鹅公尖隧道浅埋偏压断层破碎段施工方案研究

2022-08-18胡杰任会

运输经理世界 2022年14期

胡杰、任会

（1. 湖南建工集团有限公司，湖南长沙 410029；2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410200）

0 引言

平江至益阳高速公路，是湖南省“七纵七横”中的第三横——平江（湘赣界）至安化高速公路的东段，从湘北横贯东西。项目在穿越平江幕阜山时，设置了鹅公尖隧道。隧道采用分离式双向四车道布置，断面形式为马蹄形，最大开挖跨度13.3m，最大开挖高度10.6m。受隧道前后构筑物影响，隧道平江端左右洞结构净间距仅为17m，属于小净距段。在地质构造影响下，距离平江端洞口100m 处发育有一处宽20m 的断层破碎带。

潘文韬等基于九绵高速福隆隧道进行了浅埋偏压隧道施工工法研究，现场监测结果表明深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大，浅埋侧下拱腰收敛增速较慢，提出偏压隧道较适宜工法为CD 法。侯瑞彬等做了大跨小净距偏压隧道施工方案优化分析，认为CRD 工法对控制隧道水平收敛较为有利，但隧道拱脚处应力集中现象明显，围岩塑性区较大，双侧壁导坑法对控制隧道拱顶下沉较为有利。潘家升等结合合芜高速试刀山隧道工程，分别对CD 法和三台阶七步法进行了研究，认为隧道穿越浅埋偏压段时，三台阶七步法在控制围岩变形方面比CD 法更具优势。胡炜等认为处于倾斜层状岩体中的隧道常会产生地质顺层偏压的问题，导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏。付大喜结合永吉高速毛坪隧道浅埋偏压段下穿高压线塔工程实例，提出CRD 法在施工前期效果较好，但整体效果不如环形开挖预留核心土法，先施工浅埋侧比先施工深埋侧相对偏于安全，深埋侧整体应力值明显大于浅埋侧的，隧道存在整体侧移的趋势。

综上所述，在浅埋偏压隧道的施工方案研究方面，众多专家学者进行了大量的分析研究，总体上认为浅埋偏压隧道需采取分步施工方案减少围岩的变形，但对处于断层破碎带的小净距浅埋偏压隧道涉及较少，本文拟结合鹅公尖隧道进行进一步的研究分析。

1 工程概况

1.1 项目概况

鹅公尖隧道是一座分离式长隧道，左洞长1195m，右洞长1250m。隧道段最小平曲线半径为2150m，纵坡为人字坡，平江端为2.3%的上坡，伍市端为1.6%的下坡。隧道平江端距洞口100m 处发育f1 断层，隧道穿越断层段长度为20m，双洞最小净距为17m，仅为1.3 倍开挖洞径，属于小净距隧道。洞顶最小覆盖层厚度约20m，小于深浅埋限界埋深30m，属于浅埋隧道。左右洞之间的地面横坡为38，地形偏压严重。该段为小型塌方事故频发地段，拟作为本文的研究对象（见图1）。

图1 隧道平江端平面、纵剖面图

1.2 地质条件

隧址区内构造体系为新华夏系巨型第二沉降带的次一级隆起带，前燕山期形成的东西向构造、古弧形构造、燕山和喜山期产生的新华夏系构造和其中一系列断裂构造为主要内容的区域构造行迹，围岩岩性主要是板岩和千枚岩。根据地勘结果，隧道区内发育3 条次级断层，隧道区内下伏基岩主要为冷家溪群板岩夹千枚岩，岩层倾向单一，岩层呈单斜状，局部受构造影响，产状局部变化，岩层反倾。研究段的f1 断层为逆断层，走向约5，倾向东，倾角约81，宽20m，带内岩石破碎，挤压明显，岩石呈碎块状、角砾状，局部糜棱化，影响带岩体破碎，节理密集。断层破碎带地下水较丰富，多处见下降泉，与隧道交角约80。断层破碎带处围岩的岩土力学指标参数见表1。

表1 隧道岩(土)物理力学设计计算参数表

1.3 设计情况

鹅公尖隧道按双向四车道高速公路、100km/h 标准进行设计，采用单心圆内轮廓断面型式，拟定为拱高736cm，拱墙部圆半径为581cm。隧道按新奥法原理进行设计，拟研究段的围岩级别为Ⅴ级，支护结构从外到里分别为初期支护、复合式防水层、二次衬砌。初期支护为4m 长锚杆和26cm 厚C20 喷射混凝土，内含间距为60cm 的工20a，复合式防水层为无纺布和高分子防水板材，二次衬砌为45cm 后钢筋混凝土全环封闭式结构。

1.4 施工过程情况

隧道从平江端洞口采用台阶法掘进，左右洞掌子面错开30m 左右。2019年8月隧道施工至断层位置，掌子面揭露的围岩为强风化板岩，岩体破碎，呈散体结构。尤其是左、右洞拱腰往拱顶方向，围岩节理发育，岩质较软，自稳条件差，结构面结合差，在隧道出渣过程中均出现拱顶掉块现象，并发生塌方，拱顶部分最大塌方范围宽12m，深5.6m。塌方严重影响了隧道施工的正常掘进，为避免隧道塌方威胁到工人的生命安全，需暂停施工，找到解决方案。由于设计的支护结构措施已经较强，为落实短进尺、勤支护的理念，需进一步优化施工方案（见图2）。

图2 隧道塌方现场及施工方式图

2 施工方案分析

根据以往专家学者的研究，目前在软弱围岩大跨隧道结构的施工方案中，采用的施工方案因隧而异，下面结合几个具体实例介绍如下。广东省广乐高速公路乌树头隧道综合分析了双侧壁导坑法、CD 法(单侧壁导坑法)、三台阶加临时仰拱法等3 种不同的施工方法，提出采用双侧壁法可以保证围岩稳定性及围岩变形量最小。广福隧道某浅埋段，地质条件复杂，断面大、岩性差，受构造影响比较严重，而且顶板厚度比较薄，易发生坍塌、冒顶现象，比选了全断面法、短台阶法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法，认为双侧壁导坑法开挖时位移最小。深圳市红棉路隧道研究了双侧壁工法，认为传统双侧壁工法存在施工工序较多、施工速度较慢、施工循环距离较长、临时支撑较多、断面闭合时间较长等不足。

从上述研究成果来看，双侧壁施工方案虽然具有变形小及围岩相对稳定的优点，但存在施工进度慢、工序多、机械利用率低等缺点。而鹅公尖隧道断面宽度不超过14m，在小净距、断面破碎带段的施工需采用扰动小、机械利用率高、施工进度快的施工方案，如采用双侧壁导坑施工，则单侧导坑的宽度不超过5m，工作面较为狭窄，开挖掘进机械回转空间不足，效率低。根据隧道前段采用的施工方法，着重比较CD 法和环形开挖留核心土法两种工法。

2.1 环形开挖留核心土法

利用环形开挖预留核心土法施工能够采取机械化施工，及时对围岩进行封闭，同时加快了施工进度。结合隧道的特点，隧道左右洞均采用环形开挖留核心土工法施工，具体做法如图3 所示。

图3 环形开挖留核心土法施工顺序及计算模型示意图

施工顺序：开挖①部，施工支护Ⅰ（含超前支护、喷射混凝土、钢筋网、钢拱架）；开挖②部；开挖③部，施工支护Ⅱ；开挖④部，施工支护Ⅲ（仰拱初支）；施工支护Ⅳ（仰拱）；施工支护Ⅴ（二次衬砌）。

根据实测地形数据和岩土力学参数，进行有限元计算，模拟施工先开挖左洞隧道，后开挖右洞隧道，计算模型见图3。

计算显示，左洞开挖后变形范围小于右洞，且两洞变形总体向偏压一侧倾斜，图4 为左右洞洞顶围岩变形随开挖进行的总体变形数据。其中第9 施工步为左洞二衬施工，第12 施工步为右洞核心土开挖，从图4 中可以看出，在右洞核心土开挖完成后洞顶位移趋于稳定，最大变形值为13mm。

图4 环形开挖预留核心土法左右洞洞顶位移示意图

2.2 中隔壁法（CD 法）

CD 法施工对保持结构稳定和施工安全、实现分部开挖的减跨作用等具有较好的应用前景。鹅公尖隧道左洞埋深较浅，属于施工先行洞，采用环形开挖预留核心土法施工效果较好，右洞埋深相对较深，拟进行CD 法施工比选，通常具体做法见图5。

图5 CD 法施工顺序及计算模型示意图

施工顺序：开挖①部，施工支护Ⅰ（含超前支护、喷射混凝土、钢筋网、钢拱架、临时中侧壁）；开挖②部，施工支护Ⅱ（含边墙及仰拱初期支护）；开挖③部，施工支护Ⅲ；开挖④部，施工支护Ⅳ（仰拱初支）；施工支护Ⅴ（仰拱）；施工支护Ⅵ（二次衬砌）。

图6 为左右洞洞顶围岩变形随开挖进行的总体变形数据。其中第9 施工步为左洞二衬施工，第16 施工步为右洞右侧下台阶开挖，从图6 中可以看出，在右洞右侧下台阶开挖完成后洞顶位移才趋于稳定，最大变形值为14mm。

图6 CD 法左右洞洞顶位移示意图

2.3 小结

比较右洞采用环形开挖留核心土法和CD 法两种方式可知：左洞开挖期间对右洞洞顶位移存在影响，最大值不超过1mm；环形开挖留核心土法对拱顶位移的影响仅限于核心土开挖之前的阶段，之后则基本影响不大；CD 法对拱顶位移的影响在右洞整个断面开挖施工时均有影响，且累计数值稍大于环形开挖留核心土法。

综上所述，从结构快速封闭成环和减小围岩变形出发，鹅公尖隧道浅埋偏压断层破碎带左右洞均拟采用环形开挖留核心土法。

3 实施情况

隧道浅埋偏压断层破碎带共40m 长度范围内采用环形开挖留核心土法施工，台阶长度的选取结合实际的地质状况以及监测来确定，采用的是长度控制在5～10m 的超短台阶，保证初期支护及时落底闭合，二次衬砌紧跟掌子面。为减小左右洞干扰，左右洞先后错开施工，后行洞掌子面应滞后于先行洞二次衬砌，先施工左洞，后施工右洞。图7 为施工开挖照片及洞顶下沉监测记录图，通过采用环形开挖留核心土法，洞顶下沉速率在开挖后两周内趋于稳定，3 周后即可施做二次衬砌。通过及时调整施工方案，隧道安全通过了断层破碎段。