小凈距隧道洞口淺埋偏壓段流沙性軟弱圍巖施工工藝

章文波

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

國內高速公路經過近十多年的發展，隨著公路向山區的延伸及受山嶺地形的限制，線路常常在崇山峻嶺中穿行，不可避免地會碰到V型溝谷、流沙地層和不良地質。由于線路的走向及場地的限制，許多隧道進出口的邊、仰坡陡峭，洞頂覆蓋層薄，存在嚴重偏壓等地質條件問題。本文結合漳州云平高速公路A9合同段九峰隧道右線進口洞口淺埋段工程施工經驗，淺談隧道洞口淺埋偏壓段流沙性軟弱圍巖施工工藝。

1 項目背景

1.1 工程概況

九峰隧道起迄樁號為右洞YK92+460—YK93+025，長565 m；左洞ZK92+470—ZK93+040，長570 m；左右洞平均長567.5 m，屬中隧道。采用小凈距雙洞布置，隧道左右洞進口分別處于半徑為4 000 m和5 000 m的圓曲線上；縱坡為2.8%，-0.7%的人字坡。

隧道進口段順近南北向山脊線展布，地形陡峭，自然坡度達到30～40°，洞頂覆蓋層薄弱且存在嚴重偏壓，易坍塌，進洞較困難，應加強防護。左、右洞口邊坡高約5.8～8.4 m，坡體主要為坡積粉質黏土及全風化巖，結構較松散，開挖后穩定性較差，需要采取放坡開挖，開挖坡率1∶0.75～1.0，并結合砌石護面墻、三維網植草護面等支護措施。由于坡體主要為坡積粉質黏土及全-強風化巖，隧道區地表殘破積黏土松散堆積層，孔隙發育，雨季孔隙含水。因施工區域位于福建東南地區，雨水豐富，降雨量較大，雨季隧道洞口施工遇該層會有明顯滲水現象。隧道區內坡面植被發育均為蜜柚種植區，地下水系發達，穿越不良地質區域。九峰隧道右洞洞口淺埋段不良地質主要是圍巖為坡積粉質土、全風化凝灰巖構成，土層遇水易軟化，含砂率大，結構松散，地下水豐富，自穩能力差，極易發生坍塌等。

1.2 圍巖級別劃分及支護類型

圍巖級別劃分見表1，九峰隧道右洞縱斷面如圖1所示。

圖1 九峰隧道右洞縱斷面圖

表1 圍巖級別劃分表

2 右洞洞內掌子面溜塌的發生經過

九峰隧道右洞YK92+465—YK92+590段屬于Ⅴ級圍巖，埋深在5～25 m之間，其中YK92+465—YK92+530段采用支護類型為JZDK-1，YK92+530—YK92+575段采用支護類型為JZ5-1，YK92+575—YK92+590段采用支護類型為JZ5-1（b），施工輔助措施均為JF2-1（Φ50 mm鋼管，長度5 m，150°范圍環距50 cm，間距3 m），見表2。

表2 初期支護參數表

2017年6月8 日九峰隧道進口右洞按CD法進行先行上導坑施工，開挖YK92+498.6—YK92+499.2段時掌子面出現滲水，圍巖軟弱，含沙量大，無自穩能力，局部有溜塌跡象，施工班組立即對掌子面進行回填處理并噴漿封閉。6月9日業主組織四方到九峰隧道進口右洞現場查看施工情況，定制處置方案為：雙排Ф50 mm小導管進行超前支護，間距調整為2 m，恢復CD法掘進。6月9日—6月10日現場完成掌子面軟弱圍巖處三榀鋼拱架支護，并施做了Ф50 mm超前小導管，長5 m；6月10日夜里23點開挖先行上導坑YK92+500—YK92+500.6段處掌子面又出現溜塌，持續時間將近1 h，溜塌體約300 m3、中隔壁臨時支護I14工字鋼被剪切破壞且初支表面出現不均勻裂縫（圖2），施工班組又立即對掌子面進行回填處理并噴漿封閉。6月11日早晨在洞頂YK92+489—YK92+494段處發現地表沉陷，坑洞尺寸為5×3×2 m（長×寬×深），我部立即撤離洞內施工人員，等待四方到現場查看施工情況。根據監控量測數據表明，YK92+480—YK92+500段拱頂沉降和周邊收斂數據異常，第三方監控量測單位下發的預警報告聯系單顯示當日最大下沉量達到52.1 mm，開累下沉量達到466 mm。

圖2 YK92+500中隔壁剪切破壞效果圖

3 原因分析

3.1 地形地質因素

九峰隧道右洞進口屬剝蝕丘陵地貌，丘頂渾圓，區內峰頂標高約380 m。隧道軸線大致呈近東西走向，2側坡面凹凸起伏，凸脊與凹坡相間展布，左側是個大沖溝，存在嚴重偏壓。左右洞間距小于12 m，屬于小間距隧道。地質條件復雜，根據鉆孔揭示，隧址區表層多為第四系殘積積層（Qe1+d1），下伏侏羅南園組（J3n）凝灰巖及其風化層。洞口淺埋段主要地層特征性質如下。

坡積黏土（Qd1）：磚紅色，硬塑，干-稍濕7-122，成分以黏粒粉粒為主，略有砂感，黏韌性中等，干強度中等，巖芯刀切面光滑，稍有光澤反應，表層含少量植物根系。

坡積黏性土（Qel）：淺紅色，硬塑，濕，母巖為凝灰巖，組織結構全部破壞，礦物成分除石英外大部分已風化成土狀，表層0～0.70含有植物根系，巖心遇水易軟化。

全風化凝灰巖（J3n）：灰黃色、紫紅色，芯呈沙土狀，礦物成分已基本風化，遇水易軟化，手捏易散，原巖結構可辨，巖體完整性程度為極破碎，巖石堅硬程度為極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ極。

3.2 地下水因素

受施工時間連續降雨的影響，地下水位高，巖體中裂隙水較豐富，致使巖層層面軟化，力學參數大大降低，易在巖體層面（弱面）形成滑動面，掌子面滲水嚴重。

3.3 開挖方式及圍巖因素

隧道洞口淺埋段原設計開挖方式為CD法，由于工作面狹小，掌子面核心土無法保留，并且圍巖為砂性土，無黏結力，自穩能力弱，一旦掌子面溜塌一部分，就會形成較大臨空面，最后演變成流沙。流沙是沙土或粉質黏土在水的作用下喪失其內聚力后形成的，多呈糊漿狀，對隧道施工危害極大。流沙可引起圍巖失穩坍塌，支護結構變形，甚至倒塌破壞。

4 流沙性軟弱圍巖施工措施

4.1 洞內處置方案

4.1.1 開挖方式調整

為了保證掌子面土體穩定性，將開挖方式由CD法調整為三臺階七步環形開挖預留核心土法，如圖3所示。施工工藝流程主要步驟為：①上部弧形導坑環向開挖，施做拱部初期支護；②中、下臺階左右錯開開挖，施做墻部初期支護；③中心預留核心土開挖、隧底開挖，施做隧底初期支護；④每部開挖后均應及時支護，隧底初期支護后應及時施做仰拱，盡早封閉成環。

圖3 三臺階七步開挖法施工作業圖

（1）技術特點：①施工空間大，方便機械化施工，可以多作業面平行作業。部分軟巖或土質地段可以采用挖掘機直接開挖，工效較高；②在地質條件發生變化時，便于靈活、及時地轉換施工工序，調整施工方法；③適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷；④在臺階法開挖的基礎上，預留核心土，左右錯開開挖，利于開挖工作面穩定；⑤當圍巖變形較大或突變時，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調整閉合時間；⑥三臺階七步開挖法規避了側壁導坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除臨時支護及受力轉換造成不安全的因素，及時調整閉合時間，方便機械施工，利于施工工序轉換。

（2）施工要求：①以機械開挖為主，必要時輔以弱爆破；②弧形導坑應沿開挖輪廓線環向開挖，預留核心土，開挖后及時支護；③其他分步平行開挖，平行施做初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環；④仰拱緊跟下臺階，及時閉合構成穩固的支護體系；⑤施工過程通過監控量測，掌握圍巖和支護的變形情況，及時調整支護參數和預留變形量，保證施工安全；⑥完善洞內臨時防排水系統，防止地下水浸泡拱墻腳基礎；⑦采用三臺階七步開挖法施工，應盡量縮短臺階長度，確保初期支護盡快閉合成環，仰拱和拱墻襯砌及時跟進，盡早形成穩定的支護體系。

4.1.2 初期支護參數調整

YK92+480—YK92+500段臨時中隔壁拆除，采用I20b工字鋼在洞中央豎立支撐；YK92+480—YK92+500段變更增加徑向Φ50 mm注漿小導管，長度5 m，間距0.8×0.8 m；YK92+500—YK92+590段初支I20b工字鋼間距由60 cm調整為50 cm；YK92+500—YK92+590段初支徑向Φ25 mm中空注漿錨桿替換為徑向Φ50 mm注漿小導管，長度由4 m變更為5 m，間距0.8×0.8 m；YK92+500—YK92+590段鎖腳Φ22 mm砂漿錨桿替換為Φ50 mm注漿小導管，長度由3 m調整為5 m，數量由2根調整為4根；加強監控量測，注意及時收集相關資料，如圖4、圖5所示。

圖4 初期支護參數調整布置圖

圖5 洞軸線豎向支撐圖

4.1.3 施工輔助措施調整

掌子面進入YK92+500位置施作超前小管棚與原設計超前小導管共起超前加固作用，鋼管直徑為76 mm，長度為9m/根，從起拱線位置開始環向布置間距為50 cm，縱向間距6 m；搭接長度不小于3 m，外插角5°。注漿液選用水泥砂漿（水灰比W/C=0.5∶1，注漿壓力1～1.5 MPa），小管棚注漿固結圈厚度不得小于小管棚間距的0.7倍，如圖6所示。

圖6 超前小管棚圖

4.2 洞頂處置方案

右洞洞頂采用地表注漿方案，施作樁號為YK92+500—YK92+530，中間采用Φ76×6 mm鋼管，鋼管入土至開挖輪廓線；左右2側各3根鋼管為Φ108×6 mm鋼管，鋼管入土至開仰拱基礎底1 m；間距按1.5 m×1.5 m梅花形布置，鋼管注漿采用水泥漿液，水灰比為0.8∶1，注漿壓力1～1.5 MPa，開挖輪廓線6 m以外不設注漿孔，如圖7所示。

圖7 洞頂地表注漿平面圖

5 施工總結

不同施工方案效果對比見表3。在淺埋隧道施工中應盡量少或不刷坡，超前支護后進洞，盡量采用人工配合機械開挖，施工初期支護采用型鋼、錨桿、鋼筋網和噴砼組合的支護方式。由于淺埋隧道覆蓋層很薄，隧道上方的巖土很難形成自承體系，而且圍巖早期壓力大，變形快，如果對隧道變形控制不當，圍巖會很快松弛，產生張裂破壞，將導致直達地表面的塌陷。所以淺埋隧道開挖時應強調圍巖變形的控制而不應強調圍巖應力的釋放，支護必須采用強度較高和剛度較大的初期支護，限制土體變形，以免破壞土體結構。結合九峰隧道右洞洞口淺埋偏壓段軟弱圍巖施工，該工藝有利于保證施工質量和安全，具有“安全、高效、節約、可靠”的技術、經濟和社會效益。并為今后類似和承接更為復雜環境條件下的隧道（城市地鐵、鄰近建筑物隧道等）工程施工提供技術保障；將推動國內隧道施工工法的升級換代，實現歷史性跨越，為全面推進安全和諧社會建設作貢獻。

表3 不同施工方案效果對比表