工时易发生坍塌。且此浅埋段址区位于“U”字形沟谷地段，两侧山体汇水面积较大，地表水较多，有多条常年溪流，施工期间的大量渗水可能导致地表干旱缺水和地下水水位下降。同时在施工过程中的爆破震动可能会引起浅埋段洞身上方居民住房发生开裂，从而引发地表沉降和塌陷，甚至会造成居民人身安全和经济损失。

3.3 平田隧道浅埋段施工方案

3.3.1 浅埋段地表村庄施工设计方案

隧道ZK43+200～ZK43+680、YK43+200～YK43+720浅埋段开挖后可能引起地表不均匀沉降，会对地表上方村庄建筑物存在一定影响。因此，开工前邀请相关专家与设计院等机构到现场实际勘察。通过理论分析，根据破裂面估算法X=b+2（H+h）*tan（45°-φ/2）、经验公式X=（H+R）/[KF（]2*π[KF）]/tan（45°-φ/2）等（见图1），认为随破裂角φ越小影响余宽越大，并通过对比工程实例，得出本段隧道施工对地表建筑物可能存在的影响范围约为隧道开挖轮廓线外55 m。图2为隧道开挖可能影响区域。

本浅埋段可能存在其他未探明的不良地质情况或施工不当引起的地质灾害，会对本浅埋段附近村庄造成建筑物损耗或居民人员伤亡等次生灾害。施工期间对本浅埋段上方建筑物及居民进行合理安置，同时加强地表监测及洞内监测，做好预警措施，保证洞内施工质量安全及地表附近居民安全。

3.3.2 浅埋段洞内注浆堵水预案

为减少ZK43+200～ZK43+680、YK43+200～YK43+720浅埋段施工过程中对上方平田村居民区生活、生产用水及地表农业用水的影响，对该段地下水处理以堵为主，并根據现场开挖地质情况及隧道内涌水量大小在隧道内部分段进行洞身全断面径向注浆堵水。

3.3.3 浅埋段施工方案

针对平田隧道浅埋地段地表水发育、易发涌水突泥及塌方等事故的特点，在方案选择上应遵守“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的原则，采取如下施工控制措施：

（1）本项目施工地段的地质水文条件较为复杂，为确保施工安全性，建设施工人员应注重超前地质预报的严格落实，并在专人负责、多设备应用的同时，实现对开挖前方区域地质情况、水文情况、围岩级别及松动情况的准确把控;同时通过对探测图表资料的整理，为后期掘进施工提供有效保证。

（2）对地表建筑物进行爆破震动监测，并加强地表地质巡逻与地表水文监测。

（3）加强浅埋段超前支护，严格按照设计图纸进行施工。对围岩破碎段，采用双层小导管注浆支护，施工过程中严格贯彻管超前的施工理念，确保注浆饱满;必要时，可采用洞内径向注浆加固或洞内小管棚超前支护等措施。

（4）根据现场实际情况，优化开挖方法和工序。现场采用预留核心土法或CD法开挖，为减少对围岩的扰动，施工过程尽可能采用人工开挖辅以机械开挖，同时保证左右洞开挖应错开一定的距离。

（5）强化工人质量安全意识与优化施工工序，缩短工序间衔接时间，确保开挖完成后能及时进行支护封闭，防止围岩曝露时间过长而出现松驰坍塌现象。

（6）二次衬砌及仰拱施工紧跟开挖面，确保二次衬砌及早加入结构受力。

（7）对隧道渗水量进行实时监控，采用对地下水以堵为主的处理方法。根据物探与钻探结果，及时调整平田隧道涌水突泥处理方案，对隧道洞内涌水量大的段落采用全断面径向注浆堵水的方法。

（8）编制相应的平田隧道应急救援预案，配备相关的救援设施、设备，以防在隧道内掌子面后方发生塌方等事故时，保证对被困人员实施安全、快速、有效的救援，最大限度地减少事故损失。

4 结语

综上所述，随着我国高速公路的发展，公路工程隧道的建设也越来越多，而隧道工程浅埋段施工的各种问题也日渐突出。本文从隧道工程浅埋段的施工方案方面入手，着重分析了浅埋段施工技术，并依托实体工程——平田隧道，研究了适合平田隧道浅埋段的施工方案，通过对浅埋段施工方案的选择及其他处理措施的综合应用，确保了隧道工程浅埋段的施工质量和安全。

参考文献：

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[2]颜 研.超浅埋暗挖隧道下穿高速公路施工技术探讨[J].科技经济市场，2015（3）：5，6.

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