山嶺隧道洞口軟弱段病害處治技術探討

龍雪峰,陳人豪

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

在山嶺隧道建設過程中,諸如軟弱段地基承載力不足、拱腳遇水軟化、初期支護沉降過大、洞內排水不暢等一系列問題給隧道洞口施工帶來了嚴重困擾[1-3]。廣西碎屑巖區分布廣泛,地層差異大,在這些地層中修建隧道,在隧道洞口段會經常遇到上述問題。隧道洞口段一般位于坡腳處,往往都會存在覆蓋層厚、地下水位高、地基承載力不足等問題。若在設計、施工過程中處治不當,極易發生支護結構受力不均勻、應力集中等,進而引發支護結構開裂、失穩[4-6]。因此,注重碎屑巖區隧道洞口段設計、保證施工質量尤為關鍵。本文結合實際工程經驗,分析了碎屑巖地區隧道洞口軟弱段地基承載力不足、排水不暢等對隧道支護結構的影響,并提出了相應的病害處治對策。

1 隧道洞口病害情況

某山嶺隧道設計為雙向四車道分離式中隧道,長557 m。地質勘察報告顯示,隧道進口端洞口段從一中密狀碎石土層中穿過,該碎石土層厚度為10～30 m,圍巖穩定性極差,遇水易軟化,且地下水位位于設計高度以下約1.2 m。

2021年6月上旬,連續4～5 d強降雨過后,先后出現初期支護開裂、二次襯砌開裂、施工縫擴大、地表開裂等病害。病害發生時,右洞二次襯砌已施工完成,左洞已貫通但初期支護未封閉成環。其中,右洞二次襯砌多處出現縱向、環向裂縫,最大裂縫寬度為3 mm,仰拱施工縫被拉開約30 mm;左洞邊墻出現環向裂縫,最大約2 mm,部分噴射混凝土出現剝落情況。地表裂縫在開挖施工過程中以及強降雨后逐步形成,隨著時間的推移以及雨水的下滲裂縫逐漸擴大。裂縫主要以縱向為主,左右洞地表兩側均發育有數條裂縫,縫寬約2～200 mm。洞口邊仰坡坡頂發育有數條3～5 m長裂縫,且左右洞鼻端土體被剪切推移,形成約5 m長裂縫;明洞槽邊坡中部、坡腳等區域均出現了裂縫,臨時防護噴射混凝土開裂剝落。

2 成因分析

2.1 基于監測數據及現場情況分析

現場監測數據顯示,原右洞初期支護施工過程中變形較大(拱頂下沉量為17.8～31.4 mm/d)段落與本次強降雨過后二次襯砌開裂段落基本一致;左洞于5～6月份初期出現支護施工拱頂沉降,約15.2～20.7 mm/d,均大大超過出了規范允許值。由此可見,洞口碎石土層段隧道施工開挖沉降控制不當,未能控制拱腳沉降,初期支護封閉不及時,造成山體松動圈擴大。

在連續多日強降雨影響下,洞頂山體飽水后荷載增大,雨水沿裂隙下滲軟化拱腳、仰拱底板基礎,造成了初期支護拱腳、仰拱下沉,引起地表開裂后雨水沿裂縫入滲,進一步弱化地基強度,加劇了洞口段的沉降問題,繼而引發了洞內二次襯砌、初期支護開裂,洞外地表開裂等一系列問題。

2.2 數值分析

選取平面應變數值模型,假定隧道洞身范圍內圍巖均為碎石土,并考慮了不同程度雨水下滲弱化后受力變形情況[7-8]。采用飽和碎石土物理參數模擬圍巖弱化情況,共設置三種工況分析強降雨后二襯的變形和受力狀況:工況一:干燥碎石土;工況二:雨水下滲弱化拱頂圍巖;工況三:雨水下滲弱化拱頂、基底圍巖。數值模型見圖1。圖1中地層分為三層,第一層為拱頂巖層;第二層為基底巖層;第三層為不受影響的深層巖層。

圖1 淺埋碎石土段隧道數值試驗模型圖

由圖2可知,在干燥狀態下,拱頂總下沉值為19.7 mm,拱頂滲水弱化后,拱頂總下沉值為28.5 mm,當拱頂與基底均滲水弱化的情況下,拱頂總下沉值達到90 mm,基底弱化對于二襯開裂的影響最為明顯。這是由于在淺埋段圍巖荷載由全部上覆土層的自重引起,在滲水飽和后,土層重量增加有限,當下部圍巖弱化時,易引起整體沉降,同時導致頂部土體下沉范圍增加,進而增加圍巖壓力,兩者結合導致頂部出現明顯沉降。

(a)工況一(干燥碎石土)

從圖3可以看出,碎石土層中二襯拱頂與基底受壓,兩側受拉,隨著圍巖條件變差,受力明顯變大。

(a)工況一(干燥碎石土)

從圖4可以看出,隨著隧道圍巖參數的減弱,隧道受到的剪力明顯大幅增大。

(a)工況一(干燥碎石土)

從圖5可以看出,在碎石土地層中,襯砌底部中心處受力較大,兩側受力相對較小,隨著隧道圍巖滲水弱化區域增加,隧道受到的彎矩明顯大幅增大。其中,當基底處圍巖滲水弱化時,彎矩增加明顯。

(a)工況一(干燥碎石土)

通過圖2～5分析可知,在已經施作二襯的隧道中,基底圍巖滲水弱化對襯砌結構危害明顯,易引起襯砌變形、開裂。

3 處治技術

3.1 處治原則

通過對洞口軟弱段病害進行分析可以發現,控制支護沉降、及時封閉成環是主要措施,因此本隧道病害處治可以按以下原則進行:

(1)注重防水、排水,洞外封閉裂縫,洞內保持排水順暢。

(2)初支支護及時封閉成環,減少初支變形穩定時間。

(3)加強鎖腳,控制初支支護沉降,減少松動圈的形成。

(4)基底補強加固,提高地基承載力。

3.2 處治方案

根據前文處治原則,隧道處治方案在以上原則的基礎上進行細化,并結合現場實際情況、施工組織等進行調整,在保證質量、安全、耐久的前提下做到經濟合理。經專家評審后,本隧道的處治方案如下:

(1)對地表裂縫進行大范圍巡查,對裂縫灌漿封閉隔水,并完善洞頂截排水設施,保證順暢排水;對右洞施工縫進行封堵,減少洞內排水下滲軟化基底。

(2)暫停左洞掌子面開挖,及時施工下臺階、仰拱,縮短初支封閉成環時間,同時對沉降控制不利段落增加φ108 mm鋼管大鎖腳,增設臨時仰拱、臨時支撐等輔助措施,控制沉降變形。

(3)洞口鼻端增加反壓,對洞門墻基底采取鋼管樁加強處理,洞門墻配筋,兩側拱腳增設雙排鎖腳鋼管,來解決山體持續縱向變形。如圖6所示。

圖6 洞門墻基底鋼管樁加固設計圖(cm)

(4)結合補勘成果、現場地基承載力檢測成果,對左右洞基底為碎石土層的段落采取鋼管樁補強加固,提高地基承載力。如圖7所示。

圖7 暗洞基底鋼管樁加固設計圖

(5)針對右洞部分二襯開裂問題,結合檢測評估結果進行處治,若開裂二襯拱圈已經損傷嚴重,要進行二襯全更換。若拱圈完好,可在已征地范圍內適當減載后進行已開裂段加深仰拱的仰拱托換和基礎處理。

3.3 處治注意事項

針對該段落的病害處治,由于圍巖飽水、豎向荷載大,支護一直處在緩慢變形的狀態下,因此在進行處治施工時要注意以下幾點:

(1)基底鋼管樁施工應分區實施,縱向分區長度>4 m,橫向分區寬度以半幅洞寬為宜;對施工角度、樁位位置等進行復查;鋼管樁鉆孔、灌漿等應施作臨時橫撐,加強監測、制定應急預案等。

(2)隧道地基加固施工方案應綜合考慮施工機械、材料、人員等,采取合適的施工順序,不得采取大開大挖的做法,盡量控制洞內人員數量。

(3)左右洞應分批施工,拉開施工距離,減少相互影響,保證施工安全。

4 結語

從現場監控量測數據到數值計算均表明洞口軟弱段需采用控制變形的施工技術,支護及時封閉成環,控制施工進尺、施工步距,杜絕通過擴大預留變形量來保證支護結構不侵限的做法。對于軟弱圍巖,特別是遇水軟化的巖層要注意排水,及時施工排水溝槽,及時封閉避免雨水下滲軟化圍巖;基底承載力不足時,可通過混凝土換填、微型樁處理、攪拌樁等措施進行基底補強。同時,施工期間應根據超前地質預報、監控量測結果及時進行動態設計,調整相應的施工方案、支護結構等,保證施工質量、安全。