隧道浅埋段处置方案及安全要点分析

伍荣池

摘要：文章以位于武忻高速良塘3号隧道洞身浅埋区的冲沟段为案例工程，首先结合实际工程地质及地形条件，分析得出该冲沟段存在突水、突泥、崩塌、沉降等风险，并基于安全风险提出了相应的冲沟段施工处置方案。其次通过FLAC3D软件，建立隧道冲沟段有限元模型，经过分析得出：隧道开挖后的围岩变形规律；隧道围岩稳定性的综合辨别依据；设计极限位移值及3个管理等级。最后根据模拟计算及现场实际工况，提出并采取了冲沟段施工安全技术措施，安全平稳地度过了此冲沟段施工期。该处置方案及工艺可为类似冲沟下浅埋隧道施工提供有益借鉴。

关键词：隧道冲沟；综合处置措施；超前地质预报和监控量测；安全预警制度

中图分类号：U455.1    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0063-04

0 引言

岩溶地貌在我国西南地区分布广泛，随着国家经济的飞速发展，下穿岩溶发育、特殊地质地貌的隧道数量激增，导致隧道工程施工中面临的岩溶地质灾害概率大大提高。隧道施工过程中，常遇到突泥涌水、岩溶坍塌等突发性事故，造成人员伤亡、财产损失的不良后果，也严重影响了隧道施工、营运的安全［1-3］。

根据路线要求，部分隧道处在浅埋、冲沟位置，地质结构较为松散，自稳定较差，隧道掘进时极易出现坍塌、冒顶。为尽可能地降低隧道施工的风险、确保工程按期完成、保障隧道施工及营运安全，冲沟段进行超前地质预报、洞周隐伏岩溶的探测，辅助隧道安全预警工作显得十分重要。已有众多学者分别采用超前地质预报、数值模拟、新型支护方法等手段对此类问题进行了研究［4-7］。

隧道洞身浅埋区的冲沟段施工过程中通常存在较大的风险，本文以武忻高速良塘3号隧道为依托，通过冲沟段实际地质工况进行分析，提出详细的处置方案，并利用FLAC3D有限元软件进行数值分析，总结冲沟段施工主要安全技术措施成套技术，可为本工程的安全施工提供技术指导，为施工方案优化提供理论依据，保证施工进度，提高工程施工的经济性和安全性，为同类工程的设计与施工提供有益参考。

1 工程概况

武忻高速公路起点位于武宣县二塘镇渠盏村附近，接柳武高速公路，整体由东向西，终点位于忻城县古蓬镇板桑屯附近，接宜上高速公路（规划）；其中，良塘3号隧道位于来宾市兴宾区来国镇境内。设计隧道为分离式隧道，左线起止里程为ZK69+442～ZK69+955.5，长度为513.5 m，右线起止里程为YK69+435～YK69+960，长度为525 m。

良塘3号隧道纵断面中间处于冲沟段，中心桩号为K69+740，隧道冲沟段范围为YK69+660～YK69+800（ZK69+660～ZK69+800）。该路段为隧道洞身浅埋区，隧道穿越段岩性主要为角砾土、局部为中风化灰岩。角砾土厚度大，钻孔揭露最大厚度约20 m，为残坡积层，结构松散，自稳定性较差，围岩等级为V级，自稳定性极差，隧道掘进时极易出现坍塌、冒顶，因此应加强超前支护。研究区内地下水的种类，主要为第四系松散岩类孔隙水和碳酸盐类岩溶水两大类。隧道位于地下水位以上，雨季时出水状态为涌流状。隧道冲沟处，距离设计高程埋深仅有8 m，离隧道左线冒顶1 m，右线拱顶开挖线埋深仅有1 m。前第四纪地层主要为二叠系下统栖霞阶（P1q）灰岩、白云岩等。根据地质调查及钻探，隧址区基岩为硬质岩，岩质较硬，岩体破碎-较完整。第四纪地层主要为残坡积角砾土、黏土，一般较薄， 为1～2 m，陡坡处覆盖层缺失，可见基岩裸露。

2 冲沟段施工安全风险

良塘3号隧道冲沟段施工存在较大风险，在施工过程中，虽然采取了各种措施，但是也发生过突泥现象。ZK69+694～ZK69+784、YK69+686～YK69+767 段以强风化灰岩、角砾土为主，灰岩中厚层，岩质较坚硬-软，岩体较破碎-破碎，本段多次遇到土岩交界带，为岩溶强发育段，掌子面突泥、涌水坍塌可能性中-高度，围岩分级为V级，地质灾害等级为B级，有发生小-中型突水、突泥、崩塌的风险。本段存在土岩交界面，隧道存在不均匀沉降的风险。

3 处置方案

采用如下施工工艺流程：清表→截水沟施工→回填水泥土→浇筑30 cm厚的C25钢筋混凝土→回填黏土→双层小导管注浆加固围岩→洞身开挖→初期支护→仰拱与铺底→二次衬砌，具体如下所述。

（1）清表。清除地表垃圾、有机物残渣及原地面以下至少30 cm内的草皮、农作物的根系和表土，并进行台阶开挖。清表完成后进行压实处置，使压实度不小于90%。

（2）截水沟施工。清表完成后，K69+700～780段应按要求进行截水沟施工，使地表排水顺畅。沟槽开挖以机械开挖为主，辅以人工修整。机械开挖至距设计标高10 cm以上时，改用人工修整至设计标高，开挖做好超欠挖控制。沟槽开挖土方运出场外，禁止堆放在水沟外侧。

（3）回填水泥土。排水施工完成后，应对隧道埋深不足5 m的地方回填水泥土。水泥土可采用水灰比为0.5的水泥浆与黏土混合，水泥浆含量不小于10%，水泥土材料应集中于隧道K69+740冲沟段附近进行集中拌和生产，采用机械辅以人工的方式进行拌和。

（4）浇筑30 cm厚的C25混凝土（如图1所示）。水泥土填筑施工完成后，应按设计要求进行地表硬化，硬化的范围应不小于水泥土填筑施工范围50 cm。硬化需鋪设20 cm×20 cm、φ8 mm的钢筋网，由钢筋加工场按图纸要求下料，严格按规范要求进行焊接、绑扎，安装时做到尺寸准确。混凝土强度必须符合图纸要求，即C25。浇筑分层厚度为30 cm，采用插入式振捣器振捣密实，插入式振捣器应快插慢拔，均匀振捣，直到混凝土表面不浮浆、无气泡，不下沉为止。

（5）回填黏土。地表硬化完成后，应回填30 cm厚的黏土，采用机械分层进行黏土的摊平、碾压，回填范围即混凝土硬化范围，再采用人工撒播草籽并栽种灌木的方式进行防护，人工再覆30 cm厚的种植土，然后撒播草籽（糖密草和狗尾巴草），每1 000 m2撒播80 kg草籽。撒播完草籽后安排专人进行洒水养护。

（6）双层小导管注浆加固围岩。双层小导管超前支护适用桩号为ZK69+660～ZK69+800（YK69+660～YK69+800）。采用φ42 mm×4 mm双层小导管进行预加固处理。

（7）洞身开挖。隧道施工至K69+660-K69+800时，施工方法改用环形开挖预留核心土法，施工至冒顶位置前20 m即K69+720时，需停止施工，待地表处理完成后，再进行正常隧道开挖施工（如图2所示）。

4 安全预警和安全要点分析

4.1 超前地质预报预警

在岩溶不良地质条件下，隧道施工风险极高。受围岩完整性及结构面特性等影响，可能出现明显的差异变形，影响洞身围岩整体稳定性，甚至引发冒顶、涌水突泥、大变形等不良地质灾害。本节以实际模型计算作为标准，研究隧道开挖后围岩变形特征影响，以此提出隧道开挖变形极限位移值。本次计算模型以隧道里程ZK69+698～ZK69+770段为背景，通过FLAC3D有限差分软件，分析隧道开挖后围岩变形规律。计算物理力学参数见表1。

计算结果如图3～图5所示，以ZK69+720断面为例，隧道开挖后，X方向（横向）位移在0～0.04 m，而Y方向（竖向）下沉位移在0～0.16 m。根据在隧道洞顶布设的3个监测点的监测曲线可知，开挖初期变形较小，而随着开挖的逐步进行，洞顶下沉位移快速增加，然后逐渐趋于稳定。

隧道围岩稳定性的综合辨别如下。①根据位移速率判断：速率大于1 mm/d时，围岩处于急剧变形状态，此时应加强初期支护；速率变化在0.2～1.0 mm/d时，应加强观测，做好加固的准备；速率小于0.2 mm/d时，围岩达到基本稳定的状态。在岩溶裂隙发育段、软弱破碎带、大变形地段等不良地质中，应根据实际情况制定围岩稳定性标准。②根据位移速率变化趋势判断：当围岩位移速率变化减小时，变形趋于稳定，围岩处于稳定状态；当围岩位移速率变化保持不变时，围岩处于持续变形状态，应增强支护参数；当围岩位移速率增大时，变形加剧，围岩有失稳可能，应立即停止施工，封闭掌子面。

由计算结果可知，设计极限位移值为300 mm。根据围岩位移速率控制基准，分为3个管理等级，各等级安全性评价分析见表2。

良塘3号隧道地质预报发出预警4次，其中左洞2次、右洞2次，发出预警的原因基本为前方围岩发生变化，遇到土岩交界面或前方物探异常推测为岩溶发育区。良塘3号隧道监控量测发出预警38次，其中左洞20次、右洞18次，发出预警的原因基本为监测位移速率加快，超过预警值或出现小规模坍塌，左洞在ZK69+698～ZK69+770段的位移沉降速率大，多次超过预警值，最大位移速率发生在ZK69+706断面（2022-09-02，24.5 mm/d），最大累计位移发生在ZK69+706断面，累计值为140.7 mm，左洞监测断面均未超过设计预留变形值（150 mm）。右洞在YK69+689～YK69+763段的位移沉降速率大，多次超过预警值，最大位移速率发生在YK69+756断面（2022-12-06，45.5 mm/d），最大累计位移发生在YK69+726断面，累计值为256.8 mm，右洞监测断面在YK69+716～YK69+800段多个监测断面超过设计预留变形值（150 mm）。对良塘3号浅埋段监测数据进行分析，该段围岩自稳能力差，一旦开挖扰动，变形速率马上加快，最大可达45 mm/d，但隧道为整体变形下沉，因此一般洞内未出现较大裂缝，地表裂缝变化明显。掌子面停止掘进，仰拱跟进闭环后，变形速率会降低，2～3 d后变形速率可降低至预警值以下。

4.2 冲沟段施工主要安全技术措施

（1）施工前应对勘察设计单位所提供的工程地质勘查报告及设计图纸进行会审，详细了解隧址工程地质情况，认真编制和实施施工组织设计。加强监控量测，地质雷达超前地质预报和TSP地震波超前地质预报等多种物探手段要结合项目部探明的地质情况，同时采用超前钻，进一步确保地质预报准确。

（2）遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”原则，确保施工安全。

（3）隧道开挖爆破应严格按照钻爆设计组织施工，当地质情况发生较大变化时，要及时调整爆破设计。施工至围岩自稳能力较差的软弱破碎带、浅埋软岩和涌水地段时，为保证洞体稳定，项目部采用双层小导管注浆加固围岩、地表预加固地层及设置截水沟排水等综合措施。

（4）隧道采用锚喷支护施工。爆破后，如果开挖工作面存在坍塌风险，为确保安全，应尽早初喷混凝土实施封闭。当围岩自稳性很差，开挖轮廓面难以成形时，应及时施工超前支护，安装钢拱架及系统锚杆，保证初期支护的稳定性。

（5）对于软弱破碎带等围岩自稳能力极差的不良地质地段，施工时开挖轮廓面难以成形，可采用注水泥浆液固结周边围岩，提高其自稳能力，注浆浆液的浓度应由稀到浓，注浆压力由低到高，逐级变换。

（6）不良地质隧道衬砌，当基底承载力不满足设计要求时，应进行地基处理，保证基底承载能力。仰拱施工时，应在隧底开挖完成后抓紧闭环，或在满足施工条件的情况下及时施工仰拱，改善整个初支受力体系；为提高混凝土的早期承压能力，可提高拱墙混凝土标号或采用早强水泥，提高衬砌的早期承载能力。

（7）选择旱季施工。良塘3号隧道冲沟开挖，控制水因素的影响，是确保隧道开挖安全的重要措施。地表通过截水沟、回填水泥土及进行地表硬化等多措施，减小地表水对施工项目的影响。2022年下半年，气候干燥，降雨偏少，给顺利通过冲沟创造了有利条件。

（8）项目施工时，邀请有经验的专家给予质量把关非常重要。项目部要动态了解现场施工情况，结合专家意见，科学地调整施工方案。

（9）探明掌子面前方地質情况，迅速启动预警体系，采取必要措施，确保人员和财产安全。统计监控量测和超前地质预报预警数据发现，预警系统有效地指导了施工，确保了施工安全。

5 结语

针对武忻高速良塘3号隧道洞身浅埋区的冲沟段存在突泥等风险，通过FLAC3D软件建立有限元模型，并结合现场实际工况，提出以下处置措施。

（1）施工工艺流程：清表→截水沟施工→回填水泥土→浇筑30 cm厚的C25钢筋混凝土→回填黏土→双层小导管注浆加固围岩→洞身开挖→初期支护→仰拱与铺底→二次衬砌。

（2）隧道开挖后围岩变形规律：隧道开挖初期变形较小，而随着开挖的逐级进行，洞顶下沉位移快速增加，随后逐渐趋于稳定。

（3）隧道围岩稳定性的综合辨别依据：①位移速率大于1 mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护；位移速率为0.2～1.0 mm/d时，应加强观测，做好加固的准备；位移速率小于0.2 mm/d时，围岩达到基本稳定。②当围岩位移速率变化减小时，变形趋于稳定，围岩处于稳定状态；当围岩位移速率变化保持不变时，围岩处于持续变形状态，应增强支护参数；当围岩位移速率增大时，变形加剧，围岩有失稳可能，应立即停止施工，封闭掌子面。

（4）确定设计极限位移值为300 mm，当管理位移值低于100 mm时，管理等级为Ⅲ级，可正常施工；当管理位移值大于等于100 mm且小于200 mm时，管理等级为Ⅱ级，应加强支护；当管理位移值大于200 mm时，管理等级为Ⅰ级，应采取特殊措施。

（5）提出冲沟段施工可行性较高的安全技术措施。

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