富水黏土地段隧道洞口施工技術探討

袁 通，王忠培，韋旋馨

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100000；3.廣西樂百高速公司有限公司，廣西 凌云 533100)

0 引言

隧道在黏土地段施工，遇水經常會引發各種問題。黏土在較長時間水的浸泡下，會發生力學參數變小、承載力降低等情況，進而造成地基承載力不足和塌方或滑塌等災害。地表發生突變的縱、橫向位移時，往往被認為是滑坡的前兆。崔玉明等人采用樹根樁加固隧道軟弱基底[1]；鄧榮貴等人采用自錨式加固結構處理隧道洞頂滑坡[2]，但這些只是針對處理隧道基底軟弱或洞頂潛在滑坡等單一情況下的處治方法。本文介紹了某在建高速公路隧道在富水黏土地段且基底承載力不足情況下洞口推移后采取的一些應急處治措施，并分析介紹了后續施工工序，確保了隧道安全通過此不良地段。

1 工程地質概況[3-5]

1.1 地形地貌

隧址區屬構造剝蝕低山地貌，地形起伏較大，隧址兩端溝谷較發育，該隧道穿過東西走向的單一山體，隧道最大埋深約210 m。該隧道洞口位于傾向南的溝谷后緣斜坡上，自然地面坡度25°～40°，洞口植被發育。

1.2 地層巖性及地質構造

隧址區出露地層主要為第四系坡殘積層(Qdl+el)和三疊系中統板納組中段(T2b2)砂巖。坡殘積層以粉質黏土為主，主要分布于隧道洞口，厚度約5.5 m。黏土下為強風化砂巖，厚度約50 m，其下為中風化砂巖，從地表往下風化程度由強到弱。洞口為Ⅴ級圍巖，未見滑坡、崩塌等不良地質作用，自然斜坡穩定。隧址區東側發育北東——南西走向的區域性斷層，斷層自新生代以來未見有活動跡象。

1.3 水文地質概況

隧址區溝谷切割斜坡地形，于隧道出口右側形成一沖溝，如圖1。該地區5～8月份為雨季，降雨量較大，但由于洞口地勢較高，無地表積水，大氣降水形成的地表面流往隧址兩端溝谷排泄。地下水主要為賦存于坡殘積粉質黏土層孔隙水和賦存于基巖中的裂隙水，經鉆孔勘察得穩定地下水位埋深28.80～36.20 m。隧道洞口施工期間為雨季過后，地表殘坡積粉質黏土層賦水量較大，洞口開挖時，于套拱右側起拱線位置處時有滲水，水量較大，造成隧道洞口基底軟化，經推斷，出水點位于上述沖溝位置附近。

圖1 隧道洞口地形圖

2 隧道洞口變形

2.1 洞口施工概況

由于洞口段為小凈距隧道，為減少兩洞開挖時相互干擾效應，施工采用右洞先行、左洞暫時不動的原則施工。套拱施工前，先將右側積水排水，并于套拱基底處采用碎石盲溝將山體滲水引排至路基邊溝。根據地基承載力試驗，采用片石(厚1.5 m)+碎石(厚0.3 m)換填法進行套拱基底換填。

右洞洞口采用三臺階預留核心土開挖法，并于上、中、下臺階拱腳部位兩側各施作2根3.5 m長A42×4 mm鎖腳小導管。上臺階開挖高度約3 m，上臺階拱腳部位采用Ⅰ18工字鋼進行橫向支撐，同時拱頂采用Ⅰ18工字鋼豎向支撐，豎向支撐的工字鋼基底采用寬50 cm、厚1 cm的鋼板墊底，以增大受力面積，減小拱頂沉降。上臺階鋼拱架拱腳部位采用縱向工字鋼焊接連接，提高初支整體受力性能。待上臺階進尺8 m后，進行中臺階和下臺階施工。

2.2 洞頂地表位移

隧道上臺階開挖施工時，洞頂截水溝附近可見斷斷續續的裂縫，裂縫只分布于隧道正上方，兩側未見裂縫發育。裂縫平均寬3 mm，最大處寬10 mm。根據現場套拱處布設的縱向位移監測點的測量數據反映，此段時間套拱平均每天縱向位移約0.3～0.5 mm，累計位移約3 mm。當進行洞口中、下臺階開挖時，套拱縱向位移速率增大，之后趨于平穩，累計位移約9 mm。推測中、下臺階開挖時對山體坡腳擾動增大。當施作完中、下臺階鎖腳小導管后套拱又趨于穩定。隨后進行洞口第一環仰拱施工開挖(開挖長度3 m)，洞頂地表裂縫一天內出現急劇變寬趨勢，平均寬度約20 mm，最寬處達50 mm，裂縫出現“圈椅式”貫通趨勢，并于主裂縫后緣出現2條斷斷續續的細小裂縫，呈現一定的“牽引式滑動”特征。

根據套拱處布設的縱向位移監測點的測量數據反映，洞口第一環仰拱開挖施工時，套拱當日縱向推動位移約8 mm，待洞口第一環仰拱澆筑完后，位移漸漸趨于穩定，總位移約20 mm，見圖2。

圖2 套拱縱向位移曲線圖

2.3 洞內初支變形

經現場察看，洞內初支未出現明顯裂縫，可見拱頂沉降和兩側收斂較小，洞口段左側有一部分二次補噴混凝土與初支出現脫離現象，推測可能是由于隧道右側山體較高，存在一定偏壓，再加上隧道基底軟化，產生一定的橫向推移現象，位移方向由右向左。

距套拱3 m位置處，洞內布設有拱頂和周邊位移監測點。根據監測點監測數據反映，拱頂沉降和周邊位移雖未趨于穩定，但位移速率均較小，且成遞減趨勢。拱頂位移速率為0.2～0.6 mm，累計沉降約40 mm；兩側收斂速率0.1～0.4 mm，累計收斂約16 mm，均較小，如圖3和圖4所示。

圖3 洞口初支拱頂沉降曲線圖

圖4 洞口初支周邊收斂曲線圖

3 處治措施

3.1 洞口反壓及地表防滲

為抑制套拱縱向推移，在洞口套拱兩側，采用塊石堆載反壓，堆載高度至套拱頂，縱向堆載長度≥10 m。采用“黏土”將地表裂縫填實，既能封堵縫隙，同時能起到隔水效果，然后在地表裂縫處抹一層砂漿，上述措施完善后，在洞口地表施蓋一層“彩條布”，防止雨水下滲。

3.2 洞口仰拱施工

洞口第一環仰拱開挖施工時，套拱縱向位移加劇，而初支變形較小，可知隧道發生了整體縱向推移。這是因為仰拱的開挖，實質上是將邊坡的坡腳挖除，邊坡穩定性降低。同時在富水黏土地質條件下，洞頂土體粘聚力、內摩擦角較小，邊坡發生縱向牽引式的滑動，由于基地軟弱，抗阻能力較小，下滑力帶動隧道初支及套拱一起縱向位移。因此，及時澆筑隧道仰拱是至關重要的一步。但由于隧道基底長時間浸水造成地基承載力不滿足要求，而基礎換填需1～2 d才能完成，同時換填開挖造成開挖深度更深，坡體穩定性進一步降低。對此問題，可采用類似“樁基+筏基”綜合地基處理方式解決。采用5根5 m長縱向鋼拱架墊于仰拱初支鋼拱架之下，然后及時綁扎仰拱二次鋼筋并一次性泵送混凝土，混凝土內摻入少量早強劑，待仰拱達到一定強度后，在靠近縱向工字鋼兩端，采用4 m長A108×6 mm注漿鋼管以15°內傾角度斜向打入隧道基底，鋼拱架每端各打入2根，然后將鋼管與縱向工字鋼縱向焊接在一起，能起到一定“頂托”并且加固軟弱地基的作用，具體如圖5所示。

圖5 仰拱地基加固示意圖

3.3 后續施工次序

施工完洞口第一環3 m長的仰拱后，加強縱向位移監控量測，待位移穩定后，進行洞外明洞仰拱施工。明洞仰拱每隔3 m跳格開挖，待澆筑完后再進行洞內第二環仰拱施工，施工長度為3 m。此工序不應顛倒，若先施工洞內第二環仰拱，由于洞內第二環仰拱的開挖，可能會引發潛在滑動面的二次發育，繞過洞口第一環仰拱基底從洞外地面剪出，由于此時洞外仰拱未施作，抗滑阻力全部由洞外地基抗剪強度提供。當洞外地基抗剪強度滿足不了阻滑要求時，進而發生類似“中點圓”型的圓弧滑動面破壞。

為避免左洞開挖造成右洞橫向位移加劇，施工完洞內仰拱后，于隧道兩側分別增設3根6 m長的A108×6 mm注漿鎖腳鋼管，縱向間距2 m，施工時需間隔施工。

上述措施施工完后，隧道洞口已基本穩定，目前已成功掘進110 m進入砂巖地段。

4 結語

(1)隧道洞口施工時，應加強監控量測和地表觀測，并及時施作仰拱，封閉成環；

(2)富水黏土地段隧道洞口施工時，應加強隧道洞口臨時支撐和鎖腳措施，并于拱腳處采用縱向拱架焊接以提高初支整體受力性能是十分必要的；

(3)當洞口段因基礎軟弱而發生縱向推移時，可采用“樁筏式”方案快速處理地基，使仰拱盡早封閉成環。施工完洞口仰拱后，應嚴格遵循先洞外后洞內的仰拱開挖施工原則，方能確保隧道穩定。

[1]崔玉明，趙芙蓉.神朔鐵路新杏樹峁隧道軟弱基底樹根樁加固施工綜合技術研究[J].水利與建筑工程學報，2009，7(4)：83-84，129.

[2]鄧榮貴，尹 靜，鐘志彬，等.滑坡區隧道自錨式新型加固結構理論研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34(7)：1315-1324.

[3]JTG C20-2011，公路工程地質勘察規范[S].

[4]GB500221-2001，巖土工程勘察規范[S].

[5]工程地質手冊編寫委員會.工程地質手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.