公路隧道洞身浅埋段处治技术研究

徐木旺

(三明市交通综合行政执法支队工程质量监督站，三明 365000)

浅埋段是隧道施工中常见的一种地质类型与结构，其对隧道运营安全以及施工质量有着较大影响， 在地质等因素影响下，浅埋段往往成为安全事故频发区。 因此，需要对浅埋段隧道施工技术进行深入分析[1]。

1 工程概况

1.1 项目概况

梅花隧道为省道S308(纵七线)将乐县梅花至玉华公路工程中的一个长隧道工程，隧道设计起点桩号为：K1+240，隧道终点桩号为K2+370，隧道总长度1130m。 梅花隧道采用近期单洞双车道，远期分离式双洞布置，进出口均处于直线段，隧道为单向破，纵坡为1.63%，隧道净宽为14m，设计时速为40km/h，设计标准为二级公路标准。

1.2 工程地质条件

隧道区属构造剥蚀低山地貌，地形起伏较大，进口处地面高程约216.0m，出口处地面高程236.2m，隧道轴线最高点高程约305.0m，相对高差90m 左右，进、出洞口自然山坡坡度约15～25°。

根据钻孔揭示，隧道区分布的地层较复杂，主要为二叠系栖霞组(P1q)：岩性以深灰、灰黑色厚-巨厚层微晶灰岩为主，顶部为硅质岩，二叠系下统文笔山组(P1w)：岩性以灰、灰黑色薄-中厚层泥岩、粉砂岩为主，震旦系下统丁屋岭组下段(Z1dn1)：岩性为石英云母片岩。此外零星分布有第四系冲洪积和坡残积层。根据地质调绘及钻探结果，隧道洞身围岩主要为中风化硅质岩、灰岩、粉砂岩(夹泥岩)、石英云母片岩。 洞身局部受构造带影响范围内岩体较破碎，侧壁稳定性较差，洞顶稳定性较差，施工时易产生坍塌。 隧道纵断面设计图如图1 所示。

隧道洞身浅埋段里程桩号为K1+750～ K1+800，而在隧道里程桩号为K1+780 处发育一条F2 构造破碎带，F2构造破碎带详细特征见表1。 其中K1+760～K1+785 段两山之间低洼平地， 最小覆盖层厚度12.3m， 最大覆盖层35m，两边山坡地势较陡峭，坡度为70°。

图1 梅花隧道地质纵断面图

表1 F2 构造破碎带特征一览表

根据该浅埋段隧道地质钻孔数据显示： 场地内分布的地层为： ①粉砂岩残积粘性土， ②碎块状强风化粉砂岩， ③中风化粉砂岩。 现场地质钻孔岩样情况如图2 所示。

图2 隧址区浅埋段地质钻孔岩样

1.3 水文地质条件

本隧道区地表水主要分布于山间沟谷中， 隧址区内未见常年性溪流，仅沟谷在降雨后出现间歇性水流，流水主要接受大气降水的补给，受季节性影响变化较大。洞身及进出口段地下水主要为风化带网状孔隙裂隙水， 风化带孔隙裂隙水赋存于基岩风化带，水量贫乏，主要对洞口及进出洞口段的隧洞施工和围岩稳定有影响。 基岩构造裂隙水赋存于基岩的裂隙中，受构造发育情况控制，一般地区导水性弱，但构造破碎带即浅埋段附近，其导水性较好， 主要接受大气降水及地下水侧向补给， 水量变化较大，根据现场勘察此段浅埋段表面是一个汇水区域，雨季时期表面积水严重，且含有地下水。

为提高隧道围岩稳定性，隔离地下水，保障隧道施工的安全性，对此段构造破碎带地面部分进行加固处理。

2 隧道浅埋段围岩加固及支护方案分析

2.1 浅埋段围岩加固方案分析

浅埋段属隧道工程特殊地质情况， 在施工过程中安全隐患较大，因地质差容易出现安全事故，为了消除浅埋段施工存在的安全隐患， 浅埋段施工前或施工中应进行加固处理。 梅花隧道的浅埋段加固需要考虑以下几方面问题：

(1)承载力问题

隧道浅埋段由于隧道在其中埋深较浅， 隧道在进行暗洞开挖时， 容易出现隧道掌子面围岩塌落、 冒顶等问题。 并且在隧道浅埋段区间内出现断层破碎带的不良地质，容易加剧隧道施工开挖时塌落、冒顶等问题的出现。

(2)排水问题

梅花隧道洞身浅埋段加之断层破碎带的影响， 该段围岩节理裂隙发育，根据地质勘查资料，降雨后地表水容易通过该断层破碎带下渗， 且断层破碎带类似一个天然的海绵，可以储存大量的地表下渗水。

(3)施工问题

由于围岩较松散破碎， 无法采用常规的爆破开挖法施工，会对该段围岩以及邻近段围岩造成破坏性扰动。

针对以上三个问题， 提出针对性的解决方案形成梅花隧道浅埋段处治方案。

为了提高隧道浅埋段围岩的稳定性， 隔离地下水对隧道施工的影响， 保证施工安全， 根据浅埋段的地质情况，在隧道洞身与地表间采用钻孔注浆进行加固，在隧道开挖轮廓线外6m 范围内形成受力拱。 在K1+750～K1+800 段拱顶地表段范围内采用径向打入钢花管进行注浆加固的方案，经注浆液体充填、压密、渗透等作用后，使岩土洞穴、孔隙被注浆液体填充，增强覆土强度、稳定性及防水性，确保浅埋段安全。地表注浆加固必须在洞身开挖前7 天完成， 在钻孔验证质量达标且注浆水泥浆达到一定强度后， 再进行洞身开挖， 以保证地表注浆强度的发挥。

梅花隧道原开挖方案为两头掘进， 隧道纵坡为+1.63%，考虑浅埋段富水可能性较大，按利于排水原则，出口端在掘进至K1+810 处时暂停施工， 避免反坡积水造成施工难度增大，故浅埋段从进口端单向施工。

梅花隧道采用普通钻爆法， 在软弱围岩地段采用机械结合人工方式进行开挖，减少围岩扰动，尽量避免超欠挖， 及时初期支护。 开挖方式采用交叉中隔墙法(CRD法)。 严格遵循“先治水、管超前、严注浆、短进尺、弱(不)爆破、强支护、快封闭、勤量测、紧衬砌”方针[3]，作为施工技术措施贯穿整个施工过程， 并根据现场监控量测结果及时修正设计参数，调整施工方案和指导施工。

2.2 浅埋段隧道支护方案分析

梅花隧道结构按新奥法原理进行设计， 采用复合式衬砌，以锚杆、湿喷混凝土、钢筋挂网、钢拱架等为初期支护，大管棚、超前注浆小导管、超前锚杆等为施工辅助措施，充分发挥围岩的自承能力，基于监控量测信息来施作初期支护和二次模筑衬砌。

复合式衬砌的结构分析，可根据隧道埋置深度、围岩级别、结构跨度、受力条件，施工因素等，依据规范，类比国内外类似工程。 对于洞身浅埋破碎段(Ⅴ级围岩段)，采用大管棚穿越，辅以工字钢拱架和系统中空注浆锚杆，二衬采用带仰拱的整体式配筋混凝土结构； 对于洞身浅埋一般破碎段(Ⅳ级围岩段)，采用超前小导管穿越，辅以钢筋格栅拱架和系统砂浆锚杆， 二衬采用带仰拱的整体式配筋混凝土结构，区别于Ⅴ级围岩段，钢拱架在仰拱部位不设置。

3 隧道浅埋段处治方案实施

在隧道洞身与地表间采用钻孔注浆进行加固， 在隧道开挖轮廓线外6m 范围内形成受力拱， 加固纵断面示意图如图3 所示。从图中可见，隧道浅埋段的地表加固采用钢花管对地表与隧道洞身开挖轮廓外6m 之间的岩体进行注浆加固。

图3 隧道浅埋段钻孔注浆加固纵断面

隧道浅埋段地表钢花管注浆加固的施工工艺流程如图4 所示。

图4 钻孔及注浆施工流程图

3.1 钻孔施工

(1)需要对场地进行整平处理，根据设计方案测定孔位坐标，并对施工孔位开展初次定位，在钻机就位之后，对钻机进行再次调整、对孔位坐标进行复测。

(2)采取履带式钻机作为钻孔设备，配置1 台ZGYX-420 钻机，并配备3 名钻孔工作人员。 施工时借助跳孔梅花状开展施工作业，完成钻孔施工之后，及时开展钢管安装工作，防止出现塌孔。

(3) 根据图5 隧道地表加固平面示意图确定钻孔位置，保证孔位偏差在5cm 以内；钻孔应该隔孔展开，成孔深度需要超出设计孔深度50cm 以上[2]。

图5 隧道地表加固平面示意图

(4)在隧道开挖净宽14m 外两侧的3m 范围内，打入Φ108×6mm 钢花管， 其排数为3 排， 按照梅花形1.5m×1.5m 进行间距设置，其长度为25m。 在隧道中线两侧7m的拱顶范围内打入Φ76×6mm 钢花管，一共9 排，按照梅花形1.5m×1.5m 进行间距设置，其长度为15m。 在两侧山脚中打入Φ76×6mm 钢花管，其宽度在23m 左右，按照梅花形1.5m×1.5m 进行间距设置。Φ76×6mm 钢花管示意图如图6 所示。

图6 Φ76 注浆管示意图

(5)两侧为D108×6mm 规格钢花管，以垂直角度开展钻孔施工作业，其直径设计为130mm，深度为25m。 中线的拱顶两侧为D76×6mm 规格钢管，以垂直角度开展钻孔施工，其深度应该在拱顶标准高度以上。K1+784～K1+800和K1+750～K1+759 山脚为D76×6mm 规格钢管， 其钻孔直径设计为110mm，以15～45°开展钻孔施工，其长度为23m 左右。 Φ108×6mm 钢花管如图7 所示。

图7 Φ108 注浆管示意图

3.2 注浆施工

注浆采用二次劈裂注浆工艺进行施工， 取消原设计的Φ108 与Φ76 钢管花管段， 保留实管段以防止注浆孔在地质不良段发生坍塌废孔。预埋一根镀锌钢管，长度为高出孔深至少50cm， 并在原设计的注浆段设置花管段，钻孔外圈需用塑料胶布绑扎两层， 避免第一次注浆时水泥浆渗入。

第一次注浆时注浆管需伸至孔底， 压力可不进行设定，主要目的是把孔内地下水排出注浆孔，在孔口冒出浓浆时再慢慢拔出注浆管，停止第一次注浆。二次劈裂注浆在一次注浆完成至少12h 后进行， 其目的保证二次劈裂注浆的压力与质量， 以达到地表注浆加固效果。 二次劈裂，当注浆压力逐渐上升，流量逐渐下降，注浆压力达到设计终压并稳定10min 后，即可结束该孔注浆。当长时间注浆压力不上升或注浆压力在较小值附近， 且单孔注浆量达到设计单孔注浆量的3 倍时，可结束该孔注浆。

注浆效果检验，可根据注浆量进行计算，浅埋段钻孔钢管数量如表2 所示。该浅埋段处理的实际长度为35m，宽度为25m，处理平均深度为10m，处理体积为8750m3，实际注浆量为283.6m3，占比为3.24%，根据该段地质钻探资料， 在注浆处理深度范围内为强风化粉砂岩与中风化粉砂岩，土体的自然空隙率试验得出为3.1%，说明经过注浆加固该段土体已饱和，达到注浆加固的效果。

表2 钻孔钢管数量表

地表注浆加固后，开挖掌子面，隧道掌子面开挖围岩情况如图8 所示。从图中可以看出，经过地表注浆加固后的浅埋段围岩具有一定的自稳能力， 同时可以看到注浆时砂浆通过钢花管扩散进岩体内部的情况。

注浆结束后应及时对注浆效果进行钻孔取芯方法检查，取芯芯样应体现岩层被水泥浆填充密实，芯样整体且无空隙； 当注浆不能达到效果时可进行补孔注浆或在洞身施工时根据注浆质量进行隧道动态设计， 加强超前小导管注浆，确定隧道施工安全与质量。

3.3 施工要点

(1)施工初期应做好洞口范围的排水，是否施作井点降水受施工季节影响较大， 其个数及其平面位置应根据现场实际开挖情况进行调整， 施作前应征得设计单位的同意，成洞面开挖前应复核成洞面处的地形，确保做到成洞面覆盖层厚度在2～4m 范围内， 成洞时应选择有利的施工方法，严禁洞口大开挖，防止滑坡及坍塌。 当洞口地形和地面线高程与设计图不符时， 应及时报请监理工程师，对洞口进洞方案进行调整，不得擅自开挖，造成高边仰坡，破坏洞口的自然与和谐。

(2)施工中遇到地下水应逐段取样化验，了解有否侵蚀性，以便及早采取防腐蚀措施。施工中对构造破碎带这些段落应充分重视， 必要时在相应节理发育及断裂带影响的地方适当增加一些超前小导管双液注浆。

(3)在全面施工前，应根据不同地质、孔径进行试验孔，确定单孔注浆范围、注浆配合比、注浆压力、注浆时间、钻孔间距、停止压浆条件。因岩层破碎，在加压注浆时可能无法回浆，存在持续不断注浆情况，在该种情况下应根据岩层的孔隙率在试验孔时设定注浆值， 注浆达到设定值时可以停止注浆，也可分时段进行注浆。在纵向两侧注浆时，如地下水丰富，吸浆量大，注浆压力无法上升的情况，可以考虑采取双液注浆。

(4)应掌握注浆实时情况，遇到注浆量大且压力一直无法上升时，应停止注浆，在水泥浆初凝时间快到前再进行注浆或采取双液注浆， 单液注浆量按其他区域钻孔或试验孔的注浆量2 倍进行控制。 在取芯验证时在断层破碎带范围至少取一个孔验证注浆质量， 作为洞身施工时是否要加强施工措施的依据。

4 结语

综上所述，梅花隧道K1+750～K1+800 浅埋段采用地表钻孔注浆方法进行围岩加固处理， 在开挖轮廓线的外部采用钻孔注浆工艺使得围岩形成受力拱， 从而实现对地下水的隔离，使浅埋段围岩强度得到充分提升。在完成钻孔注浆加固工作后，该山岭隧道浅埋段的围岩稳定，进行隧道开挖支护作业时， 隧道得以安全地进行开挖支护作业，从而最终顺利通过该浅埋段。在山岭隧道洞身浅埋段的施工中，地表钻孔注浆加固工艺是一种效果显著，安全稳定的施工技术， 在未来的工程应用中可以进一步对其进行深化研究，完善其施工工艺，更好地为工程实践服务。