洞口浅埋段土质隧道地表及拱顶

赵顺昌
【摘要】根据国内隧道施工案例，在浅埋软弱土质地层的施工中，地表及拱顶下沉量大，容易侵入二衬结构、影响二衬厚度，严重的导致隧道坍塌。因此为了保证本隧道施工安全与
结构质量，避免塌方等事件产生，有效控制洞口浅埋段土质隧道地表及拱顶下沉。
【关键词】浅埋段土质下沉控制措施
一、工程简介
虎形山隧道为双向四车道高速公路分离式隧道，左线全长1015m，隧道底板最大埋深约180m；右线全长985m，隧道底板最大埋深约170m，；隧道左右线间距在30～40m之间。隧道地处湖南郴州丘陵地区，地表黄土冲沟发育。该隧道处于红粘土，强风化石灰岩、页岩、破碎带、断层地段，溶洞、溶槽极其发育，地质条件复杂。隧道进出口段落内均为红粘土地层，洞口洞顶粘土覆盖层为2～20米，属于浅埋地段，围岩级别设计均为Ⅴ级（实际为Ⅵ级）。
虎形山隧道的施工方法除明洞采用明挖法施工外，其余采用人工风镐、钻爆法施工。隧道左右线共有Ⅴ级围岩686m，主要采用留核心土环形开挖法施工，18＃工字钢拱架＋锚喷支护；Ⅳ级围岩1069m，主要采用上下断面正台阶开挖法施工，钢格栅拱架＋锚喷支护；Ⅲ级围岩245m,主要采用光面爆破全断面开挖法施工，锚喷支护。
二、资料搜集整理
根据虎形山隧道的施工施工情况，收集了国内类似地质条件在建的或是建成的隧道施工资料，特别是对郴州至宁远段高速公路4标段芒头岭隧道、5标段万华岩隧道等进行了细致的调查，这些隧道洞口均属于浅埋红粘土土质地层，与我标段虎形山隧道洞口段地质及地形条件极为相似，芒头岭隧道、万华岩隧道分别于2009年4、5月份从进口进洞，最初采用两台阶法或预留核心土开挖，主要的支护参数：18#工字钢（纵向间距0.5m）；双层超前注浆小导管，上层为φ50*5mm，下层为φ42*3.5mm，间距均为60cm，上下层交错布置；φ25mm中空注浆锚杆，φ8mm双层钢筋网，C20喷射砼厚度为25cm。
通过对以上两座隧道一个月内的监控量测数据表明：两座隧道地表及拱顶下沉量均较大，其中芒头岭ZK127+622隧道拱顶最大下沉量22cm，万华岩隧道K129+610隧道拱顶最大下沉量17cm，均侵入二衬结构，最终导致芒头岭隧道左洞ZK127+609～ZK127+643、万华岩隧道右洞K129+580～ZK129+621出现大面积换拱现象，同时隧道地表及洞内初期支护出现较多的裂缝、初期支护表面脱壳。我标段于2009年4月23进行出口左洞开挖，监测数据也出现拱顶沉降量过大的问题，最大沉降ZK116+908为19cm
三、原因分析
根据出现的上述情况，2009年6月16日业主召集设计院、监理处、隧道施工方并聘请相关隧道专家到现场勘察各隧道标段实际情况后，针对出现的问题进行专家讨论会，共同分析，分析认为导致地表及拱顶下沉过大主要有以下几个方面的原因：
1、开挖方式不当。对洞口土质浅埋隧道，通常的台阶法或预留核心土法开挖并不完全适合；
2、初期支护没有及时跟进进行有效约束，导致土层拱圈松弛过大，增加了对隧道结构的荷载；
3、拱架拱脚没有落于坚硬的地基上或拱脚处理不当；
4、超前支护做得不到位，尤其是注浆效果较差，没有真正起到固结土层的效果；
5、仰拱闭合不及时，不能及时约束周边土层
四、制定对策
针对上述确定的原因，结合专家会提供的意见，经过大家共同研究讨论，制定了如下的对策。
1、根据地质条件，适当改变工法，如可采取CRD工法或CD工法；
2、及时跟进初期支护，隧道开挖后立即进行素喷3cm砼，并加强后续工序衔接控制；
3、拱脚处采用小导管垂直打入作钢架支垫；
4、加强超前支护注浆效果控制，针对土质底层普通注浆效果差的情况，采用劈裂法注浆；
5、及时闭合仰拱成环，仰拱施工采用全断面法。
五、对策实施
针对制定的对策，根据工程进展状况对虎形山隧道进出口土层浅埋地段陆续开展工作，具体桩号如下：进口端：ZK115+932～ZK115+957,K115+902～K115+933；出口端： ZK116+872～ZK116+900，K116+810～K116+846。
对策实施1：加强拱脚支垫处理
虎形山隧道四个洞口开挖后路面标高以下约2米均为红色粘土，呈胶泥状，工字钢拱脚无法落于坚硬处，针对此种情况项目部起初用水泥垫块及双排工字钢在拱架处做支垫，但由于压力太大，无法满足沉降要求，后改用钢管，其方法是在拱脚处竖向打入一定长度的钢管（采用核心土开挖，钢管长度基本达到5米），管端焊接钢板做钢架支垫，分布开挖施工到此处时割除去掉，尽可能做到刚性支撑减少下沉。

对策实施二：改变开挖方法及支护方式
采用CRD工法，将整个隧道断面分为六部分开挖，根据地形条件，先施作山体覆盖层较薄一层，并进行永久及临时支护，设临时仰拱，根据分块左右交错推进，施工中需立即用砼素喷封闭掌子面，同时加强开挖后各道支护工序的衔接，做到稳中求快，该工法工序，各道施工工序相互干扰大，进度很慢，出口端K116+836～K116+846由于土层中饱水，极其不稳定，采用了此工法。

对策实施三：加强超前支护的监管，规范注浆流程，加强注浆效果
先护后挖超前支护是针对软弱地层及土质层普遍采用的隧道施工方法，能有效控制隧道掌子面前方围岩变形，并防止隧道掌子面坍塌。常用的超前支护有：超前锚杆、超前小导管注浆、超前大管棚。本隧道四个洞口土层段均采用纵向20m大管棚及双层小导管作超前支护，超前支护特别重要的一点是要保证注浆效果，真正起到固结作用。在本次活动展开前，由于项目部和劳务队之间认识上的差距及注浆机性能方面的局限，出口左洞注浆效果较差，没起到固结作用，出现大面积沉陷，基于此，经多方讨论作出决策：针对土层地段吃浆较少、注浆效果差的特点更换性能较高的注浆机具，改进普通注浆工法，采用劈裂法注浆。劈裂灌浆原理是向土体内的孔内灌浆时，作用在孔壁上的径向压力引起孔的扩张，使孔壁土体受劈裂挤应力，而当这些应力超过土体的抗拉强度时，就会在土体内产生一些裂缝，最大限度的注入水泥浆，达到固结效果。注浆主要基本参数水泥水重量比为1:1，注浆压力为1～1.5Mpa，注浆过程中应注意压力表达到上述值是单孔注浆量是否与计算注浆量有较大的偏差，若偏差太大，远少于计算注浆量，应进一步分析土层性质，调整压力，否则注浆效果是不佳的。

对策实施四：加强各道工序衔接，尽早支护，快速封闭成环
在软弱围岩施工中，隧道仰拱是隧道初支的重要组成部分。隧道初支是否成环封闭，决定着它的受力方式，二者着力点的受力大小相差极大。及时的施工仰拱，使隧道初支尽早封闭成环可以有效的减少初支着力点的受力大小，减少拱顶沉降，稳定隧道。

六、总结
通过检测数据和现场观察，控制沉降量在预定的目标之内，初期支护表面没有发现有明显的裂缝现象，因此达到了很好的效果，但在今后隧道施工遇到类似地质情况时需要强调：对洞口浅埋地段土质底层，并不是以上所有的控制措施要一哄而上，因为这些措施总的说来各工序相互干扰交大，制约了工程的进展，大大提高了施工成本，因此应根据不同的底层地质条件选择一种或几种，确定最合理的措施，以加快工程进度和节约施工成本。本隧道各个区段正是基于这种指导思想，例如CRD工法、劈裂注浆、由于进展缓慢、劈裂注浆工艺不完全成熟、施工成本过高等问题，有针对性选择区段进行，拱脚处理拱脚如不是落于潮湿处也改用砼垫块处理，但是一定要注意初期支护及时跟进，仰拱要尽早闭合呈环。

参考文献：
[1]交通部.公路隧道施工技术规范（JTJ042-94）.北京：人民交通出版社，1994
[2]赵才顺.临汾草峪岭隧洞施工塌方的原因浅析与预防.山西：山西水利科技，127（3）：78~80
[3] 王立忠. 崩塌松散围岩隧道施工稳定分析与监控[J]. 岩石力学与工程学报，22（4）： 589~595.