隧道洞口淺埋段富水紅黏土層造頂施工技術(shù)研究

張 斌

（甘肅路橋建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州）

1 項目背景

某隧道全長452 m，進口端自然坡度約13°～15°，坡向7°，地表為耕地，根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪，進口段坡面覆蓋厚層坡積粉質(zhì)粘土，含水量大，有泉眼分布，粘粒含量高，厚度約4～20 m，下伏基巖為新近系泥巖，產(chǎn)狀15°∠5°，與坡面順向，隧道軸向為181°，與巖層走向交角約76°，與地形交角約84°，風化強烈，巖性軟弱，圍巖自穩(wěn)能力較差，易發(fā)生洞口覆蓋層坍塌和軟巖大變形。綜合評估洞口段地形條件一般[1]。隧道由出口向進口端掘進，K31+118 ～K31+056 段埋深約4～15 m，出口端掌子面實際揭露圍巖為泥巖夾砂巖風化層，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖性一般，中厚層狀，遇水易軟化，洞室有滴滲水現(xiàn)象，洞頂覆蓋層初露，為坡積粉質(zhì)粘土，含水量大，自然狀態(tài)無粘結(jié)性。掘進至距離設(shè)計圖標示軟弱段交界面1 m 時（交界面樁號K31+118），掌子面上方拱部發(fā)生塌方，并出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，地表下沉深度約6.5 m，塌腔直徑約6 m，圓形。針對塌方情況，及時對地面坑口進行封水處理，并在周圍設(shè)置截水溝，然后根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對塌方處前后采取了一系列完備的處理方案，塌方清理完畢后，按照原定CD 法施工工藝繼續(xù)向前掘進[2]，開挖10 余米后再次發(fā)生冒頂，洞內(nèi)滲水量變大（見圖1），拱部松散覆蓋層塑性極差，已無自穩(wěn)能力，注漿極為困難，很難擴散，此時洞頂埋深已降低至11 m 左右，上方土體壓力增大，無法繼續(xù)施工。改為三臺階法由進口向出口方向掘進，地質(zhì)情況類似，預留沉降量50 cm，冬季復工后發(fā)現(xiàn)初支拱頂沉降遠超預留沉降量。

圖1 冒頂及掌子面塌方現(xiàn)場照片

2 塌方分析及方案制定

2.1 根據(jù)現(xiàn)場實際情況分析造成塌方的主要原因

（1） 地質(zhì)原因

隧道洞頂埋深較淺，塌方處軟弱層分界線基本位于隧道凈空折角范圍，為粉質(zhì)黏土松散堆積體（見圖2），具有高液限、高含水量、高飽和性，遇水軟化，失水強烈收縮等特性，其富水、不透水、可注性差等特性導致常規(guī)注漿措施成孔困難，漿液擴散滲透不足，不能達到改善土體工程特性的要求。

圖2 洞口地質(zhì)縱斷及塌方位置

（2） 地下水作用

隧址區(qū)地下水以孔隙水和基巖裂隙水為主。孔隙水主要賦存在覆蓋層中，含水層巖性主要為粉質(zhì)粘土層，主要受大氣降水及基巖裂隙水補給，水量小，徑流緩慢，泥巖為相對不透水層，受泥巖隔水作用，層間水力聯(lián)系較弱，主要受大氣降水補給，沿軟硬交界面順層下滲，以泉水的形式排泄出。

（3） 施工原因

對軟弱段塌方預判不及時，當臨近軟硬交界面時應提前做好工藝轉(zhuǎn)換準備。

2.2 擬定工藝

結(jié)合第一次及第二次塌方原因、施工方案特點分析，以及沉降量過大等實際情況，進行如下方案[3]比選，方案1：人工造頂后，采用二臺階法開挖；方案2：抗滑樁+明洞法；方案3：暗洞變明洞法。從經(jīng)濟性、工期、施工安全等多方面對比，結(jié)合超前支護和注漿難見效，覆蓋層整體性差無法自穩(wěn)等實際問題，最終采用方案1 進行組織施工（3 種備選施工工藝簡要對比見表1）。

表1 3 種施工工藝簡要分析對比

3 施工流程及施工要點

3.1 施工方法特點

（1） 該施工方法通過人工造頂從根本上解決了洞頂粉質(zhì)粘土及強風化砂質(zhì)泥巖易坍塌變形，自穩(wěn)能力差的問題，有效保證了開挖支護的施工安全[4]。

（2） 開挖至洞頂施作頂蓋比明洞施工的邊仰坡開挖深度減少約8 m，降低了因開挖過深，臨空面過大，導致上方山體失去支撐引起的山體順軟硬交界面滑動的風險。

（3） 人工造頂施工工藝簡單，施工進度較快，相比其他施工方案經(jīng)濟性適中，適用于洞頂軟弱覆蓋層厚度3～15 m之間，地面邊坡自然坡度較小，約13°～15°，下伏基巖與坡面順向，巖面傾角較小，覆蓋層自穩(wěn)能力差，不宜大開大挖施作明洞的淺埋段隧道施工。

3.2 工藝流程

3.2.1 覆蓋層開挖及支護

事先做好開挖范圍周邊臨時截排水，根據(jù)開挖深度及坡率準確放樣出開挖坡口線，逐層挖除軟弱段洞頂覆蓋層，挖出土體因不易壓實，層結(jié)合力差，故予以廢棄，不得用于回填，開挖至距離初支外輪廓頂面約50 cm 后停止開挖（考慮預留沉降量），邊仰坡采用鋼筋網(wǎng)+錨桿（3～6 mφ22）加20 cm 厚噴射混凝土臨時支護；開挖后底寬為洞身初支外輪廓寬度+2 m，即開挖基底橫向?qū)挾容^洞身開挖斷面寬度各寬出1 m，仰坡開挖坡度1:1，邊坡開挖坡度宜為1:0.75，縱向開挖宜保證與已完成未塌方初支搭接1～2 m。

3.2.2 基底處理

開挖后的底面采用壓路機靜壓，不得振動，或整平后采用裝載機等輪胎機械來回碾壓密實，壓實度不低于明洞回填壓實度，隨時觀測邊坡位移；根據(jù)開挖后的基坑滲水情況做好防水和排水措施，滲水量大時采用滲溝收集引排，有集中水流時采用暗管將滲水沿一側(cè)引出。

3.2.3 暗挖施工

開始洞內(nèi)施工，此時可根據(jù)洞內(nèi)掉塊以及沉降情況，靈活采用上下臺階法或環(huán)向開挖預留核心土法開挖，每循環(huán)開挖60 cm，及時成環(huán)，密切觀察洞頂沉降，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)靈活調(diào)整預留沉降量。人工造頂及開挖支護見圖3。

圖3 人工造頂及開挖支護示意

4 控制要點

4.1 邊仰坡開挖及支護

嚴禁一挖到底，應邊開挖邊支護，嚴格控制錨桿及掛網(wǎng)噴錨的施工質(zhì)量，持續(xù)觀測邊坡及仰坡的穩(wěn)定性，防止開挖過快，支護不及時引起仰坡的滑塌甚至引發(fā)山體滑坡，嚴格控制兩側(cè)邊坡的坡率，邊坡過緩勢必增大仰坡的臨空面，增大滑坡風險。

4.2 基底標高控制

嚴格控制橫向開挖寬度及縱向的搭接長度，確保頂蓋覆蓋面；嚴格控制開挖后基底標高，縱向坡度與隧道行車面設(shè)計坡度保持一致，不得使人工造頂加強層距離暗挖外輪廓面太近，預留足夠的沉降量，預防造頂加強層沉降侵界，根據(jù)開挖后基底含水情況，靈活采用摻拌石灰，水泥等膠凝材料或局部換填方式處理過濕及松散土體，尤其注意隧道開挖斷面與鋼管混凝土加強層之間的三角區(qū)土體塑性及含水情況，必要時在頂蓋兩側(cè)寬出隧道開挖外輪廓1 m 范圍內(nèi)采用1 排旋噴樁處理，外插角13°～15°，間距1.2 m，樁徑50 cm，深度8～9 m，處理范圍K31+060～080 段兩側(cè)[5]。

4.3 造頂加強層施工控制

本方案采用鋼管混凝土加強層是為了減輕加強層的重量，嚴格控制造頂加強層的厚度，過厚宜增加自重，影響人工造頂?shù)呐镒o作用。相鄰鋼管的搭接應大于每循環(huán)開挖長度，宜錯開1 m 以上，鋼管接頭處采用焊接連接。

5 經(jīng)濟分析

選擇分析段落長度為44 m，包含所有施工內(nèi)容（不含塌方處理費用），參照原CD 法施工工藝，將人工造頂施工技術(shù)與暗洞變明洞，抗滑樁加明洞方案進行詳細的造價分析對比，人工造頂施工相比CD 法及暗洞變明洞施工造價略高，但從工期上要比工期較短的原CD 施工至少節(jié)省20 天，各工藝方案造價具體對比情況見表2。

表2 某隧道淺埋段施工優(yōu)化工程造價對比（萬元）

6 結(jié)論

該隧道淺埋段地質(zhì)條件極為復雜，開挖后極易出現(xiàn)塌方，常規(guī)工藝很難安全施工，粉質(zhì)紅黏土自穩(wěn)能力極差，土體含水較豐富，注漿困難，通過鋼管混凝土加強層人工造頂施工技術(shù)，實現(xiàn)了一次性增強圍巖土體整體性，穩(wěn)定性，避免了常規(guī)注漿施工困難，效果難評估的問題，降低了安全隱患，經(jīng)濟效益適中。適用于淺埋段覆蓋層較厚，洞頂埋深約4～15 m，地表坡度較緩，明洞施工開挖風險較大，圍巖軟弱無自穩(wěn)能力的暗挖隧道施工。