BSL隧道施工變形開裂的成因及處理

張遠榮，朱宏光

(1.中國鐵道科學研究院 深圳研究設計院，深圳 518034;2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司，北京 100081)

1 工程概況

BSL隧道是深圳市福龍快速路一關健工程項目，隧道為雙向六車道，左右洞總長680 m，開挖跨度16.95 m，高11 m;右洞局部為四車道，開挖跨度20.75 m，高12.2 m，隧道內輪廓設計為三心拱形。

隧道所穿越地段的地形起伏變化較大，有沖溝、緩坡、陡坎，山坡植被發育，并隨處可見裸露地表的花崗巖微風化球體，見圖1。隧道圍巖主要為燕山期花崗巖侵入體，巖層為巨厚層狀結構。隧道基本上處于全～強風化的花崗巖體或第四系坡積、殘積土中。受構造影響，圍巖節理發育，巖體成為大塊狀砌體結構或碎塊狀壓碎和鑲嵌結構。全～強風化的花崗巖容易碎成粗顆粒的砂質土，可塑性差。地下水受大氣降水直接補給時，可通過圍巖顆粒間孔隙和圍巖裂隙，形成滲水排出。

圖1 BSL隧道洞口地貌

2 偏壓引起的左線ZK3+965—ZK3+983隧道變形開裂的處理

2.1 偏壓的形成

隧道左線出口段是2006年7月份從南向北開挖的。采用φ108大管棚注漿加固拱頂，初支采用錨桿加格柵，間距50 cm×50 cm網噴混凝土厚35 cm。用上下臺階、留核心土法施工。隧道口地表按設計要求施作了仰坡(采用C20混凝土)，進行了掛網噴漿的施工防護。

由于隧道左線出口段地表高程比右線低10～15 m，地表偏壓嚴重。隧道左側結構面距離山坡臨空面也不到10 m，有三塊巨大的孤石，臥壓在隧道的左上方，孤石裸露在外，擠在一起，最小的孤石有30 m3，最大的約100 m3。在大孤石的下面，由于雨水的長期沖刷，形成了一個大空洞，洞體約180 m3。空洞底為風化后的砂質土，洞壁距離隧道結構僅有1.2 m。覆蓋層為全～強風化的地層，暴雨季節，滲入水使圍巖松散，自穩性差，危及隧道安全。

2.2 第一次對隧道左線偏壓的處理

2006年8月18日夜里突降暴雨，由于偏壓影響，隧道右上方仰坡大面積開裂，土體下滑，向左傾斜，嚴重危及隧道的施工安全。因此進行了第一次處理。

1)根據滑坡范圍和現場地形，對隧道口以上的仰坡立即進行削坡減壓，見圖2。

①劃分施工臺階，用挖掘機剝土。由于仰坡較高，分為三級，每級臺階高8 m，碎落臺寬度1.5 m，仰坡斜率:一級 1∶0.6，二級 1∶0.7，三級 1∶0.8。

②仰坡防護結構:采用φ22砂漿錨桿，L=3 m，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，掛 φ8鋼筋網，@200 mm×200 mm，噴C20混凝土10 cm厚。

圖2 左線隧道出洞口偏壓處理(單位:高程為m)

2)孤石下面的空洞處理，采用 C15的混凝土回填，共 175 m3。

經過7 d的剝土施工，共挖土9 700 m3，再加上對隧道左側空洞的回填處理，一定程度上減輕了對隧道的偏壓力。

2.3 隧道左線偏壓第二次處理

1)偏壓狀況:隧道左線右上方的仰坡經過2006年8月份的削坡減壓處理，雖然一定程度上減輕了對隧道的偏壓，但由于隧道右側的覆蓋層厚度仍然遠比左側大，特別是隧道上面的沖溝周圍的匯水，對隧道覆蓋土的滲透浸泡，使圍巖完全失去自穩能力。2006年12月6日當掌子面由南向北開挖到ZK3+983時，靠近洞口6 m處出現環向裂縫，寬度迅速從3 mm擴大至5 mm，地面仰坡又出現多條8～10 m長的裂縫，寬度0.5～20.0 mm不等，仰坡豎向裂縫向洞口左側不斷發展。

經測量監測發現，隧道下沉速率為20 mm/d，拱頂累計下沉達60 mm。向左橫向位移最大處達58 mm，又一次出現了嚴重險情，必須采取措施進行處理。

2)處理偏壓措施:左線隧道偏壓的第二次處理，實際上是第一次處理偏壓的延續。處理順序是先對洞外“卸載減壓”，再加固洞內。

①使用挖掘機剝離仰坡，將右側第三級仰坡向后推移6.5 m，碎落臺寬度由原來的1.5 m加寬至8m。由于推移后的仰坡高度達11.28 m，在中間增加第四臺階，碎落臺寬1.5 m，三、四級仰坡坡度均為1∶0.8。總共剝離土方4 600 m3。

②將仰坡所挖除的土方填至隧道左側低洼處，填土高度至第二臺階頂，邊坡坡率為1∶0.7，采用三維土網墊植草防護，共填土3 400 m3。

③仰坡防護加固形式為網噴C20混凝土，厚度50 mm。

④在仰坡的上方，修建了防洪天溝。

⑤ZK3+970—ZK3+980段原初支內側增設 I18工字鋼護拱，間距100 cm，噴射C20混凝土，厚度21 cm，并設中間型鋼立柱。

⑥加快隧道下臺階施工，盡快進行仰拱施工，達到早封閉的目的。

2.4 處理隧道偏壓的效果

左線隧道經過地表減壓，洞內支護加固處理，兩側變形迅速收斂，經過25～35 d，拱頂沉降也趨近于0(見圖3)，隧道已停止變形開裂，已于2007年3月開始二次襯砌。

圖3 ZK3+971初支后隧道拱頂下沉與隧道內側收斂變化曲線

3 隧道右線進口四車道 YK3+955—YK3+985變形開裂的處理

3.1 變形開裂狀況

隧道右線進洞口段，四車道長 25 m，開挖跨度21.15 m，開挖高度13.26 m。采用 φ108大管棚保護下的上下臺階法開挖，初期支護采用鋼格柵，間距50 cm，φ25中空注漿錨桿，網噴混凝土，噴層厚度35 cm。2006年8月14日，當開挖初支已完成30 m，進入到三車道過渡段時，隧道進洞口段發生了變形開裂。

1)YK3+960—YK3+980段拱頂出現了多條彎拉裂縫，縱向裂縫寬度5～10 mm，環向裂縫共3條，寬度10～15 mm。

2)鋼格柵變形嚴重，拱部中間被反向壓彎，拱架連接處出現扭曲，拱腳成八字形，見圖4。

圖4 隧道左側拱架出現的壓扭現象

3)監測數據表明，隧道沉降最大為170 mm，已向洞口縱向位移近100 mm。

3.2 原因分析

1)隧道跨度大，結構扁平，承受垂直壓力能力差。

2)地質上該地段覆蓋層為全～強風化的砂質土和第四系的坡積層，結構松散，自穩性差。

3)天氣連降暴雨，滲水使圍巖含水飽和，自重增大，加上所含孤石的重力作用，致使該地段處于相當危險狀態。

3.3 處理措施

1)暫停掌子面開挖。為防止拱頂繼續下沉，沿隧道縱向中間部位增設3排臨時支撐。臨時支撐采用φ108鋼管，按縱環間距1.0 m×1.5 m布置，支撐的頂底加橫檔，見圖5。

2)由于施工時洞口段曾經預留了40 cm的沉降空間，雖然已下沉了約10 cm，還有20～30 cm的預留空間，因此利用預留空間對 YK3+955—YK3+985洞口段的原有初支又增設了Ⅰ18型鋼支撐(間距0.5 m)，采用單層φ8鋼筋網@150 mm×150 mm，噴 C25鋼纖維混凝土，厚21 cm，進行全斷面加固，見圖6。

3)對環、縱向產生裂縫部位，于拱部設置徑向φ50中空注漿錨桿，L=6.0 m，環縱間距1.5 m×1.5 m;拱腳采用 φ32中空注漿鎖腳錨桿，L=4.0 m，環縱間距1.0 m×1.5 m，見圖6。作為永久的支護結構注漿錨桿，限制、約束了圍巖變形，注入的水泥漿滲入到全風化花崗巖顆粒的孔隙間，對隧道圍巖起到了整體的“串掛固結”作用，增強了圍巖的穩固性。

4)在開挖下臺階邊墻及設置拱架時，必須把鎖腳錨桿與拱架焊接牢固，以防下沉。

5)從洞口開始割除臨時鋼管支撐，盡快完成仰拱的施工，早日封閉。

3.4 監控量測

為了掌握隧道的加固效果，在四車道斷面內共布置了3條收斂量測水平測線和4組共9個拱頂沉降觀測點。利用洞外水準基點使用N3水準儀，按二等水準測量精度進行聯測，拱頂沉降點按三等變形測量的技術要求進行作業。觀測前進行了儀器i角檢查，i角的允許誤差在±15″之內。洞內周邊收斂使用SL-2型便攜式鋼尺收斂計進行量測，并加以溫度改正。

觀測頻率在初支完成的前5 d每天定時觀測一次，以后隔3 d觀測一次，再以后每隔10 d觀測一次，直至隧道變形進入基本穩定階段，即拱頂沉降和周邊收斂速率皆小于0.2 mm/d時，才開始二次襯砌。從觀測資料來看，初支加固后大約一星期，周邊收斂變形基本穩定;而拱頂下沉需要25～35 d才能完全停止沉降，見表1。

3.5 處理效果

加固處理并經一定的時間觀測，可以看出以下顯著效果:

1)變形開裂已得到控制，初支表面未出現任何裂縫、變形。

2)地表與洞內沉降和收斂值逐漸趨向0值。

3)采用鋼筋格柵和型鋼支撐雙重拱架，初支十分穩固，達到“剛柔相濟”的效果。

圖6 隧道斷面加固示意(未注明者單位:mm)

表1 YK3+967處隧道初支加固后拱頂沉降及周邊收斂變形情況表

4 兩點體會

1)隧道洞口段位置的確定很重要。如果設計時能將左線隧道南洞口向北移10 m，并在隧道開挖前將由于地形地貌原因而產生的偏壓預先做一些處理，即削減隧道右上側的土體，填充隧道左側低凹地形以及大孤石下面的空洞，不僅能節省一些工程造價，也會給施工減少很多麻煩。

2)隧道口“早封閉”勢在必行。BSL隧道四車道進口段，已開挖了30多m，才回過頭來施作洞口仰拱，拖延了時間，致使拱頂已出現了幾道環向裂縫，發生了10 cm的縱向位移。幸而對初支采用了有效的加固措施，才化險為夷。因此“早封閉”至關重要，特別是洞口段及早施作仰拱，是防止隧道縱向位移的有效措施。

［1］中華人民共和國交通部.JTJ042-94 公路隧道施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，1994.

［2］深圳市勘察測繪院.福龍路隧道工程巖土工程勘探報告［R］.深圳:深圳市勘察測繪院，2004.

［3］關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］李瑞顯.甬臺溫鐵路太坤山隧道超淺埋段施工關鍵技術［J］.鐵道建筑，2009(12):64-66.