偏壓淺埋隧道安全施工控制技術研究

王浩 楊斌 汪洋

文章以處于第四系坡殘積粉質黏土中并在施工過程中出現過2次大變形的淺埋偏壓隧道出口段為依托工程，結合實際工程地質、地形條件，對施工中存在的問題及時采取封閉裂縫、施作偏壓擋墻、護拱基礎加固、施作護拱、調整施工工法等一系列有針對性的措施，充分利用監控量測信息化平臺，動態指導隧道偏壓處治設計、施工，并在后續施工中延長和加高偏壓擋墻，調整施工工法，完成了隧道偏壓淺埋處治，順利通過洞口淺埋偏壓地段。

偏壓;淺埋;安全;監控量測;動態施工

U455.4A351154

0?引言

隨著經濟的快速發展，部分地區交通建設落后于經濟發展，同時對公路的修建提出了較高的要求。一些高速公路在崇山峻嶺中穿梭延伸，克服高差、適應地形，并能縮短里程、保護生態環境等。在不良地質地段進行隧道選址不可避免，比如洞口段偏壓淺埋軟巖地質，這增加了隧道施工難度，延誤工期，增加施工成本，給隧道施工埋下了安全隱患。本文將以具體的工程案例為依托，探討一種針對偏壓淺埋隧道施工的安全控制技術。

1?工程概況

某高速公路隧道設計為雙向四車道，設計速度為100 km/h，建筑限界凈寬為11.0 m，建筑限界凈高為5.0 m，路線按上、下行分離式隧道設計，左線長1 030 m，右線長1 004 m。

隧道穿過丘陵地貌區，地形起伏大，地面標高60～229 m，最大相對高差約169 m。隧道右線出口段長約104 m，存在偏壓、淺埋，隧道圍巖地質條件較差，主要為黃褐色全風化第四系坡殘積粉質黏土，呈松散結構，無自穩能力，開挖后側壁易失穩，拱部易坍塌冒頂。隧道出口右線穿越單面斜坡，地形左高右低，邊、仰坡橫斷面與隧道縱向垂直，自然坡度約50°，偏壓嚴重，附近地表還有居民住房，最小埋深為0.3 m，埋深較淺。

2?施工問題及原因分析

2.1?施工問題

（1）隧道已施工完成套拱，并向里面按上下臺階法掘進開挖。2018-07-02，上臺階掘進約10 m時，隧道YK20+883套拱與初期支護交接處存在環向開裂、滲水及左邊墻斜向開裂，明暗交接處附近邊坡、洞頂地表、排水溝均存在開裂。

（2）2018-08-08，YK20+875斷面附近上臺階右側拱腳處存在股狀滲水，上臺階右側拱腳處初期支護位移較大，已明顯侵限;之前發現隧道頂部地表裂縫依舊存在，其中1條排水溝的裂縫與之前相比已明顯發展、擴大;YK20+883套拱與初期支護交接處環向開裂、復噴處理后，再次發現開裂。

2.2?原因分析

根據該隧道的實際施工情況可知，隧道初期支護和地表開裂，主要與水文地質、地形地貌、施工工藝和工法、支護措施、施工管理等因素有關，具體有如下幾個方面：

（1）隧道出口右洞洞口段原設計與現場地形不符，按原設計施工存在較大的安全隱患。YK20+875～+885段洞口線路右側拱頂至邊墻覆土厚度只有0.3～4.2 m，覆土凹凸較為明顯，且地形偏壓嚴重。

（2）右洞洞口段邊坡為土質邊坡，穩定性較差，地表沒有任何植被，易發生失穩風險。

（3）施工處于雨季，降雨量較大，加之居民排水、地表水侵入隧道，在雨水浸泡軟化作用下，洞口段地基和圍巖承載能力降低，造成套拱和初期支護連接處不均勻受力沉降，使裂縫寬度和長度增加，地表開裂。

（4）施工方法不當，支護參數較弱，支護時間總是滯后。在隧道施作套拱后，未進行偏壓處治，采用臺階法開挖掘進，圍巖被施工擾動，在隧道產生大變形后，未及時更換施工方法、增強支護參數，致使隧道初期支護和地表變形較大、開裂。

（5）隧道施工管理混亂，施工技術實力較弱，施工人員技術水平參差不齊。

3?處理方案

為確保隧道施工安全、經濟、合理、不留隱患，經過專家會議的論證分析，提出了一種可以快速施工的隧道偏壓加固處治方案，即暫停掌子面掘進，先進行偏壓加固處治施工，之后待圍巖穩定后再掘進施工，同時加強地表和洞內觀測。隧道偏壓處治施工順序為：封閉地表和初期支護裂縫→施作偏壓擋墻→護拱基礎加固→施作護拱→根據監控量測數據分析是否需要再次延長偏壓擋墻和護拱長度→更換施工工法，及時封閉成環。

3.1?封閉裂縫

采用噴射混凝土對隧道地表和初期支護存在的裂縫進行封閉處理，并進行邊仰坡地表沉降觀測，直到偏壓淺埋段隧道二次襯砌施工完成，且襯砌混凝土強度達到設計要求。

3.2?施作偏壓擋墻

隧道出口右線在YK20+885～+891段右側增設長度為6 m、高度為8.5 m、寬度為7 m的擋墻（底寬5.5 m、頂寬8.5 m），如圖1所示，防止洞口右側邊坡向明洞方向滑塌，同時取消原設計漿砌片石回填。擋土墻采用1.5 m深擴大基礎，支護開挖，基礎底部碎石換填0.5 m。擋墻與明洞之間采用22 mm鋼筋連接，墻身采用C25混凝土。

3.3?護拱基礎加固

對YK20+875～+885段右側邊坡附著物進行清表處理，對護拱基礎擋墻處施作42×4 mm小導管徑向注漿，小導管單根長度為6 m，橫向×縱向間距為1 m×1 m。

注漿管采用熱軋無縫鋼管制成，鋼管前端加工成錐形，管壁四周鉆8 mm注漿孔，孔間距為10 cm，呈梅花形狀分布，尾部30 cm不鉆注漿孔作為止漿段。錨管孔口段設一加勁箍，加勁箍采用8 mmHRB400鋼筋制作。加勁箍與鋼管采用雙面角焊縫連接牢固。

鉆孔直徑≥60 mm。注漿前，孔口段孔壁與鋼管間空隙必須采用M30快硬水泥砂漿封閉密實后（作為止漿措施），方可進行注漿作業。為保證密封效果，采用快硬水泥砂漿并添加適量微膨脹劑。

小導管采用壓力注漿，注漿材料為水泥漿液，注漿壓力一般控制在1～1.5 MPa。為保證注漿加固效果，注漿孔停止吸漿并延續灌注5 min后，方可結束注漿。注漿材料可根據現場注漿效果調配。注漿結束后，采用M30混凝土將注漿孔填充密實。

3.4?施作護拱

對YK20+875～+885段偏壓側施作護拱。護拱采用C20混凝土澆筑，厚度為2 m，基礎采用混凝土擋墻基礎，護拱坡率結合現場地形自然坡率施作。

3.5?信息化動態設計施工

在本次偏壓處治施工過程中，對隧道地表沉降、拱頂沉降、周邊位移進行實時監測，并進行洞內外觀察，以便及時掌握圍巖的施工力學性能等信息，并對圍巖的穩定、安全性作出評價，對隧道的不穩定狀態及時預警，防止隧道塌方，確保隧道施工安全，動態指導隧道偏壓處治施工。

3.5.1?施工中的監測

（1）地質及支護狀況觀察

隧道掌子面每次爆破后通過肉眼觀察、地質羅盤和錘擊檢查、數碼相機記錄，描述和記錄圍巖地質情況。對已施工地段初期支護進行觀察，看其是否開裂、滲水，看鋼拱架是否變形等。洞外觀察則是在洞口段右幅記錄地表開裂、變形及邊仰坡穩定狀態和地表建筑物情況等。

（2）地表下沉量測

在隧道出口右幅斜坡地表上垂直隧道軸線方向每個斷面布設7個測點，每隔10 m布設一個斷面，用精密水準儀測量。

（3）拱頂下沉量測

在隧道出口右幅，采用精密水準儀量測拱頂下沉，每一個斷面在隧道拱頂及軸線左右各2～4 m共設3個測點，每隔5 m布設一個斷面。

（4）周邊收斂量測

在隧道出口右幅采用隧道收斂計監測隧道周邊位移變形，每隔5 m布設一個斷面。

（5）監控預警機制

結合隧道實際施工情況，制定了位移、位移速率兩種監控預警管理機制。

①根據最大位移值進行施工管理

根據《公路隧道施工技術細則》（JTG/F60-2009），隧道實測位移值不應大于隧道的極限位移，并按表1進行監控量測管理和指導施工。本隧道將設計預留變形量作為極限位移（最大允許位移值）。

②根據位移速率進行施工管理

根據《公路隧道施工技術細則》（JTG/F60-2009），

制定位移速率管理控制措施。隧道實測位移速率值不應大于隧道的極限位移速率，并按下列情況進行監控量測管理和指導施工：

位移速率>5 mm/d時，表明圍巖處于危險狀態，必須立即停止掘進，采取特殊應急措施;

當位移速率在1～5 mm/d之間時，表明圍巖處于不穩定狀態，應密切關注圍巖動態，加強初期支護;

當位移速率在1～0.2 mm/d之間時，表明圍巖處于緩慢變形階段;

當位移速率<0.2 mm/d時，表明圍巖已達到基本穩定，可以進行二次襯砌作業。

3.5.2?數據分析

通過對監控量測數據、洞內外觀測數據的整理分析，可以較好地說明監控量測動態指導隧道偏壓處治施工取得良好的效果，使隧道施工安全得到有效控制。下面以YK20+875拱頂沉降、地表沉降為例，進行數據分析。

（1）YK20+875拱頂沉降

圖2為YK20+875拱頂沉降曲線圖。該曲線顯示最終拱頂沉降最大值達到140 mm。在2018-08-08左右沉降速率最大，達到17 mm/d，此時拱頂沉降累計最大值為91 mm。

（2）YK20+875地表沉降

YK20+875地表沉降曲線如下頁圖3所示。從該曲線圖可知，最終地表沉降最大值為140 mm。在2018-08-08左右地表單日最大沉降量為6 mm，此時地表沉降累計最大值為69 mm。

（3）分析結果

從拱頂沉降、地表沉降兩個曲線圖中可知，從2018年6月至7月初，隨著隧道開挖施工，加上淺埋、偏壓作用，隧道圍巖變形較大，導致隧道初期支護和地表均開裂。經過地表和初期支護裂縫封閉、偏壓擋墻施作、護拱基礎注漿、護拱施作等綜合處治后，7月中旬至7月底，隧道圍巖變形得到一定程度上的穩定。8月初隧道繼續開挖掘進，對周圍圍巖擾動，打破了原有的平衡狀態，圍巖變形較大，初期支護和地表再次開裂，圍巖處于相當危險的狀態，隧道隨時可能會塌方冒頂。

3.5.3?動態設計施工

2018-08-08，根據監控量測數據，指揮部再次組織專家會議分析論證，得出結論：由于該隧道出口埋深較淺，偏壓嚴重，導致之前的偏壓處治未徹底消除隧道偏壓作用，施工工法不合理。其處治措施有：

（1）采用噴射混凝土及時封閉地表和初期支護裂縫。

（2）偏壓擋墻和護拱縱向長度太短，應往小里程方向延伸5 m，擋墻加高4 m，以增加擋墻和護拱荷重，平衡偏壓作用。

（3）改變施工工法，采用預留核心土環形開挖法施工，仰拱開挖有3 m長時就及時封閉成環。

經過8月中旬的偏壓處治后，隧道再次開挖掘進，拱頂沉降、地表下沉得以有效控制，并于9月初兩者均開始趨于穩定（如圖2～3所示），防止了隧道塌方冒頂災難事故的發生，保證了隧道施工安全、有條不紊地推進，順利通過了出口淺埋偏壓地段。

4?結語

通過對該淺埋偏壓隧道存在的施工問題、偏壓處治及其相應的監控量測數據進行處理分析，對淺埋偏壓隧道施工有了一定認識。本次隧道成功的偏壓處治施工可為今后類似工程的施工提供科學的指導：

（1）偏壓淺埋隧道在施工之前，必須將由自然因素引起的偏壓荷載和隧道施工工法來綜合考慮，并科學制定正洞掘進的施工方案，才有利于隧道的圍巖穩定，確保隧道施工安全。

（2）隧道偏壓處治一定要充分利用監控量測平臺，掌握圍巖動態變形情況，信息化動態科學指導設計施工。根據監控量測數據，結合隧道洞口地形、地質，為隧道偏壓處治提供基礎數據，判明偏壓的嚴重程度，為在不利地形、地質條件下隧道施工指明方向，使得修建的隧道安全、經濟、合理，避免人員傷亡和經濟損失。

（3）在淺埋偏壓地段，圍巖地質條件較差，承載能力較低。隧道開挖要遵循“弱擾動、短進尺、強支護、及時封閉成環”的原則，避免圍巖產生較大的變形，形成應力集中，甚至產生塌方冒頂的地質災害事故。

[1]JTG F60-2009，公路隧道施工技術規范[S].

[2]JTG/T F60-2009，公路隧道施工技術細則[S].

[3]申玉生，趙玉光. 偏壓連拱隧道圍巖變形的現場監測與分析研究[J].公路，2005（4）： 194-198.

[4]劉建中. 淺埋、偏壓、軟巖隧道進洞施工技術研究[J]. 鐵道標準設計，2015，59（6）： 126-130.

[5]吳學智，王?建，楊保全，等. 某強傾倒變形體內淺埋偏壓洞口段的隧道變形分析及處治技術研究[J]. 隧道建設，2015，35（7）：721-726.