土岩组合浅埋隧洞侧穿老旧房屋施工风险控制技术

刘新有 普恒 雷波 刘畅

摘要：

在城镇地区采用浅埋暗挖法进行的地下隧洞施工中，富水软弱地层及复杂周边环境对施工形成较大安全隐患。为控制施工风险，以滇中引水工程龙泉隧洞出口段土岩组合浅埋隧洞施工实践为例，以改造地质条件为前提，以强支护、密监测为原则，以控制地表沉降为重点，以格栅（或其他钢结构）和喷锚作为初期支护的手段，并采用预加固、大管棚、小导管超前注浆等措施。结果表明：各项措施合理可行，确保了复杂地层浅埋条件下隧洞的施工安全，可为引水隧洞施工提供参考。

关键词：

土岩组合； 浅埋隧洞； 施工风险； 滇中引水工程

中图法分类号：TV52

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.010

文章编号：1006-0081（2023）05-0059-06

0 引 言

复杂地质浅埋隧洞施工安全控制作为隧洞工程建设的难点，一直受到高度关注。相关研究和实践取得了许多技术成果和施工经验，如“三超”安全风险控制措施、多层次施工风险评价体系、深埋长输水隧洞施工风险评价模型以及通过建立分解树模型提出的风险控制措施等［1-3］。针对上软下硬地层中隧洞上台阶拱脚未坐落于基巖时，易引起初支整体下沉、地表沉降过大等问题，杜学才等［4］以滇中引水工程龙泉隧洞出口段为工程背景，分析了隧洞开挖引起的沉降规律及原因，并进行了水泥-水玻璃双液浆胶凝试验和地表注浆现场试验。结果表明：地下水入渗是引起初期支护整体下沉和地表沉降过大的主要原因，采用地表注浆取得了较好的止水效果，地表沉降和拱顶沉降显著减小。

在中国城区浅埋暗挖法隧洞施工技术的开发中取得了重大成果，但仍存在诸多不足，施工过程中存在风险与隐患［5］。本文以滇中引水工程龙泉隧洞出口段开挖支护为例，针对其地处上土下岩地层、埋深较浅、地表建筑物复杂的工程特点，分析了隧洞施工风险，并通过采用的三台阶向两台阶左右分步开挖法及超前预加固、构建筑物隔离及时调整开挖支护等措施，结合采取风险控制措施前后的拱顶沉降、地表沉降监测数据对比，表明所采取的措施达到了有效控制隧洞开挖变形、减小地表沉降、保证隧洞施工安全的目标，可为类似工程设计、施工提供参考。

1 工程概况

云南省滇中引水工程龙泉隧洞出口段位于昆明城区北部盆地与长虫山交接地带，长390 m，属土岩组合浅埋暗挖段，周边敏感建筑物众多，对施工安全要求高。研究区位置及周边环境见图1。

该段隧洞设计流量为80 m3/s，断面型式为马蹄形，断面净空尺寸为6.68 m×7.22 m（宽×高），如图2所示。隧洞地处滇池湖盆北部边缘区，位于长虫山背斜东翼，岩层走向与隧洞轴向大角度（≥60°）相交，陡倾下游方向；地势平缓、开阔，地形坡度小于5°，埋深在7～26 m之间，上覆土多为第四系冲、洪积（Q 4al+pl）土体，全部位于地下水位以上。隧洞围岩主要为裂隙溶蚀风化岩体，局部为表面强烈溶蚀风化岩体，主要穿越地层为第四系全新统冲、洪积层（Q 4al+pl）：红褐色黏土（③-3），硬塑，局部可塑、砾质土（③-6），硬塑（稍密）；大塘组上司段（C 1d2）：浅灰色角砾灰岩。该段隧洞地质情况见图3。土层、岩层主要物理力学参数分别见表1，2。

2 施工风险分析

龙泉隧洞出口段施工风险主要为地质风险、周边环境风险以及开挖施工风险。其中，地质风险主要包括：浅埋洞段围岩稳定性差、围岩大变形、涌突水、岩溶地质灾害等。周边环境风险主要包括：隧洞出口段穿越第四系冲洪积层（Q 4al+pl），其两侧地面建筑分布集中，隧洞施工引起的地下水位降低和围岩变形破坏均可能引发地表沉降超标、塌陷、建筑物裂损等。施工风险则包括施工作业及管理不当导致的事故风险等。

2.1 地质风险

龙泉隧洞出口段地质风险主要为：① 存在红黏土、白云质灰岩夹层、杂填土等不良地质，地层强度低、

水稳定性差，成洞条件及承载能力不足，有围岩稳定及大变形问题；② 隧洞埋深浅，上覆有效岩体厚度不足2倍洞径，开挖易冒顶塌方，且易遭遇不均匀沉降问题；③ 部分岩体岩溶发育强烈，透水性强，且隧洞处于长虫山岩溶子系统排泄区边缘，上游汇水丰富，隧洞通过可溶岩段时遭遇岩溶涌水的可能性大。根据围岩详细划分标准，该段属于Ⅴ类围岩，地质和水文条件复杂，地质风险较高。

2.2 周边环境风险

龙泉隧洞出口段周边环境风险主要指隧道开挖施工引起的地表沉降会对地表建筑物造成较大危害，轻则开裂，重则倒塌［5］。龙泉隧洞出口段LQUT8+810.653 m～LQUT9+200.653 m范围内地表环境较复杂，隧洞右侧临近地表建筑物主要有昆明重机厂家属区第18栋、第14栋、第13栋、新6栋、第78栋和昆明重工中学教学楼，隧洞左侧临近地表建筑物主要有公交车维修检修中心、燃气公司办公楼等（图1）。其中，重机厂家属区老旧房屋为20世纪80年代修建，基础形式为条形基础（深1.5 m），砖混结构5层，隧洞开挖边线距房屋仅9.7 m。隧洞埋深在7.0～9.6 m之间，最小埋深在洞口，若暗挖施工措施不当，引起的地表沉降可能导致上述建筑物开裂、倾斜、倒塌。

2.3 开挖施工风险

浅埋大断面隧道开挖施工各方面都存在风险。由于开挖断面大、埋深浅、围岩物理力学性质差，开挖后容易导致大变形及变形速度过快，严重影响施工进度和施工安全［6］。开挖方法不合理、超挖、超前支护不到位、开挖支护不及时、对土体扰动较多等易导致土体或支护结构、尤其是拱顶上方及两侧边墙失稳坍塌。台阶拱脚临空时间较长易造成拱顶及地面下沉，进而导致初支失稳。还有如开挖支护时物体掉落伤及人员、施工过程中监测不及时或异常数据未及时处理、施工质量不符合要求、安全措施不到位等，均会造成事故的发生。

3 施工风险控制措施

3.1 开挖方式选取

开挖方法选择不当或工序间安排不合理，将造成开挖面暴露时间过久，引起围岩松动、掉块等；支护不及时易导致地表沉降过大及塌方［7］。因此，必须采取正确的开挖方法并确保初期支护质量，包括超前支护、加强初期支护、加强监控量测、采用封闭型钢成环、緊跟二次衬砌等。

滇中引水工程龙泉隧洞出口段起伏岩层以角砾灰岩、白云质灰岩等中硬岩为主，抗压强度达60 MPa。为减小爆破振动影响，该段均采用非爆机械开挖。由于地质不均匀，采用组合工法并动态调整开挖台阶及支护参数，具体如下。

（1） 台阶调整。将隧洞前30 m作为开挖试验段，采用三台阶预留核心土开挖，核心土确保了掌子面稳定，但拱脚破岩效率较低，开挖工序时间长，拱脚扰动次数多。而且，由于作业空间受限，锚杆施工不及时，拱架封闭成环周期长，不利于沉降控制。后半段结合已探明的岩层起伏情况，将开挖方案调整为两台阶开挖。作业过程中加密监测，根据监测结果在设计超前支护措施上增加其他工程措施。

通过台阶调整，有效缩短了开挖面暴露时间，减小了拱顶沉降。由于土的固结过程中，土体水分排出，土体体积减小、密度及强度增大，易导致地层损失，故预埋注浆管及时进行初支回填灌浆，降低了地层损失率。

（2） 支护调整。隧洞开挖后及时进行初期支护，采用工字钢横撑将下台阶拱脚封闭，如图4所示。上台阶钢拱架之间加设I20a工字钢作为纵向横担梁，并将纵向横担梁与初期支护钢架腹板焊接成整体，如图5所示。通过支护调整，在减小了裸洞时间的同时，加快了初支成环，有效控制了初期支护体系的整体下沉。纵向横担梁增加了初期支护钢架的纵向刚度，有效控制了拱顶沉降。

为验证新的开挖方式对隧道变形的控制效果，对隧洞里程LQUT9+185和LQUT9+140两断面的拱顶沉降进行监测，其中LQUT9+185断面未进行开挖台阶调整和支护调整，LQUT9+140断面已进行调整。图6为两断面拱顶沉降时程曲线，可看出，变化开挖方式前，LQUT9+185断面拱顶沉降增长速率较快，50 d后仍在缓慢增加，达到35 cm以上；变化开挖方式后，LQUT9+140断面拱顶下沉减缓，且40 d后稳定在20 cm附近，表明开挖台阶和支护调整对拱顶沉降具有良好的控制效果。

3.2 地质风险预报措施

从以往隧洞施工情况来看，围岩条件较差洞段易出现塌方，而围岩条件较好洞段也往往因超前地质预报未落实到位，出现涌水突泥等地质风险。根据2.1节可知，龙泉隧道出口段不仅围岩条件较差，且存在岩溶涌水的风险，因此更需要考虑进行超前地质预报工作。联合使用物探法与钻探法，根据超前地质预报结果和掌子面实际情况，研判是否需要进行超前钻探。采用超前地质钻探则进行12 m及以上深度探测（连续施作大管棚时可代替超前钻探），掌子面探测钻孔不少于1个，探孔位置布置在掌子面洞顶范围。在富水岩溶发育区域、设计风险提示区域适当增加物探探孔数量。钻进过程中出现突进、卡钻或出水压力较大时，停止钻进，召集参建四方进行决策后采用合理的技术措施施工。

3.3 周边环境风险控制措施

3.3.1 建筑物隔离及洞外加固

为保证隧洞施工过程中周边地面建筑物的安全稳定，在全土层段和上土下岩段对地面建筑物采取隔离措施。采用小型机械地质钻机进行隔离桩施工，并分别按建筑物距离隧洞边线距离和地质情况进行地层注浆加固、地层注浆加固+套管、地层注浆加固+钢筋笼、地层注浆加固+套管+钢筋笼的洞外加固措施。

3.3.2 安全监测控制

通过现场监测数据验证建筑物隔离及洞外加固应用效果。除日常监测项目外，还新增建筑物沉降、倾斜量测等项目，每日进行数据整理分析并绘制关系曲线，预测后续数据的变形趋势。通过监测对施工过程进行动态控制和信息化指导。若数据变化异常，则按要求进行预警并加密监测，及时采取相应控制措施，确保施工和周边地面建筑物安全。图7为昆明重机厂住宅区附近地表沉降监测值随时间变化曲线，DBC01～07代表不同的测点。由图7可得，住宅区地表沉降累计变化值介于-3.21～20.29 mm之间，沉降变化速率介于-5.97～4.45 mm/d之间。地表总体沉降累计变化值与沉降变化速率均在设计控制值之内，表明采取的建筑物隔离及洞外加固措施对沉降控制较好。

3.4 开挖安全风险控制措施

3.4.1 超前预加固

为控制地层沉降，通常对洞内局部土体进行加固，以有效改进土体特性［8］，在隧道开挖施工后形成自然拱。为有效控制开挖风险，该段设计采用超前灌浆，注浆孔布置如图8所示。

在该段黏土层或上土下岩地层施工过程中，岩层起伏较大，掌子面超前灌浆为水平布孔，岩土交界面不易探明，灌浆过程中仅岩土分界线处灌浆孔具有可灌性，其余孔浆液扩散通道均被黏土层隔断，灌浆量较小，未达到超前堵水兼顾预加固围岩的效果，仍存在突泥涌水风险。经试验后调整为地表超前注浆加固，隧洞中心及左右边线各布置一孔（间距1.5 m，钻孔角度根据测量放样及隧洞埋深设置，确保钻孔位置延伸至隧洞拱脚）的方式施作钻孔，通过钻孔探明隧洞岩土分界线及溶腔位置，且根据钻孔进尺及回水情况判断相应区域地层性质及可灌性，对灌浆起到指导作用。

通过超前灌浆和超前地表加固结合，使围岩的裂隙被具有一定强度的浆体充填密实，加固了围岩，形成了止水帷幕。后期开挖后揭露的隧洞土层及岩层大多较干燥、无渗漏水情况，且开挖过程中掌子面浆脉明显，表明隧洞内及周边区域岩溶裂隙被水泥浆填充较好，地表超前预加固灌浆堵水效果明显。

3.4.2 超前大管棚

根据隧洞模型试验与现场监测分析，隧道的破坏首先发生在拱顶位置，随着隧道不同部分的开挖，破坏区向拱肩和地表扩展［9］。管棚超前注浆技术能有效控制浅埋隧道的地层变形［10］，因此采用超前大管棚作为支护措施［11］，现场实际全土洞段布置范围由顶拱120°调整为顶拱180°。采用Φ108热轧无缝钢管，壁厚6 mm，间距0.5 m，长12 m，外插角15°，两循环间搭接3 m，如图9，10所示。

管棚与拱架可靠焊接形成稳定支点。由于大管棚的梁效应及扩散传递荷载的作用，通过施作超前大管棚，一方面减少了工作面上覆的土压力，避免了围岩失稳；另一方面其预支护作用减小了地表沉降及拱顶沉降。同时通过管棚注浆可改善围岩状况，加固岩体，与超前灌浆作用类似。在管棚钻孔过程中做好详细记录，还可作为掌子面前方超前探孔依据。

3.4.3 超前小导管

实际开挖過程中，掌子面拱顶处局部渗水，上台阶岩层起伏，石芽夹黏土，黏土呈硬塑状。受水浸泡后易软化、崩解，开挖立架过程中黏土剥落掉块，需要进行大量清理排险工作，严重影响施工工期，且超挖严重，影响施工经济性。原设计小导管采用Φ42热轧无缝钢管，布置拱顶120°～180°，壁厚3.5 mm，间距0.5 m，长4.5 m，外插角10°～20°，两循环间搭接1.5 m。为控制风险，在原设计基础上加密布置小导管，上土下岩洞段布置范围调整为施作至岩土交界面且不小于顶拱180°范围，长度3 m，间距0.4 m，每循环布置，搭接1.5～2.0 m，如图11所示。

超前小导管一方面可起到超前管棚作用，另一方面可通过注浆与围岩紧密黏结，形成共同体。加密超前小导管前，隧洞最大超挖可达25 cm；加密后，隧道最大超挖控制在10 cm以内，表明加密后的小导管有效减少了超挖及掉块，提高了施工效率和经济性。

4 结 论

以滇中引水工程龙泉隧洞出口段为依托，结合施工工艺措施，针对上土下岩地质及浅埋等工程特点进行了风险分析，并采取合理措施控制施工风险，得到以下结论。

（1） 龙泉隧洞出口段施工具有诸多风险，包括地质风险、周边环境风险以及开挖施工风险，需分别采取相应风险控制措施。

（2） 采用三台阶预留核心土对全黏土段进行开挖，采用两台阶对上土下岩段分步开挖，辅以超前支护、支护参数调整、超挖掉块部位及时采用初支回填注浆等，可确保高效施工、初支快速封闭成环，有利于初支整体稳定、控制拱顶沉降。

（3） 采用物探法与钻探法相结合的方式落实超前地质预报工作，提前做好掌子面前方的地质研判及处理。

（4） 采取微型隔离桩及洞外注浆对地表周边建筑物进行隔离加固，监控量测结果表明该措施可有效减小隧洞开挖对周边环境的影响。

（5） 采用超前注浆对地下水进行超前封堵，堵水效果明显。施作超前大管棚可控制地层变形，施作加密布置后的超前小导管可有效减少超挖及掉块。

施工实施效果验证了各项措施的可行性和合理性，可为今后引水隧洞建设提供思路和经验。

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（编辑：李 慧）

Abstract：

The water-rich soft stratum and complex surrounding environment in the construction of underground tunnel using shallow buried excavation method in urban area form great security risks.To control the construction risks，take the construction practice of the excavation of shallow buried tunnel in soil-rock combination stratum in the Longquan tunnel exit section of the Central Yunnan Water Diversion Project as an example，with the precondition of reforming structural geology，under the principle of reinforcement measures and intensive monitoring，and based on the priority of controlling ground settlement，steel grate（or other steel structures） and shotcrete and rock bolt support were used an effective rocky reinforcement measures at the early stage.Relevant measures such as pre-reinforced structure，pre-grouted big tube canopy and advanced grouting with small pipe were taken.The results showed that all the measures were reasonable and feasible，ensuring the safety of tunnel construction under shallow buried conditions of complex strata，which could provide references for the construction of diversion tunnel.

Key words：

soil-rock combination； shallow-buried tunnel； construction risk； Central Yunnan Water Diversion Project