浅析富水地层公路隧道浅埋暗挖施工技术

张跃军

(山西交通建设监理咨询集团有限公司，山西 太原 030012)

0 前 言

公路隧道建设项目日益增多，人们对公路隧道施工提出了高质量要求。但据实际调查可知，公路隧道在施工的过程中往往需要穿越富水与隧道覆盖地层相对较浅的地段，给隧道施工带来许多阻碍。为解决该问题，公路隧道浅埋暗挖施工技术随之应运而生，且在不断推广与应用中得到了人们的高度重视。本文首先将对浅埋暗挖施工方法的前提进行分析，其次分析了施工技术与安全防护，最后通过实例对整体内容进行论证，以期为该类工程施工提供可参考的价值。

1 浅埋暗挖施工方法的前提

浅埋暗挖施工方法指的是以加固、处理软弱地层为前提，利用足够刚性且符合衬砌为基本支护结构的一种用于软土地层近地表隧道的暗挖施工方案。在公路隧道浅埋暗挖施工中，该施工技术应用前所需要具备的前提可体现在两个方面：一方面，应用此施工技术时不能进行带水作业；另一方面，开挖面必须具有较强的自立性与稳定性。只有具备这两大前提，才能为后续工程的有效开展奠定良好基础。

2 施工技术分析

在公路隧道浅埋暗挖施工技术的分析上，本文从地层超前加固、隧道开挖与初期支护、二次衬砌以及注意事项这四个方面对其进行阐述。

1)地层超前加固。对软弱土层进行加固作为浅埋暗挖施工技术实施不可忽视的重要前提。基于此，在施工中，地层超前加固随之显得尤为重要，其加固好坏对工程最终质量更是有着直接影响。从富水地层的公路隧道浅埋暗挖施工现状可知，止水与岩层是超前加固主要存在的地方，一般情况下，采用人工引导自流与机器排水这两种措施对地表水进行处理，针对地下水的处理主要采用的是水泵排水。也就是基于涌水量的测算对排水方法与设备进行选取。理论公式法与数值计算法是涌水量测算中主要应用到的方法。当前主要采用的是半经验半理论公式法，这是一种基于法国水利学者提出的理论。半经验半理论公式法主要适用于隧道埋深在地下水位70 m，含水体系数在0.005～6.50 m/d的计算。除此之外，针对施工中地层浅薄的处理，施工人员可采用沉孔注浆的方式进行加固，通过混凝土浆的注入，提高围岩自身承受力，保证隧道开挖施工安全，最大限度减少塌方出现的概率。

2)隧道开挖与初期支护。在开挖施工中，开挖方式选择往往对高效开展开挖与支护工作有着一定影响。根据土层稳定性与隧道断面大小的不同，可采用的方法有：台阶法、中洞法以及侧壁导坑法等。其中，台阶法的特点主要在于拱角应力大、接触面积较小，拱部容易坍塌。主要适用于小断面、大沉降量、短工期以及低造价的施工中。中洞法的特点在于断面分割、可以有效控制沉降量，主要适用于加大断面、小沉降量、较长工期以及较高造价的施工中。侧壁导坑法的特点在于能够利用侧壁导坑缩短开挖时间，主要适用于中断面、大沉降量、长工期以及高造价施工中。因此，在实际公路隧道开挖中，施工人员可根据工程实际情况采取合理的开挖方法，同时也可采用几种方式相结合的形式进行施工。另外，在初期支护时采用钢筋格栅，或者是钢筋网等进行支护。为了在最大程度减少初期支护的变形量与沉降量，要从刚度与强度这两个方面出发，对钢筋格栅进行选择。

3)二次衬砌。通常情况下应采用荷载结构法对隧道二次衬砌结构进行计算。通过该原理可知，隧道开挖之后的主要作用为对衬砌结构产生荷载，衬砌需要承受地层压力等荷载作用。在实际施工中，首先需要对二次衬砌进行混凝土施工前对水泥、拌制以及养护用水等材料进行仔细检查。其次，需要根据现场实际情况对二次衬砌施工存在的问题进行调整，避免侵限情况发生。最后，在混凝土生产作业中，应采用带有自动计量装置的新型拌和站，进而保证二次衬砌施工顺利进行，让施工质量得以提升。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

某公路隧道工程所在地区年均降雨量为1 300～2 500 mm，相对湿度为76%～85%。从外形上看，该隧道工程地面起伏较大，整个工程呈北面较缓，南面较陡M形状。隧道上方有一条河沟，河沟常年都有水，隧道下穿河沟段长约为60 m，平均埋深大约在16 m，平均最小埋深度约4 m。通过对该隧道的勘察判断可知，该隧道在地下水下方，施工地点地表水渗透较大，属于浅埋暗挖富水大跨度公路隧道。

3.2 施工方法比选

针对该工程的施工方法比选，本文将从计算模型与参数、计算结构分析这两个方面对其进行阐述。根据有关勘测报告可知，该工程隧道上腹为砂层地段，非常容易产生泥流与流砂等事故；施工工作面暴露时间较长，有容易失去稳定性的特点，而且很容易形成流塑状，对施工安全与进度造成不良影响，严重的话还会导致施工地层较大范围下降，从而给工程施工埋下较大的安全隐患。基于此，经过施工单位商讨后，通过对超前支护台阶法与单侧壁导坑法这两种施工方法进行比选，并从中选取最合适的施工方法。

1)超前支护台阶法。在施工期间，将上台阶开挖长度设定为2 m，下台采用50%～60%倍洞径。开展初期支护和超前支护施工期间，超前支护角度控制在6°、长为4.5 m。

2)单侧壁导坑超前支护法。施工过程中应用φ 50×5 mm双层超前小导管进行注浆，长度控制在5 m，搭接长度为1.5 m，一、二层导管角度分别为：6°、25°。在现行导坑开挖开展中，需将循环进尺长度控制在4 m，然后在开挖后行上导坑、后行下导坑，最后把原来初期支护锚杆长度从3.5 m变为4 m。在该隧道项目的数值计算期间，本文将采用Mohr-coulomb准则进行。根据数值计算采用Mohr-coulomb准则，假设在初期支护中只需要考虑地表层以及支护结构，具体的计算参数可见表1。

表1 隧道围岩计算参数

通过对两种方法的比选可知，超前支护台阶法与单侧壁导坑同台阶法在地表沉降规律、塑性区形等方面较为相似，但不可否认两者之间仍存在有一定差异。主要为：采用单侧壁导坑法进行施工时，无论是施工期间的地表沉降现象，还是施工期间的地形变化程度均小于超前支护台阶法。据计算，单侧壁导坑法的地表沉降与地层变形量是超前支护台阶法的65%左右，这一数据无疑表明，对于该工程而言单侧壁导坑法不仅能够实现对工程地表变形的有效控制，提高拱顶的稳定性，而且能够在最大限度上避免公路隧道拱顶出现受拉破坏的情况。除此之外，即使在较小的塑性区范围中，该方法也有利于对地层塑性破坏的控制。虽然该方法的应用能带来很多优势，但在使用单侧壁导坑这一方法时需注意，开挖可能会对地表沉降造成负面影响。总之，就本文所研究的工程项目而言，虽然单侧壁导坑法能够实现对围岩变形情况的高效控制，但由于该方法在本工程的应用，不仅让施工变得十分负载，而且中间隔壁节点处不利于隧道防水。基于此，最后针对隧道富水浅埋段选择了超前支护台阶施工法。

3.3 富水地层公路隧道浅埋暗挖施工技术

根据本工程隧道地表沉降槽示意图可以看出，无论有没有地下水，地表沉降槽曲线形状大体相同，见图1。

图1 隧道地表沉降槽示意图

当前，导致地层出现沉降的原因主要为施工引起的应力释放。相对施工区域没有地下水的情况，有水情况的施工地表沉降更大，造成该情况出现的原因主要源于隧道开挖期间引发的地下水在地层中下降，有效应力提升，孔隙水压减小进而导致的地表沉降。对此，在浅埋暗挖富水段隧道施工的时候，需要对地下水影响加以重视。通过对不考虑地下水情况的对比分析结果可知，固然地下水不会对地表以及拱顶沉降等造成影响，但也不可否认在有地下水的情况下，地表与拱顶沉降程度将变得更大，主要集中在了隧道上地表25 m范围内。除此之外，开挖部位还会对地表沉降造成影响，其中影响最大的莫过于上台阶，所以在施工中应将上台阶视为关注重点。当完成下台阶施工后，施工人员需要针对可能造成的拱顶沉降增大情况，在开挖后及时采用注浆回填方式解决。另外，在此次隧道施工中，为保证数值计算之后的准确性、可靠性，施工人员需要对隧道地表沉降、水平收敛等进行全方面的监控。

通过对计算结果的分析可知，在考虑地下水可能带来的影响基础上，地表沉降计算结果与实测结果大致相近，地下水会对隧道施工安全带来直接影响，因此，施工人员需要对其加以重视。而在不考虑地下水带来影响的基础上，拱顶沉降与实际监测数据更接近，之所以会这样，其原因主要在于监测过程中存在检测不及时、数据失真的现象。从总体上看，该工程监测结果与计算结果的取向大致相同，主要可体现在，伴随着隧道埋深的增大，拱顶、地表沉降比值均会发生增加，开挖隧道造成地变层变形逐步递减地向上传递。

4 结束语

总而言之，伴随着我国新时代社会经济的快速发展，公路隧道建设质量随之成为了人们关注的重点。通过上述对该方面内容的深入研究可知，富水区浅埋隧道施工技术与安全防护是基于隧道施工技术并结合了施工地区特殊地质等条件最终形成的一种施工技术。在公路隧道浅埋暗挖施工中，除了需要重视初期支护作用外，还应重视根据工程实际情况选择合理的施工方法，只有这样，才能在保证整体施工质量的同时，让浅埋暗挖施工技术在今后得到更好的推广，并在实际施工中发挥自身最大的作用。

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