大跨隧道穿越巖溶淺埋段施工難點與處治措施研究

作者簡介：孟 凱（1989—），工程師，主要從事隧道工程項目管理工作。

摘要：為研究大跨隧道穿越巖溶淺埋段施工問題，文章依托天峨至北海公路（平塘至天峨廣西段）控制性工程崗嶺山隧道巖溶淺埋段，分析隧道施工所遭遇的主要施工問題，并結合相關工程經驗與施工監測數據，提出徑向注漿加固、優化開挖方法與支護參數、加強仰拱基底處治等洞內沉降變形控制措施，洞內變形沉降問題得到有效控制，處治過程中洞內監控量測數據始終穩定正常，沒有發生二次災害。

關鍵詞：大跨隧道；巖溶淺埋段；施工難點；處治措施

中圖分類號：U457⁺.2

0 引言

中國西南地區發育有典型的巖溶地貌，地形復雜，山嶺綿亙，巖溶發育，水文地質條件極其復雜。在公路建設中，巖溶的存在給隧道施工帶來諸多困難。受限于地形地質條件、前后存在重大構造物制約等因素，隧道工程不可避免地需穿越巖溶淺埋段。實踐表明，巖溶淺埋段水文地質條件復雜，雨季地表水匯積于此，地下水補給資源豐富，巖溶強發育，圍巖地質條件很差，物理力學性質不穩定，成拱效應很差。

相關研究表明^[1-2]，大跨隧道施工擾動對圍巖穩定性的影響更為明顯，對于結構沉降變形控制更為困難。由于隧道跨度大，結構受力復雜，往往采用分步開挖法進行掘進，施工工序較多，施工組織轉換復雜，圍巖受到多次擾動，使得應力狀態多次重分布，圍巖自承載能力受到削弱；同時大跨隧道初期支護很難及時施作，初期支護無法及時閉合成環，拱腳與邊墻位置的應力較集中，再加上施工質量控制不好、施工方法不合理、初支施作時機與強度不合理等因素，導致大跨隧道開挖工程中出現沉降大變形、洞內塌方冒頂等問題。

近年來，針對大跨隧道施工方面的研究主要集中在隧道施工力學機理與施工技術措施等方面^[3-6]，關于大跨隧道穿越巖溶長淺埋段的研究仍有待探討。本文以天峨至北海公路（平塘至天峨廣西段）控制性工程崗嶺山隧道巖溶淺埋段為研究背景，分析隧道掘進過程中面臨的主要施工問題，分析巖溶淺埋段水文地質特點與土體力學機理，并結合相關工程經驗與施工監測數據，提出合理可行的施工控制措施，總結出項目建設的技術創新成果，相關研究成果可為今后類似工程建設提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

天峨至北海公路（平塘至天峨廣西段）是國家高速公路網“縱10”的重要組成部分，項目主線設計速度為100 km/h，路基寬33.5 m，是廣西區內首條采用雙向六車道設計的高速公路，隧道斷面最大開挖跨度為17.75 m。

項目控制性工程崗嶺山隧道進口位于河池市南丹縣羅富鎮羅屯村木橋屯境內，出口位于天峨縣六排鎮索法村大躍屯境內，隧道走向近南北向。設計隧道左幅起止里程樁號：ZK53+325～ZK54+493，設計長度為1 168 m；右幅起止里程樁號：K53+327～K54+490，設計長度為1 163 m。隧道采用上下行分離隧道形式，凈空（寬×高）14.5 m×5.0 m，進出口洞門形式均設計為端墻式。該隧道進口端穿越約170 m的巖溶長淺埋段，洞頂埋深0～30 m不等，洞口淺埋段線位沿沖溝溝谷布設，雨季兩側地表水往隧道線位匯集，地下水較發育，施工難度及安全風險大。

1.2 工程地質條件

隧址區屬構造剝蝕、侵蝕丘陵低山地貌，山體連綿起伏，地形起伏較大。根據工程地質物探與鉆探資料，隧址區位于西涼-陸隆向斜東翼，軸部為南北向，褶皺較為寬闊，核部為三迭系地層，兩翼為二迭系地層。擬建隧道沿線上覆第四系殘坡積（Q^el+dl）粉質黏土，下伏三疊系下統（T₁）砂巖和二迭系下統茅口組（P_1m）灰巖。

根據CSAMT、高密度電法、淺層地震法相結合的綜合物探成果得知，隧道進口端巖溶長淺埋段為物探低阻異常帶，地下水較發育，為巖溶發育破碎帶，發育較強烈，垂直延伸約40 m，水平延伸約110 m。地質鉆孔資料揭露該巖溶長淺埋段圍巖主要為殘坡積粉質黏土及碎塊石、孤石，巖體破碎，洞室多呈點狀滴水、線狀滲水，雨季滲水現象嚴重，隧道開挖后頂板可能產生松動掉塊或塌落，坡體穩定性差。

2 施工技術難點

2.1 洞內沉降變形控制困難

隧道下穿巖溶長淺埋段過程中，掌子面揭露圍巖以全風化軟塑狀黏土為主，局部夾有孤石，巖溶發育強烈，地下水發育，圍巖遇水易崩解軟化，圍巖無自穩能力。開挖擾動后，地層初始應力平衡狀態極易被破壞，使得隧道拱圈外土體出現松動，拱腳位置約束會減弱，鎖腳支護與土體間的內摩擦力會減小，使得隧道洞內的沉降控制變得更為困難，更容易引起洞內失穩大變形現象。由于前期開挖方法的地層適應性差、施工工序銜接不緊湊、初期支護未及時閉合成環等原因，使得巖溶長淺埋段洞內沉降變形控制異常困難，多次出現洞內沉降變形過大引起初支侵限的問題，初支侵限段落最長達30 m，最大侵限值高達40 cm，后期換拱作業施工風險極高。

2.2 極易引發隧道塌方冒頂問題

巖溶淺埋段圍巖以全風化軟塑狀黏土為主，巖體力學性質極不穩定，成拱效應較差，地下水滲流會進一步降低土體的物理力學性質，施工荷載擾動下掌子面部分土體會發生松動，進而對掌子面上部土體的穩定性產生影響，還會加大上部土體的松動范圍，出現脫空現象。隨著上方脫空區域的土體不斷掉落，上方土體部分土拱效應會逐漸被破壞，使拱頂脫空區域與松動塑性區不斷往上發展，最終發展至地表，從而引起隧道拱頂冒頂等事故。該隧道下穿巖溶淺埋段前期共出現3次拱頂塌方冒頂事故，造成較大的經濟損失，施工工期受到較大影響。

3 施工處治措施

3.1 洞內沉降變形控制措施

3.1.1 徑向注漿加固

現場實踐表明，巖溶長淺埋段圍巖在施工擾動后，拱圈土體容易發生松動，塑性區不斷往外發展，圍巖結構無法再與初期支護共同受力，圍巖自承載能力無法充分發揮，使作用在初期支護結構上的圍巖松動壓力急劇增大，這是洞內沉降變形過大的主要原因。基于此，對于施工擾動后的段落，現場采取注漿加固拱圈土體的措施來限制圍巖的變形。其施工控制要點如下：

（1）采用滲透性好的超細水泥漿液（考慮超細硫鋁酸鹽水泥漿）來進行徑向注漿加固。普通水泥漿液的水灰比宜為0.5∶1～1∶1；超細水泥漿液的水灰比宜為0.5∶1～1∶1，水泥最大粒徑宜≤20μm，D50lt;1μm且D80lt;5μm。

（2）注漿加固范圍為初支外輪廓以外3～5 m，注漿鋼管管徑宜選用?42 mm×4 mm或?50 mm×5 mm；注漿孔宜采用梅花形布設，孔深宜≥4 m，縱、環間距為1 mm×1 m（根據現場實際情況進行調整，應保證注漿固結的效果），注漿孔口采取封堵措施。

（3）注漿壓力初壓宜為0.5～1.0 MPa，終壓宜為2.0 MPa，注漿加固宜按由下至上、由拱兩邊向拱頂的順序施工。在設計終壓條件下，當注漿孔段吸漿率為5～10 L/min、穩壓10～20 min時，可考慮停止注漿。

（4）注漿前應先進行注漿現場試驗，確定合理的注漿材料和參數（漿液材料、配合比、注漿壓力等）；注漿過程中，現場監理應做好相應的注漿質量檢查和工程量收方記錄，并留好施工影像資料；注漿結束后宜采取鉆孔取芯法等對注漿效果進行檢查，對于不合格者應補鉆孔注漿。

3.1.2 優化開挖方法與支護參數

加強隧道巖溶長淺埋段襯砌支護參數，開挖工法由預留核心土環形開挖調整為單側壁導洞CRD法開挖，于中臺階增加40 cm厚素混凝土臨時仰拱，以加快初支閉合成環的速度。待超前支護做完后，先開挖中夾巖側導坑，要求采用機械或人工開挖施工，中夾巖側導坑斷面往前掘進一個循環管棚長度后，應先對中夾巖進行注漿固結，再施工另一側導坑斷面。待上一循環初支封閉成環（大鋼管鎖腳和臨時仰拱施工完畢）后，方能拆除中隔壁初支型鋼，再進行下一循環的超前支護施工。

于隧道左、右側起拱線位置、邊墻拱腳處各打設兩根?108 mm×6 mm鎖腳大鋼管，設計長度為9～12 m，采用跟管鉆進工藝，鋼管內采用M30砂漿填充。對大鎖腳鋼管與型鋼拱架的連接進行優化（見圖1），鎖腳鋼管端部通過預制加工的Q235連接鋼板與初支型鋼拱架進行焊接，增強相鄰兩榀初支型鋼的整體連接效果，提高初期支護的整體抗扭轉能力。

3.1.3 加強仰拱基底處治

隧道仰拱基底穩定性是影響后期沉降變形的關鍵，仰拱基底承載力應滿足規范要求，才能確保仰拱施工完畢后洞內不再發生不均勻沉降。結合現場實際情況，設計采用鋼管樁注漿方案對仰拱基底進行加固，根據實際情況調整基底加固鋼管長度，以保證鋼管末端嵌入基巖深度≥1 m，鋼管內利用強度等級為M30的水泥砂漿填充密實。

3.2 隧道塌方冒頂問題控制措施

3.2.1 洞內掌子面反壓回填

利用洞渣對掌子面進行反壓回填，洞渣回填以保證封堵塌孔后縱向仍有3～5 m回填土石反壓為準，從而避免回填地表塌坑時洞內溶洞填充物再次出現滑塌，進而影響到洞內已施作的支護結構。

3.2.2 洞頂塌坑回填

將塌坑內的積水抽干，從山腳往上分段接泵管至洞頂塌坑，每段泵管應固定牢靠，避免其抖動導致泵送壓力損失。

塌坑底部采用廢棄的型鋼或鋼管作為混凝土骨架，然后往塌坑內泵送C20混凝土，回填厚度≥3 m，以達到防水和壓實松散塌體的目的，并形成“瓶塞”效應防止洞內后續開挖時塌坑松散體繼續滑落。回填混凝土凝固后，繼續回填碎石土至原地表高度，適當壓實，并在表面涂抹10 cm厚M30砂漿防水，最后采用彩條布進行覆蓋。待塌方段二襯施工完成后將地表砂漿層破除，最后恢復綠化。

3.2.3 增設洞內復拱結構

為確保隧道作業人員安全，要求在進行洞內塌方處治前，提前在塌方影響段落范圍內增設洞內復拱結構。復拱參數如下：Ⅰ18b工字鋼、縱向間距為原主洞初支型鋼間距、相鄰鋼架間采用Ⅰ14縱向工字鋼或連接鋼筋連接，復拱與初支間的空隙采用木楔塞緊或噴射混凝土封閉，復拱鋼架落腳部位采用鋼板鋪墊，并采用?50 mm×5 mm鎖腳鋼管進行固定。

3.2.4 采用新型超前支護措施體系

洞內超前支護措施調整為“洞內超前短管棚+雙層超前小導管”的超前支護體系，洞內管棚設計長度為9～12 m，外插角3°～5°，環向間距40 cm，架立型鋼導向架或混凝土導向墻，鋼管內應插入鋼筋籠并填滿M30水泥砂漿，采用跟管鉆進工藝進行施工，以防塌孔影響正常鉆進。在相鄰兩根?108 mm鋼管間內插?50 mm×5 mm雙層超前小導管，環向間距40 cm，與洞內超前管棚形成完整的超前支護體系。此外，改用滲透性好的超細水泥漿液進行超前注漿加固，并根據現場試驗適當增加添加劑，確保加固范圍內形成完整的注漿硬殼層。

4 處治效果分析

由于現場前期對巖溶淺埋段的水文地質情況認識不足，無法準確掌握其致災機理，缺乏必要的施工經驗，巖溶長淺埋段掘進不久后，就多次出現洞內沉降變形大、初支開裂侵限、塌方冒頂等問題，這種情況下隧道必須停止掘進，若進行反復的換拱處治，則隧道施工進度不可避免地受到嚴重影響，根據統計數據，平均每個月只有7～8 m的開挖進度。

根據現場施工經驗總結，深入分析隧道穿越巖溶淺埋段致災機理，從源頭上把握問題的關鍵。通過采取相應控制措施后，洞內變形沉降問題得到有效控制，不僅避免反復進行初支換拱作業，施工進度得到大幅提高，還有效確保隧道安全順利通過塌方影響段，使后續施工過程中塌方冒頂問題發生的頻率大大降低，處治過程中洞內監控量測數據始終穩定正常，沒有發生二次災害。

5 結語

本文以天峨至北海公路（平塘至天峨廣西段）控制性工程崗嶺山隧道穿越巖溶淺埋段為研究背景，分析隧道掘進過程中所遭遇的主要施工難點，從巖溶淺埋段水文地質特點與土體力學機理出發，并結合現場施工經驗與監測數據，提出合理可行的施工控制措施。研究表明：

（1）巖溶長淺埋段圍巖在施工擾動后，拱圈土體容易發生松動，塑性區不斷往外發展，圍巖結構無法再與初期支護共同受力，圍巖自承載能力無法充分發揮，使得作用在初期支護結構上圍巖松動壓力急劇增大，這是隧道出現問題的主要原因。

（2）巖溶淺埋段地層在大跨隧道施工荷載的反復擾動下極易發生松動，極大削弱圍巖自穩能力，施工過程中易出現隧道塌方冒頂、洞內沉降大變形等問題。

（3）巖溶淺埋段洞內沉降變形控制非常困難，合理的開挖工法、銜接良好的施工組織、不打折扣的施工質量、加強型的鎖腳支護等是解決該問題的關鍵。

（4）“洞外+洞內”綜合處治方案合理可行，能最大程度確保隧道安全順利通過塌方影響段，使后續施工過程中塌方冒頂問題發生頻率大大降低。

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