超浅埋土质隧洞支护技术探讨

张奕泽，李 欣，卢兴毅，王 婧

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.广东中灏勘察设计咨询有限公司，广东 肇庆 526040）

1 工程概况

潭头河位于深圳市宝安区沙井北、松岗南，属茅洲河二级支流，为排涝河一级支流，河道穿越沙井密集型工业区，河流平均比降2.6‰[1]。

潭头河泄洪隧洞为五指耙水库分洪泄水通道，其轴线穿越田园路东侧山体，全长741 m，进口位于五指耙水库主坝左坝肩附近。根据地勘报告显示，隧洞穿越的围岩有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三类，其中V类围岩占56%[2]，开挖隧洞断面为4.00 m×4.25 m（宽×高）；隧洞进口段（桩号S0+000～S0+080 m）上部为以粉质黏土为主的松散土层，覆土厚度少于6 m，为超浅埋隧洞。隧洞进口段地质纵剖面示意见图1。

图1 隧洞进口段地质纵剖面示意图

2 设计思路

潭头河进口段属于土质隧洞，且洞室大部分位于欠固结粉质黏土层，具有埋深浅、地下水丰富的特点，洞挖施工难度极大，需要采取有效的临时支护措施。针对工程区特点，本次设计遵循“管超前、短进尺、非（弱）爆破、小开挖、少扰动、强支护、早封闭、紧衬砌、勤量测”的原则[3]，具体设计思路：

（1）对于洞顶欠固结松散/松软粉质黏土层，采用固结灌浆提高土体力学性质。

（2）采用超前支护措施加固土体，提高土体抵抗变形能力，以形成塌落拱承担上部不稳定土层的重量，降低临时支护规模[4]。

（3）选择合适的开挖方式和临时支护措施，并根据施工过程沉降变形监测及计算分析结果，调整临时支护参数。

（4）采取切实可行的施工工法，并根据实施效果在施工中不断优化临时支护措施。采取有效的加固和止水措施，控制变形并随挖随撑。

3 洞顶固结灌浆及临时支护结构设计

3.1 洞顶固结灌浆设计

桩号S0+000～S0+080 m 区段进洞前，对洞顶进行固结灌浆处理。采用直径48 mm 钢花管引孔至洞顶开挖轮廓线以下50 cm，间距1.2 m×1.5 m（梅花型布置），注水泥-水玻璃双液浆，波美度为32～42，初压为0.5 MPa，终压为1.2 MPa。洞顶灌浆示意见图2。

图2 洞顶灌浆示意图 单位：cm

3.2 支护设计

超前支护布置在洞顶180°范围，采用单排大管棚支护，为直径108 mm 热轧无缝钢管，管长30.00 m，环向间距0.40 m，外倾角1°；超前小导管布置在拱顶及侧墙两侧，采用直径42 mm花管，单根长4.00 m，环向间距0.25 m，外倾角15°，搭接长度2.50 m。大管棚和超前小导管注浆采用水泥-水玻璃浆液。水泥浆∶水玻璃1∶0.5，水泥浆水灰比为1∶1，波美度32～42，注浆压力0.3～0.5 MPa。临时支护断面见图3。

图3 土质隧洞临时支护断面图 单位：cm

大管棚和超前小导管施工时按设计钻孔准确控制钻机立轴方向，采用水平测斜仪量测偏斜度；灌浆时初期支护结构采用钢拱架+喷射混凝土联合支护型式；钢拱架采用I14 型钢，每榀间距0.50 m，纵向设直径16 mm 连系钢筋，环向间距为1.00 m；挂网混凝土强度等级为C25，厚25 cm，钢筋网采用直径8 mm 钢筋，网间距为20 cm×20 cm。二次衬砌结构采用C30 钢筋混凝土结构。混凝土厚度50 cm，衬砌每隔15.00 m 设置1 条施工缝；隧洞二次衬砌完成后对洞顶进行回填灌浆。超前小导管纵剖示意见图4。

图4 超前小导管纵剖示意图 单位：cm

4 安全监测设计

4.1 监测方法

隧洞施工过程中，周边点的收敛是围岩和支护力学形态变化最直接、最明显的反映，净空的变化（收缩和扩展）是围岩变形最明显的体现；在施工过程中进行动态监控量测，为施工提供可靠的信息，以达到科学指导施工、优化设计及采取合适的施工技术措施的目的[5]。

在隧洞进口段开挖前布设监测点，取得稳定的监测数据，在施工过程中根据需要调整监测频率，以满足现场施工需要。

初衬施工完毕后，将预埋件埋设于拱顶中部（或拱底中部）。采用精密水准仪，监测精度为1 mm，量测各测点与基准点之间的相对高程差。本次所测高差与上次所测高差相比较，差值即为本次沉降值；本次所测高差与初始高差相比较，差值即为累计沉降值。

具体布设为沿隧洞纵向每隔5～15 m 设置1 个断面，每个断面设1～3 个监测点；洞周收敛布点，沿隧洞纵向每隔5～15 m 设置1 个断面，每个断面设2～6 对监测点。监测布置示意见图5。

图5 监测布置示意图 单位：cm

4.2 监测数据分析

4.2.1 收敛变形

通过精密水准仪对隧洞进口段收敛监测断面进行观测，其收敛变形位移—时间—偏移速率变化典型过程线见图6。距进口5 m 处的收敛位移及速率随时间的变化趋势为先平缓上升后下降，最后趋于稳定，观测期间最大内向偏移距离为4 mm，最大偏移速率0.57 mm/d。距进口20 m 处的收敛位移及速率随时间的变化趋势为先增大后减小，观测期间最大内向偏移距离为4 mm，最大偏移速率1.00 mm/d。

图6 收敛变形位移—时间—偏移速率分布图

4.2.2 拱顶沉降

同样对隧洞进口段拱顶沉降监测断面进行观测，拱顶沉降位移—时间—偏移速率变化典型过程线见图7。距进口5 m 处及20 m 处的拱顶沉降随时间的变化为前期沉降明显，后期沉降值逐渐趋近于0，沉降速率在开挖支护初期呈迅速降低趋势[3]，观测期间最大沉降位移为1 mm，最大沉降速率均为0.20 mm/d。

图7 拱顶沉降位移—时间—沉降速率分布图

4.2.3 数据分析

隧洞进口段累计收敛变形值见图8，拱顶累计沉降值见图9。距进口5 m 处及20 m 处的累计收敛变形值均先上升后趋于平缓，表现为向内收敛，且距离进口越远，收敛变形越大，反之偏移值较小；距进口5 m 处的累计拱顶沉降值从迅速沉降到拱顶逐渐呈上升的趋势，距进口20 m 处的累计拱顶沉降值整体表现为向下沉降；V 类围岩隧洞的施工，大致分为应力释放和应力控制2 个阶段，最终使应力获得再次平衡的过程[5]。

图8 收敛变化典型过程线图

图9 拱顶沉降典型过程线图

施工初期，由于施工破坏围岩的初始应力场，导致应力释放，结合V 类围岩的力学特性和构造特性，收敛变形值及拱顶沉降值短期内迅速增大，后期由于支护作用，控制围岩变形，抑制变形的进一步发展。另外由于V 类围岩岩性破碎，存在软岩，导致边墙部分竖向应力转化为水平应力，使得拱变形均表现为向洞内收敛。观测数据结果表明，施工初期收敛变化和拱顶沉降变化较大，之后趋于平缓，变化速率最终趋于0。这一过程与围岩变形的理论分析过程相吻合，对于靠近隧洞进口段出现拱顶上升现象，李新平等[6]分析过拱顶上升的原因。

本工程所处地质情况较差，围岩岩体强度低，完整性和成洞条件差，部分竖向附加应力转化为水平附加应力，岩墙内的水平附加应力作用于初次支护的钢拱之上，迫使拱顶有上升趋势；在隧洞开挖后，由于拱顶下部应力的解除，拱顶本身有向下位移的情况，导致洞壁向洞内移动引起的拱顶上升量大于下部岩体卸荷引起的拱顶下沉量；监测过程本身由于仪器影响，也会导致拱顶上升。

5 结 论

（1）超浅埋欠固结填土层隧洞不能形成有效承载拱，隧洞施工过程中，易造成坍塌或较大的洞顶地面下沉。设计时采取合理有效的拱顶土层处理方法和支护方法对工程安全实施至关重要；

（2）潭头河五指耙水库分洪隧洞进口段安全监测主要为围岩收敛变形及拱顶沉降监测：围岩收敛变形随时间的变化趋势逐渐向内收敛，最终趋于稳定；靠近隧洞进口，拱顶监测表现为整体上升的趋势；往下游处，拱顶随施工期的推移先沉降后趋于稳定；

（3）采用固结灌浆对洞顶欠固结人工填土层进行预加固处理，以提高土体自身结构强度、提升土体力学性质，防止洞挖施工大面积塌陷和抑制后期拱顶沉降；

（4）超前支护采用大管棚和小导管的组合，形成有效的伞状保护壳，控制地面沉降和拱顶变形；

（5）本工程地下水位高，在富水隧洞区采用水泥浆-水玻璃双液浆作为注浆材料，可有效控制析水率、缩短凝结时间，提高结实体强度。