浅埋富水隧道施工大变形原因分析与应对措施

王琳 杨林 袁青 江鸿 肖靖

摘要：为解决富水条件下隧道洞口浅埋段大变形问题突出、施工难度大的问题，依托在建福州市董奉山隧道项目，对隧道断面大变形的破坏特征及原因进行了详细分析，并提出针对性应对措施。结果表明：洞口浅埋富水地段受地层、地形、水环境及施工等因素影响，大变形以拱顶沉降为主，且在开挖后较短时间里变形急剧增加;隧道大变形表现为“急剧增长-缓慢增长-趋向稳定”3阶段变化规律，急剧增长阶段主要集中在下台阶开挖之前，其围岩变形量约占整个沉降变形的75%～80%。根据大变形分析情况提出：开挖前采用“超前帷幕注浆+井点降水”的辅助加固措施，改善掌子面前方围岩施工环境;开挖中采用钢架型号加强、中下台阶大直径锁脚及上台阶大拱脚等措施，可较大程度地控制隧道大变形发展，保证洞内施工安全。相关经验可供类似工程借鉴。

关 键 词：浅埋富水地段; 大断面隧道; 大变形; 拱顶沉降; 应对措施; 董奉山隧道

中图法分类号： U45

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.026

0 引 言

隧道洞口浅埋段围岩条件一般较差，自稳能力弱，施工中经常出现大变形或塌方事故[1-4]，目前国内外很多专家学者对大变形机理及处治措施展开了研究。赵立财[5]以厦漳公路东孚隧道为背景，对浅埋富水软弱地层隧道施工展开了“大管棚咬合相接加固+CRD开挖工法”组合技术研究;单超等[6]以福州某浅埋大断面公路隧道大变形侵限事故为背景，通过数值模拟对隧道合理预留变形展开了研究;马国民等[7]以云南那圩隧道为背景，分析了隧道大变形特征，据此提出“护拱+锁脚锚管+仰拱底部钢管桩”组合的加固技术;张杰[8]以莞惠城际轨道交通工程为背景，通过室内试验研究了隧道开挖过程中的地表沉降、支护结构受力规律及超前注浆的影响;李卓霖等[9]以龙洲湾隧道为背景，通过数值模拟和现场实测分析，得出了在富水浅埋地段采用三台阶工法，并且台阶长度取3 m的合理性;邹金杰等[10]以杭州紫之隧道为例，采用现场监测和数值模拟的手段分析了地下水渗漏作用对地表沉降的影响。

可以看出，以上研究成果主要是针对一般性软弱地层，且多以单双洞为背景进行研究，对于隧道群的影响研究较少。当隧道处于浅埋富水条件且多座隧道小净距并行时，施工中出现掌子面渗水溜坍、初支拱架扭曲变形、地表塌陷等风险的概率增加，会严重影响施工安全和进度。因此，对浅埋富水大断面隧道群的断面大变形进行相应研究具有重要现实意义。

1 工程概况

董奉山主路隧道为双洞双向八车道，两侧辅路隧道为双洞双向四车道。主路隧道净宽17.50 m，最大开挖宽度为20.22 m，辅路隧道净宽10.00 m，最大开挖宽度12.22 m，主路隧道间最小净间距19.00 m，辅路隧道与主路隧道最小净间距为12.90 m，隧道洞口段埋深6～40 m。围岩从上到下依次为坡积粉质黏土、全风化凝灰熔岩、砂土状强风化凝灰熔岩;围岩结构松散，稳定性差，遇水易软化，隧址区地下水水位高。隧道主洞采用双侧壁导坑法开挖，辅洞采用三台阶弧形开挖预留核心土工法施工。衬砌断面如图1所示。

2 隧道大变形特征

2.1 隧道大变形破坏特征

自进洞以来，由于主客观原因，隧道断面变形较大，初支侵限严重，换拱频繁，工程进度受到严重影响。该隧道大变形破坏主要表现为以下几种型式。

（1） 初期支护侵限。

隧道上台阶开挖后，隧道拱顶变形在较短时间内急剧增加，单日变形速率达到45 mm/d，累积变形值达到624.9 mm，如图2（a）所示。

（2） 初支开裂，钢架扭曲。

在钢拱架连接板位置出现初支开裂，纵向开裂长度达40 m;在隧道轴向由于沉降不均匀，初支出现环向裂缝。另外大变形导致钢拱架在拱顶、拱腰及边墙部位出现不同程度的扭曲变形，其中在边墙部位尤为严重，如图2（b）和图2（c）所示。

（3） 地表塌陷。

隧道拱顶地表部分出现塌陷，整个塌陷影响范围在距隧道中心线左右20 m，掌子面前方15 m，地面最大塌陷深度在40 cm左右，如图2（d）所示。

2.2 特征断面变形时程曲线

选取特征断面FZK6+123、FZK6+172和FZK6+182分析其沉降变形时空规律，结果如图3所示。由图3可以看出：3个特征断面拱顶沉降时程曲线基本都呈现3个阶段变化规律，即“急速增长-缓慢增长-趋于稳定”。

（1） 急速增长阶段。

該阶段主要发生在隧道上台阶支护完成后3～4周内，即上台阶开挖完成至中台阶支护完成阶段，变形速率较大，拱顶沉降量急速上升，图3中各个断面最大日变形速率分别为34.2，32.5 mm/d和40.3 mm/d，拱顶单日沉降量远远超过设计规定（Ⅰ级，>10 mm/d）限值，隧道变形受开挖影响明显，初支钢架扭曲、开裂等破坏现象基本上出现在该阶段。

（2） 缓慢增长阶段。

该阶段主要发生在中台阶支护完成至仰拱封闭成环之前。下台阶及仰拱部位围岩条件相对较好，隧道中台阶部位井点降水效果凸显，加强拱架锁脚锚管及临时仰拱等影响着拱顶沉降变形。3个断面最大单日沉降速率依次为4.7，4.2，7.9 mm/d，在此阶段变形速率略有波动，拱顶单日最大沉降量介于3～10 mm/d（Ⅱ级）之间。

（3） 趋于稳定阶段。

该阶段主要发生在仰拱封闭成环之后，此时围岩压力作用在封闭结构上，拱顶沉降变形主要跟初支刚度及基底承载力有关，受前方开挖扰动影响减弱，变形趋向于稳定。由图3可以看出：在此阶段沉降速率基本都在3 mm/d（Ⅲ级）以内，并且变形速率较平稳。

2.3 各开挖洞室施工阶段沉降变形占比

主洞采用双侧壁导坑法施工，各导坑台阶开挖变形占比相对复杂，左右辅洞采用3台阶预留核心土法施工，开挖变形占比统计相对方便，本次仅选左右辅洞进行占比分析。左右辅洞共选取18个监测断面进行统计分析，得到不同台阶开挖变形占比情况，如图4所示。从图4可以看出：左辅洞上台阶、中台阶、下台阶及仰拱封闭施工变形占比依次为22.15%，58.4%，9.17%，10.28%;右辅洞的依次为26.2%，48.66%，15.67%，9.47%，左右辅洞各阶段拱顶沉降占比值差别不大，上、中台阶开挖时围岩变形比重较大，约占整个拱顶沉降的75%～80%，下台阶及仰拱初支封闭施工围岩变形相对较小，约占整个拱顶沉降的20%～25%，这与拱顶沉降时程曲线变化规律基本一致。统计数据中最大占比都出现在中台阶，一方面是由于现场监测测点布置相对较晚，一般在开挖后2 d布置，此时由围岩应力释放完成较大比例，测点布设后监测的沉降只是该开挖阶段一小部分;另一方面，由于换拱、二衬台车遮挡等原因，洞内测点时常破坏，造成监测数据有限。

根据各施工阶段变形占比分析可知，在隧道施工中应加强上、中台阶锁脚施工质量，控制台阶长度及中台阶左右分幅步距，保证初支尽早封闭成环，以控制整个隧道沉降变形。

3 隧道大变形原因分析

3.1 地质因素

隧道洞口浅埋段主要穿越地层为全风化凝灰熔岩、砂土状强风化凝灰熔岩，其结构松散，遇水易软化，属极软岩，岩体极破碎，开挖面稳定性极差，如图5所示。

室内试验获得的岩样物理力学特性如表1所列，颗粒级配曲线如图6所示。由表1可以看出：全风化凝灰岩天然含水率较高，其值高达33.4%，处于可塑状态，且黏聚力低，压缩模量低;砂土状强风化凝灰岩天然含水率为27.8%，处于可塑状态，但由于其渗透性高，开挖后隧道内渗水，其强度将进一步降低。由图6可以看出：全风化凝灰岩所含的砂粒组（0.075 mm

3.2 水环境影响

隧道洞口段位于地表沟谷地带，该段汇水面积巨大，峰值流量大（3.7 m3/s）。地下水位埋深约2.5～7.0 m，稳定水位埋深约2.3～6.5 m，为各含水层的混合水位，地下水位高于洞顶，水头压力大。隧道开挖后，改变了原有的地下水径流与排泄条件，在隧道内形成新的地下水排泄自由面，增大了隧道围岩中地下水的水力梯度，并形成渗透压力作用于初期支护结构上，促进大变形发生，如图7所示。水力梯度的增加会引起围岩渗流加剧，土体中的细颗粒随渗流侵蚀而排出，导致土体孔隙率增大，黏聚力与内摩擦角也随之降低，从而进一步降低围岩的自稳性，在渗透破坏作用下引起隧道开挖临空面的失稳破坏。

3.3 地形地貌因素

隧道洞口浅埋段地处坡积平原地貌区，地层岩性复杂，坡积粉质黏土、全风化-强风化凝灰熔岩分布厚度变异较大，且地形起伏较大，存在偏压现象，如图8所示。进口端浅埋段隧道开挖后，极易产生滑塌及因岩土体强度降低所造成的围岩大变形，对隧道支护结构产生较大压力，且偏压作用导致初期支护变形左右不对称[11-15]，使得围岩变形更难以控制。

3.4 施工因素

中、下台阶一次开挖3～4榀，开挖进尺过大，大进尺开挖会严重破坏上台阶钢拱架稳定，且易出现拱架较长时间悬空;上台阶与中台阶开挖后，支护未形成临时封闭结构，造成初期支护变形较大;超前小导管注浆设备老旧，注浆压力远远达不到设计要求值，注浆加固效果差;下台阶拱脚部位积水严重，长时间被水浸泡，基底围岩承载能力进一步减弱。中、下台阶左右幅相差一榀钢拱架距离，同时施工时台阶两侧拱脚易同时悬空。

4 应对措施

4.1 洞内超前帷幕注浆加固

针对该隧道砂土状地层的特点，提出3种加固方案：地表注浆、帷幕注浆及超前水平旋喷桩，3种方案对比分析如表2所列。由于董奉山隧道浅埋段上方地表为果园，并且位于国家保护区红线边界范围，拆迁难度极大;采用超前水平旋喷桩施工难度大，费用高，并且施工进度无法满足要求，综合考虑采用洞内帷幕注浆加固方案。

采用帷幕注浆对隧道开挖轮廓线外5 m进行注浆加固，每循环注浆长度控制在25 m，预留5 m长度作为下段注浆搭接段，注浆孔以掌子面中轴线为中心向四周呈伞形布置，浆液扩散半径按1.5 m计，注浆孔底间距不大于3 m，注浆采用前进式分段注浆方式，注浆前，掌子面浇筑70 cm厚止浆墙，以避免注浆过程中浆液溢出，提高注浆加固效果及施工安全性。

4.2 洞内井点降水

洞内井点降水装置由φ125 mm打孔PVC管、底盖、细铁丝滤网及自吸水泵等组成，降水点在中台阶左右两侧布设，降水井纵向间距为15 m，井底深度超过隧道仰拱底部10 m，施工中不间断抽水，现场井点降水施工如图9所示。

4.3 支护参数加强

采用“中管棚+小导管”组合的超前支护技术，钢拱架调整为I25b，上台阶采用扩大拱脚，中、下台阶锁脚采用两根6 m长φ89×5 mm大直径锁脚锚管。锁脚部位钢拱架采用型钢纵向连接，如图10所示。拱脚支垫采用混凝土预制块，增强拱脚承载能力，其加强参数见表3。

4.4 施工工序控制

隧道开挖后立即初喷3～4 cm混凝土，以减少围岩暴露时间，防止开挖面松弛，提高开挖面的自稳性。开挖进尺大小及台阶长度影响着土体一次暴露的长度，减少一次开挖量和出渣量，缩短开挖与支护的衔接时间，可实现早支护。辅洞采用三台阶预留核心土临时仰拱法时，各台阶左右幅错距3 m，上台阶台阶长度为3 m，中下台阶掌子面错开4 m，仰拱至掌子面距離控制在19 m。临时仰拱应及时、逐榀跟进，逐榀拆除，有效临时仰拱不少于4道。整个工序循环耗时在19 h左右，月进尺为36 m，日均工效及月均工效较三台阶预留核心土工法有较大提高。二衬距掌子面距离控制在70 m内，且根据围岩变形情况及时施作。

5 結 论

通过对隧道大变形原因及应对措施进行分析，得到以下结论。

（1） 隧道施工中拱顶沉降呈现“急速增长-缓慢增长-趋于稳定”3个阶段的变化规律，其中急速增长阶段主要在上台阶开挖完成至中台阶支护完成阶段，持续大概3～4周;上、中台阶开挖变形占比较大，约占整个拱顶沉降的75%～80%，施工过程中要加强上、中台阶锁脚施工质量，控制施工步距等措施，控制围岩变形。

（2） 施工中围岩条件差，支护结构未及时封闭成环、地基承载力不足等，是造成初支侵限、钢拱架扭曲、初支开裂及地表塌陷等大变形破坏的主要因素。

（3） 洞内三台阶预留核心土临时仰拱工法，配合超前帷幕注浆+井点降水、φ89大直径锁脚，型钢纵向连接，大尺寸垫块支撑等辅助加固措施，控制围岩变形效果明显。

参考文献：

[1] 杨林，江鸿，陈培帅，等.浅埋大断面公路隧道塌方处治措施及效果分析[J].现代隧道技术，2020，57（6）：207-213.

[2] 王伟，李忠，沈学军，等.软弱围岩隧道洞口浅埋段变形特征及控制措施研究[J].中国安全生产科学技术，2020，16（9）：103-109.

[3] 李文韬，张拥军，刘思佳，等.山岭隧道浅埋偏压段塌方冒顶分析及工法优化[J].公路，2020，65（1）：309-314.

[4] 郭小红，姚再峰，马文著，等.山岭隧道洞口段工程地质灾害风险评价的数学模型及应用[J].隧道与地下工程灾害防治，2019，1（4）：75-84.

[5] 赵立财.浅埋大跨公路隧道穿越富水软弱土层施工关键技术[J].中国工程科学，2015，17（1）：81-87.

[6] 单超，冯志华，曹校勇，等.Ⅵ级围岩浅埋隧道侵限变形分析及其对策[J].公路，2019，64（2）：269-275.

[7] 马国民，李国锋，陈玉留，等.浅埋富水软弱围岩隧道掌子面后方位移控制技术[J].现代隧道技术，2016，53（4）：159-164.

[8] 张杰.软弱富水地层浅埋暗挖隧道地表沉降和支护结构受力的模型试验[J].铁道标准设计，2018，62（3）：107-113.

[9] 李卓霖，李炬，李茂源，等.富水破碎围岩大断面隧道施工工法研究[J].现代隧道技术，2019，56（增2）：585-590.

[10] 邹金杰，陈钢，甘鹏路，等.富水软弱地层中浅埋暗挖隧道施工地表沉降分析：以杭州紫之隧道为例[J].隧道建设，2017，37（2）：141-149.

[11] 杨晓华，曹扬帆，肖靖，等.开挖方式对跨基覆界面浅埋偏压隧道变形的影响分析[J/OL].建筑科学与工程学报：1-14[2022-04-25].http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/61.1442.tu.20211230.1338.024.html.

[12] 卢光兆，周博，徐锋，等.浅埋偏压隧道进洞施工围岩稳定分析[J].山东大学学报（工学版），2021，51（4）：61-70.

[13] 邱明明，杨果林，张沛然，等.浅埋偏压对连拱隧道施工力学效应的影响及处治措施[J].科学技术与工程，2021，21（5）：2061-2068.

[14] 代树林，左天宇，侯晶石，等.地形偏压隧道地表处理措施分析[J].科学技术与工程，2020，20（8）：3308-3314.

[15] 徐剑波，姜平，朱颂阳，等.基于现场监测和数值模拟的隧道初期支护效果分析[J].科学技术与工程，2020，20（5）：2061-2069.

（编辑：胡旭东）

Cause analysis and countermeasures of large deformation induced by shallow-buried tunnel construction under water-rich condition

WANG Lin1，YANG Lin2，3，YUAN Qing2，4，JIANG Hong2，4，XIAO Jing2，4

（1.CCCC （KUNMING） Construction Co.，Ltd.，Kunming 650000，China; 2.CCCC Second Harbor Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430040，China; 3.Transportation Infrastructure Intelligent Manufacturing Technology R&D Center，Wuhan 430040，China; 4.Transportation Infrastructure Intelligent Manufacturing Technology R&D Center，Wuhan 430040，China）

Abstract：

In order to solve the problems of prominent large deformation and difficult construction of shallow-buried section of tunnel entrance under water-rich condition，based on the Dongfengshan tunnel project under construction in Fuzhou City，the failure characteristics and causes of large deformation of tunnel section were analyzed in detail，and the corresponding countermeasures were put forward.The results showed that the large deformation was mainly caused by vault settlement due to the influence of stratum，topography，water environment and construction，and the deformation increased sharply in a short time after excavation.The large deformation of tunnel section presented a three-stage change rule of 'rapid growth，slow growth and stable trend'.The rapid growth stage was mainly concentrated before the next step excavation，and the deformation of surrounding rock accounts for about 75 %～80 % of the whole settlement deformation.According to the analysis of large deformation，it was proposed that the auxiliary reinforcement measures of 'advanced curtain grouting with well point precipitation' should be adopted before excavation，to improve the construction environment of surrounding rock in front of the working face.During excavation，the steel frame type strengthening，large-diameter locking foot at middle and lower steps and large arch foot at upper steps should be adopted，which can control the development of large deformation of tunnel to a large extent and ensure the safety of tunnel construction.The relevant experience can be used for reference in similar projects.

Key words：

shallow-buried tunnel under water-rich condition;large section tunnel;large deformation;vault settlement;countermeasures;Dongfengshan tunnel