偏壓軟弱圍巖隧道進洞階段監控量測技術

摘 要:偏壓、軟弱圍巖隧道進洞階段施工困難，監控量測等是保證隧道安全施工的有力措施。某新建高速公路隧道地處湘西南地區，洞口偏壓、圍巖軟弱，進洞階段適逢雨季，洞口開挖后出現了大面積的初期支護開裂、混凝土剝落，洞口地表開裂，截水溝壓潰，嚴重影響隧道安全和穩定。將監控量測納入隧道施工過程，根據預報和監測結果指導施工，保證了隧道的安全和質量。

關鍵詞:隧道 偏壓 軟弱圍巖 監控量測

中圖分類號:U44文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)12(b)-0040-03

1 引言

某隧道為新建高速公路控制性工程，左右幅分離，單洞長度3651m，于2009年底開工建設。項目沿線地形屬云貴高原向江南丘陵過渡的湘西南地帶，區內多為砂質板巖地區，斷層、軟弱夾層，破碎地層、節理密集帶、富水裂隙帶廣泛分布。

地質調查表明，隧道右洞出口端處于山坳出口，隧址嚴重偏壓，右側地表平緩，約800㎡水田，常年有小溪狀流水，表層為殘坡積種植土，植被發育，砂漏層。春夏屬湘西南地區雨季，陣雨、暴雨隨時而至，降水在地表漫流滲入，下有浸泡圍巖使得圍巖泥化，軟弱，巖體抗剪強度大大降低，增大襯砌壓力，嚴重影響洞口邊坡和隧道圍巖的安全和穩定。

根據設計，隧道右洞出口端按V級圍巖施工，施工參數為S5a:初期支護采用C20噴射混凝土，厚24cm，18型工字鋼閉合環，間距75cm，超前小導管16環，D25注漿錨桿，長3m，0.75×1.00m布置;二襯厚度45cm，C25鋼筋混凝土結構。明洞交接樁號YK117+796。

2 超前預報

本隧道采用地質分析法和地質雷達相結合的方法進行超前預報。地質雷達為SIR-3000型，采用100MHz天線。

超前預報表明，隧道出口端里程YK117+796～YK117+710范圍圍巖為強～中風化灰白色砂質板巖，巖體破碎軟弱，節理裂隙發育，陡傾角，裂隙水發育，局部呈滴水狀，圍巖整體穩定性差，局部區域有軟弱破碎斷層穿過。水對圍巖穩定性影響大，巖石遇水宜溶。

根據預報結果，隧道開挖后易產生坍塌和大變形，掘進中注意施工工藝，預留核心土，做好超前支護，開挖后及時進行噴錨支護，做好防突水突泥、防坍塌預案。對預報顯示的局部軟弱圍巖地段采用6m長φ42雙層超前小導管預支護。

3 監控量測及施工措施

為確保隧道施工期間的安全性，并對可能發生危及安全的隱患或事故及時、準確地預報，引入監控量測制度并貫穿整個施工過程[1]。

監控量測在洞口段每5m布置一個量測斷面，每個斷面布置1～2條收斂測線(每臺階斷面布置1條收斂測線)和3個拱頂下沉測點。按照規范要求當量測速率大于5.0mm/d或累計值超過規范規定值或設計值時，表明圍巖處于急劇變化狀態，應報警并進行加固(1)。根據設計文件，本隧道V級圍巖預留變形量為12cm。

由于隧道右洞出口端圍巖軟弱、洞口偏壓，加上進洞階段適逢雨季，整個進洞階段歷時近5個月，整個施工過程主要可分成5個階段，如圖1隧道施工過程圖，圖中①～⑤為施工5個階段，圖中文字說明為階段施工過程和施工加固措施。

(1)階段一:裂縫出現、發展，量測結果變化明顯。洞頂、邊坡注漿，超前大管棚加固;

截止2月8日，上臺階掘進至YK117+760，累計掘進36m。2月20日復工后，發現洞口端初期支護出現多條斜向裂紋，裂縫長度1～7m，最大寬度4mm。洞內出現多條沿拱架裂紋，從拱腳延伸至拱腰，且裂縫持續發展;洞內個別鋼支撐表面混凝土剝落。洞頂邊坡出現多條裂縫，特別是偏壓左側截水溝多處開裂擠潰，經觀測洞口圍巖和邊坡處于不穩定狀態，掌子面停止掘進。

監控量測表明:近掌子面監測斷面，隨開挖擾動，量測數據變化明顯，YK117+773和YK117+763斷面周邊收斂速率達到-0.74～-1.85mm/d，拱頂下沉速率為-2.39～4.68mm/d，位移不穩定狀態持續變化至掌子面停止掘進后，如圖2和圖3監測斷面YK117+773和YK117+763位移和速率變化曲線。

3月4日開始進行洞口洞頂邊坡注漿和超前大管棚加固。管棚采用φ108無縫鋼管，壁厚6mm，節長3m，水泥-水玻璃漿液，注漿初壓0.5～1.0MPa，終壓2.0MPa。在山凹區域新修截水溝，匯聚前方地表水，并引出隧道影響區。

(2)階段二:裂縫持續發展，鋼拱架的混凝土剝落，洞口段初期支護進行注漿加固;

3月，初期支護混凝土裂縫繼續發展，從拱腳延伸至拱腰，鋼拱架的混凝土剝落擴大，隧道洞內較大范圍滲水，雨天局部位置滴水如淋雨狀。3月10日開始對洞口段初期支護進行注漿加固。φ42注漿花管，注漿材料采用水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.6～1.0MPa。

監控量測表明:3月中旬，洞口邊坡注漿后，量測速率顯著變小，但仍未穩定，特別是3月底4月初連續幾天下雨，洞口監測斷面每天沉降達到-0.30～-0.70mm。

(3)階段三:仰拱開挖，掌子面恢復掘進。

3月26日開始進行下導仰拱施工，至4月底洞口段40m仰拱施工完成。掌子面恢復掘進，按V級圍巖施工，施工參數為S5a，上下臺階，預留核心土開挖，局部軟弱圍巖地段采用6m長φ42雙層超前小導管預支護。

監控量測表明:4月初，隨下導仰拱施工，監控斷面量測數據明顯變大，周邊收斂速率達到-1.29～-1.84mm/d，拱頂下沉速率為-0.26～0.71mm/d，其中YK117+773累計收斂達到-40.9mm，累計拱頂下沉達到-55.03mm。4月中旬，該區段仰拱施工完成，量測結果變小，周邊收斂速率達到-0.44～-0.86mm/d，拱頂下沉速率為-0.41～0.46mm/d。

(4)階段四:圍巖支護變形加劇，變形超限段增設套拱和臨時仰拱。

4月～5月，雨季雨量充沛，隧道洞內有較大范圍滲水，局部如淋雨狀。裂縫繼續發展，最寬裂縫達到3.0cm。鋼拱架的混凝土剝落，特別是拱頂和拱腳區域，在滲滴水作用下，混凝土剝落嚴重。洞口地表噴射的混凝土多處開裂，截水溝多處嚴重擠潰，最寬處達到6.0cm，如圖6和圖6。洞口邊坡含水較豐富，地表徑流匯集滲入，土體的摩阻力減少，加劇洞內圍巖的不穩定狀態。

監測斷面YK117+773和YK117+763量測數據較上一周明顯變大，周邊收斂速率為-1.09～-1.53mm/d，拱頂下沉速率為-1.10～-1.21mm/d。

5月上旬，量測速率持續變大，周邊收斂速率達到-5.00～-5.36mm/d，拱頂下沉速率達到-3.99～-4.84mm/d，YK117+763累計收斂-100.60mm，拱頂累計下沉-87.0mm，量測速率大于5.0mm/d時，圍巖處于急劇變化狀態。監測斷面YK117+753收斂速率達到-3.50mm/d，拱頂下沉速率達到-16.45mm/d，累計周邊收斂-51.40mm，拱頂累計下沉-148.40mm，累計量測變形值超過設計最大允許值，局部初期支護侵限。基于此，發布監控預警指令，掌子面停止掘進，洞口段圍巖支護進行注漿加固，YK117+747～YK117+736段增加套拱和臨時仰拱(圖4，圖5)。

5月5日，初期支護混凝土裂縫擴展延伸，混凝土剝落區域加大，洞口段進行注漿加固，YK117+747～YK117+736增加套拱和臨時仰拱。套拱采用全環I18鋼架，與原支護噴混凝土密貼，φ42小導管鎖腳。臨時仰拱采用I20鋼架，上下布設φ22@1000連接筋，拱內澆注C25混凝土，每榀設置。注漿采用水泥漿，水灰比1∶1。

監控量測表明:注漿加固后，量測數據變化趨緩，至5月下旬，監測斷面YK117+773和YK117+763周邊收斂速率為-1.11～-1.49mm/d，拱頂下沉速率為-0.68～-1.08mm/d，圍巖支護仍不穩定，YK117+730～YK117+770區域已施工段初期支護噴射混凝土裂縫繼續發展，從拱腳延伸至拱頂區域，呈閉環發展趨勢。

(5)階段五:施做二襯。

監控量測表明:5月底，監測斷面YK117+773和YK117+763周邊收斂速率為-0.34～-0.59mm/d，拱頂下沉速率為-0.04～-0.49mm/d，二襯準備施工。6月初，洞口段15m明洞和30m二襯施工完成，持續觀察后，二襯未見異常。

在洞口段的整個施工過程，監控量測和超前預報實時反映了圍巖和支護的變形情況，量測結果對隧道施工進行有效的指導，預防了事故的發生，體現了“動態施工”的目的，確保了隧道施工的安全和質量。

4 施工總結

分析認為，造成本隧道洞口施工困難主要有以下幾方面原因:

(1)地質方面:隧址嚴重偏壓，圍巖級別低，有軟弱破碎帶穿過。洞口山體對圍巖支護不僅有偏壓作用，而且還有線路方向的強大推力，導致洞口套拱出現明顯的斜向裂縫。

(2)水文方面:隧道進洞階段為雨季，嚴重影響圍巖和支護結構的穩定。地表邊坡未做良好的做噴錨處理，雨水經砂漏層滲入加劇破壞圍巖穩定。

(3)施工方面:施工工序不合理，仰拱未跟進，不及時閉合;初期支護存留時間太長，圍巖支護不穩定，導致支護變形量大;二襯未及時施做。

雖然造成偏壓、軟弱圍巖隧道進洞階段施工困難的原因是多方面的，但通過將超前預報和監控量測納入隧道施工過程，并根據監控量測結果來指導施工，是保證了隧道的安全和質量的有效措施。本隧道施工過程根據超前預報和監控量測結果提出了以下有針對性的措施，保證了隧道施工安全和施工的順利進行。

(1)掘進中注意施工工藝，預留核心土，做好超前支護，開挖后及時進行噴錨支護，做好防突水突泥、防坍塌預案。

(2)確保鎖腳錨桿施工質量，控制超挖，保證回填質量。

(3)確保仰拱施工緊跟，盡早封閉成環，下導坑開挖采用跳槽的形式，一次開挖長度不可過長。盡早進行二襯施工，防止圍巖變形過大。

(4)在初襯水量較大處加密環向排水管的間距，達到良好排水的目的。

(5)注意洞內外排水，邊坡裂縫及時封閉，地表徑流引流至排水溝，使雨水順暢排出隧址區，防止雨水沖刷、入滲，影響邊坡和洞內圍巖穩定。

5 結論

(1)偏壓隧道，開挖進洞困難，應先采取防止偏壓措施，改善山體的穩定條件。

(2)軟弱圍巖隧道應堅持“管超前、短開挖、嚴注漿、弱爆破、強支護、勤量測、早封閉、快襯砌”的施工原則，注意鎖腳導管、錨桿施工質量，控制超挖，開挖后及時進行錨噴支護，確保噴層質量。

(3)超前預報和監控量測是確保隧道安全，保證施工進度的重要措施，應貫穿整個隧道施工過程。

(4)對于軟弱圍巖，隨著圍巖的固結和流變，作用在支護上的荷載會越來越大，為避免圍巖支護變形過大，二襯需及時施做，不必拘泥二襯施做的穩定條件。

參考文獻

[1]《鐵路隧道監控量測技術規程》(TB10121-2007).

①作者簡介:呂曹炯(1982— )，男，工程師，2001年畢業于西南交通大學應用力學與工程系。