尤鴻波,胡建華

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311122)

西部某山嶺隧道洞口偏壓段大變形處理實(shí)踐

尤鴻波,胡建華

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311122)

以西部某山嶺隧道洞口偏壓段大變形為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況及地質(zhì)調(diào)研，對(duì)大變形原因進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的處理措施。應(yīng)急處理措施包含設(shè)置臨時(shí)鋼支撐、洞渣回填護(hù)腳、補(bǔ)打注漿小導(dǎo)管加固圍巖等；永久處理措施包含對(duì)初期支護(hù)換拱、加強(qiáng)二襯配筋、設(shè)置明洞等。工程實(shí)踐中，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了處理措施的合理性。最后，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)，對(duì)洞口偏壓段施工提出若干建議。關(guān)鍵詞：洞口偏壓段；大變形；原因分析；處理實(shí)踐；監(jiān)測(cè)

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 隧道概況

巴斗羅隧道位于西部某水電站進(jìn)場(chǎng)專(zhuān)用公路K11+328 m～K12+215 m處，隧道全長(zhǎng)887 m(含明洞)。

隧道建筑限界為8.5 m(限寬)×5.0 m(限高)最大開(kāi)挖跨度為10.8 m，最大開(kāi)挖面積約89 m2。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道出口段山體為斜坡地貌，洞口處有一淺切沖溝，植被較發(fā)育，山體自然坡度45°～50°。地表薄層殘坡積(Q4)塊碎石土覆蓋，以稍密～中密為主，厚度約0.6～2.0 m，可見(jiàn)強(qiáng)～弱風(fēng)化巖出露，巖性以絹云母板巖(T3zh)、砂質(zhì)板巖(T3z)為主。層理產(chǎn)狀N5°～15°E SE∠50°～60°，層面多微張，層面較光滑，鐵錳質(zhì)渲染。地表巖體強(qiáng)卸荷，局部有傾倒變形現(xiàn)象。

出口段洞內(nèi)圍巖巖性為強(qiáng)風(fēng)化絹云母板巖、砂質(zhì)板巖，呈2～5 cm薄片狀，局部碎塊狀。圍巖層理發(fā)育，其走向與洞軸線(xiàn)大角度相交，角度60°～70°，傾向洞內(nèi)。

1.3 施工過(guò)程及變形情況

根據(jù)施工組織，巴斗羅隧道采用雙向掘進(jìn)，出口端的施工過(guò)程如下：

(1) 2013年7月8日，出口端進(jìn)洞，進(jìn)洞樁號(hào)為K12+198.3 m，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，按照Ⅴ級(jí)圍巖洞口偏壓段進(jìn)行施工。

(2) 8月10日，出口端掌子面掘進(jìn)至K12+174 m。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，臨近掌子面區(qū)域拱頂最大累計(jì)下沉值為30 mm，周邊最大累計(jì)收斂值為19 mm。初期支護(hù)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，地表(開(kāi)口線(xiàn)外約10 m)出現(xiàn)寬約10 cm的裂縫。因承包商暫不具備施工二襯的條件，現(xiàn)場(chǎng)在K12+177 m～K12+198 m段初期支護(hù)內(nèi)側(cè)增加I16型鋼拱架進(jìn)行加強(qiáng)，新增鋼拱架設(shè)置于既有兩榀鋼架中間。為避免雨水通過(guò)裂縫滲入地表，對(duì)地表裂縫進(jìn)行封閉處理。

(3) 11月6日，出口端掌子面掘進(jìn)至K12+005 m處。K12+160 m～K12+198.3 m段在完成底部臺(tái)階開(kāi)挖后，K12+165 m～K12+195 m段路線(xiàn)左側(cè)(靠江側(cè))初期支護(hù)鋼拱架發(fā)生快速的收斂變形，變形量約35～40 cm，左側(cè)初期支護(hù)噴混凝土出現(xiàn)環(huán)向裂縫，局部噴混凝土剝落。與此同時(shí)，隧道出口仰坡噴射混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂、鼓包、局部剝落，前期已有的洞頂?shù)乇砹芽p寬度進(jìn)一步增大，并新增2道地表裂縫。根據(jù)承包商對(duì)地表位移監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，測(cè)點(diǎn)累計(jì)水平偏移量為17 cm，累計(jì)下沉量為31 cm，地表裂縫范圍和地表位移方向見(jiàn)圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)情況詳見(jiàn)圖2～4所示。

圖1 隧道出口地質(zhì)平面圖 單位：m

圖2 隧道出口全景圖

2 變形原因分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況及洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)研，各方對(duì)初期支護(hù)鋼拱架擠壓變形及地表開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析。分析認(rèn)為原因包含地質(zhì)、地形條件以及施工3方面因素[1]。

圖3 新出現(xiàn)的地表裂縫圖

圖4 K12+165 m～K12+195 m處變形情況圖

2.1 地質(zhì)因素

出口段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷的砂質(zhì)板巖、絹云母板巖，巖體呈薄片狀，局部碎塊狀，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，自穩(wěn)能力差。

2.2 地形因素

洞口段左側(cè)拱肩覆土最小厚度僅為10 m，偏壓嚴(yán)重。在隧道工程建設(shè)中，偏壓荷載容易對(duì)施工造成不利影響[2]。

2.3 施工因素

現(xiàn)場(chǎng)施工不規(guī)范，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1) 二次襯砌滯后進(jìn)洞時(shí)間較長(zhǎng)；

(2) 下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程，一次性開(kāi)挖縱向長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，初期支護(hù)仰拱未能及時(shí)封閉成環(huán),不能保證隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。

(3) 型鋼拱架落腳不穩(wěn)或脫空，鋼架接頭連接不規(guī)范，導(dǎo)致型鋼拱架的剛性支護(hù)作用打折。

(4) 洞口偏壓段左側(cè)(靠江側(cè))小導(dǎo)管注漿加固效果與設(shè)計(jì)預(yù)期相差較大。

(5) 洞口開(kāi)挖后，仰坡較高，存在較大臨空面，但未能及時(shí)進(jìn)行明洞施作及洞頂回填。

由于施工中支護(hù)未能及時(shí)封閉成環(huán)，致使支護(hù)強(qiáng)度不足抵抗圍巖壓力，拱架產(chǎn)生較大的擠壓變形，噴射混凝土多處開(kāi)裂、剝落。洞內(nèi)圍巖的變形導(dǎo)致巖層在重力的作用下，向臨空面方向彎曲、折裂，產(chǎn)生地表裂縫，即傾倒破壞[4-5]。

3 處理措施

3.1 應(yīng)急處理措施

為保證隧道施工期安全穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)采取了應(yīng)急處理措施，詳見(jiàn)圖5，步驟及要求如下：

圖5 變形應(yīng)急處理措施示意圖 單位：cm

(1) 暫停出口端掌子面的爆破、開(kāi)挖，撤出人員、機(jī)械[4]。

(2) 對(duì)K12+160 m～K12+198 m段采取洞碴壓實(shí)回填。待回填至設(shè)計(jì)高程以上75 cm高度時(shí)，增設(shè)臨時(shí)I16型鋼橫撐及縱向臨時(shí)I16型鋼，橫撐與既有初期鋼拱架及縱向型鋼進(jìn)行頂緊焊接。

(3) 對(duì)K12+160 m～K12+198 m段進(jìn)行二次壓實(shí)回填，使偏壓側(cè)洞碴回填高度至現(xiàn)初期支護(hù)擠壓變形最大處，回填寬度L及高度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

(4) 對(duì)K12+165 m～K12+177 m段采用第2層臨時(shí)環(huán)向I16型鋼拱架進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)，鋼拱架與已有橫撐鋼架進(jìn)行焊接。必要時(shí)應(yīng)增加斜向鋼支撐。

(5) 靠江側(cè)拱墻范圍重新施作徑向注漿小導(dǎo)管[6-8]。

(6) 密切關(guān)注此段初支表觀(guān)變化，加強(qiáng)洞身變形段及對(duì)應(yīng)地表的沉降監(jiān)測(cè)[9]。

3.2 永久處理措施

為保證隧道運(yùn)行安全，采取如下永久處理措施。

(1) 引截地表水

為避免降雨期間地表水通過(guò)裂縫進(jìn)入邊仰坡深層土體，要求采用不透水土壤對(duì)裂縫進(jìn)行緊密夯填，對(duì)噴混凝土脫落處進(jìn)行掛網(wǎng)補(bǔ)噴；在洞口仰坡開(kāi)口線(xiàn)5 m外結(jié)合實(shí)際地形條件完成截水溝施作[10]。

(2) 洞口設(shè)置明洞

因洞臉、仰坡臨空面較大，為保證洞口仰坡穩(wěn)定及洞口安全，應(yīng)盡快采用鋼模臺(tái)車(chē)施作洞口明洞襯砌及M10漿砌片石回填，利用明洞回填對(duì)洞口仰坡進(jìn)行反壓[2]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，明洞設(shè)置范圍為K12+198.3 m～K12+215 m，總長(zhǎng)約17 m。明洞回填設(shè)計(jì)圖詳見(jiàn)圖6。

圖6 隧道出口明洞回填設(shè)計(jì)圖 單位：m

(3) 洞內(nèi)換拱處理

由于初期支護(hù)大變形導(dǎo)致拱架侵入二襯范圍，為保證二襯厚度，在應(yīng)急處理措施完成后且洞身變形收斂條件下，采取了換拱處理[8,11]。換拱中嚴(yán)格按照“拆除1榀鋼架，重新安裝1榀工字鋼”的原則執(zhí)行[12]。具體步驟如下：

1) 每次用風(fēng)槍鑿除1榀拱架初期支護(hù)，按設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線(xiàn)人工鑿除欠挖部分圍巖，割除侵限部分工字鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片及縱連接筋。

2) 按設(shè)計(jì)要求掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，重新架設(shè)拱架并進(jìn)行可靠連接，然后噴射混凝土，完成一次換拱循環(huán)。待噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，再施作下一榀變形鋼架的換拱工作。

3) 每次換拱完成3～4 m后采用鋼模臺(tái)車(chē)施作鋼筋混凝土二襯[12]。

換拱完成后，K12+160 m～K12+198.3 m段隧道支護(hù)參數(shù)詳見(jiàn)圖7。

(4) 加強(qiáng)二襯配筋

為提高變形段及影響段混凝土二襯的縱向強(qiáng)度和剛度，將K12+150 m～K12+198.3 m段二襯的縱向鋼筋由B12調(diào)整至B22。

圖7 變形段永久襯砌結(jié)構(gòu)圖 單位：m

3.3 位移監(jiān)測(cè)方案

(1) 位移監(jiān)測(cè)程序

位移監(jiān)控量測(cè)的目的在于監(jiān)測(cè)圍巖變形情況，提供判斷圍巖和支護(hù)系統(tǒng)基本穩(wěn)定的依據(jù)。通過(guò)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，掌握地層穩(wěn)定性變化規(guī)律，預(yù)見(jiàn)險(xiǎn)情，作為調(diào)整支護(hù)參數(shù)及施工方法的依據(jù)，提供圍巖和支護(hù)襯砌最終穩(wěn)定的信息[13]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)繪制位移-時(shí)間曲線(xiàn)圖，在位移-時(shí)間曲線(xiàn)趨于平緩時(shí)進(jìn)行回歸分析，以推算最終位移和掌握位移變化規(guī)律，回歸分析為建立下沉量(U)隨時(shí)間(T)發(fā)展的時(shí)態(tài)函數(shù)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)位移變化速率判斷圍巖穩(wěn)定狀況，當(dāng)隧道周邊變形趨勢(shì)有明顯減緩趨勢(shì)，則說(shuō)明隧道變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)變化速率過(guò)快、過(guò)大，或當(dāng)位移-時(shí)間曲線(xiàn)出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí)，說(shuō)明位移出現(xiàn)反常的急劇增加現(xiàn)象，表明圍巖及支護(hù)已呈不穩(wěn)狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)并停止其他作業(yè)。

(2) 位移監(jiān)測(cè)要求

考慮到變形段初期支護(hù)變形量較大且處于Ⅴ級(jí)圍巖洞口偏壓段，因此在應(yīng)急處理階段、換拱階段至二襯澆筑前，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)及地表變形觀(guān)測(cè)，及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)急處理階段及換拱階段，洞內(nèi)量測(cè)斷面縱向間距按5 m設(shè)置，量測(cè)頻率按2次/d進(jìn)行。

現(xiàn)場(chǎng)隧道洞內(nèi)布置的位移監(jiān)測(cè)斷面共有8處，位置分別為K12+160 m、K12+165 m、K12+170 m、K12+175 m、K12+180 m、K12+185 m、K12+190 m及K12+195 m。變形段對(duì)應(yīng)地表設(shè)置1處地表位移觀(guān)測(cè)點(diǎn)。

4 處理措施現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證處理措施是否安全合理，現(xiàn)結(jié)合承包商提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下成果和結(jié)論。

4.1 應(yīng)急處理后變形情況分析

2013年11月12日，承包商完成了臨時(shí)橫撐鋼架加固及洞碴反壓回填。截至11月25日，洞內(nèi)各斷面收斂速率和下沉速率及地表水平位移速率和下沉速率均小于1 mm/d(見(jiàn)圖8～13)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采取應(yīng)急措施之前的變形速率，并逐漸變??；同時(shí)各斷面水平收斂和頂拱下沉及地表位移值趨向收斂，隧道初期支護(hù)及地表變形均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 各斷面水平收斂曲線(xiàn)圖

圖9 各斷面拱頂下沉曲線(xiàn)圖

圖10 各斷面水平收斂速率曲線(xiàn)圖

圖11 各斷面拱頂下沉速率曲線(xiàn)圖

4.2 施工控制效果

由監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，采取應(yīng)急措施后，洞口偏壓段變形得到有效控制，洞內(nèi)及地表的變形量和變形速率均明顯減小，確保了隧道施工安全，見(jiàn)圖14。

圖12 地表位移曲線(xiàn)圖

圖13 地表位移速率曲線(xiàn)圖

圖14 隧道洞口現(xiàn)狀圖

截至目前，隧道已經(jīng)投入使用2 a，其大變形段襯砌及出洞口邊、仰坡均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，證明所采取的處理措施是科學(xué)、合理的。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 通過(guò)對(duì)巴斗羅隧道出口段施工情況、地質(zhì)情況的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析認(rèn)為隧道洞口段大變形的原因包含地形、地質(zhì)及施工3方面因素。

(2) 為保證隧道施工期安全，現(xiàn)場(chǎng)采取對(duì)大變形段增設(shè)臨時(shí)橫撐[14]、環(huán)向臨時(shí)型鋼，洞碴回填壓實(shí)護(hù)腳，在偏壓側(cè)補(bǔ)打徑向注漿小導(dǎo)管加固圍巖等應(yīng)急措施控制變形發(fā)展。

(3) 為保證隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)侵限的初期支護(hù)進(jìn)行了換拱處理，保證二襯厚度；在洞口外設(shè)置17 m長(zhǎng)的明洞，利用明洞上方回填對(duì)洞口仰坡進(jìn)行反壓，促使洞口邊、仰坡穩(wěn)定。

(4) 監(jiān)控量測(cè)對(duì)于正確判斷隧道圍巖穩(wěn)定性發(fā)揮了重要的作用。通過(guò)對(duì)變形段的量測(cè)數(shù)據(jù)分析，表明在采取應(yīng)急措施后，隧道圍巖及山體的快速變形得到了有效控制[11]。

(5) 本次大變形處理雖達(dá)到預(yù)期的效果，但增加不少工程費(fèi)用。為降低工程造價(jià)及減少工期延誤[15]，根據(jù)本工程經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，建議在軟弱圍巖洞口偏壓段施工中注意如下事項(xiàng)：

1) 明洞及洞頂回填宜及早施作，隧道采用爆破開(kāi)挖時(shí)，宜在洞身掘進(jìn)適當(dāng)距離后施作明洞；非爆破開(kāi)挖時(shí)，宜先施作明洞，然后開(kāi)挖隧道;

2) 重視偏壓側(cè)注漿小導(dǎo)管的施工質(zhì)量；

3) 洞口段仰拱應(yīng)緊跟下臺(tái)階施作，及時(shí)閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系，二次襯砌盡早施作;

4) 盡量采用控制爆破，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)[16];

5) 施工過(guò)程中應(yīng)通過(guò)監(jiān)控量測(cè)掌握圍巖和支護(hù)的變形情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量，保證施工安全[1]。

[1] 孫洋,陳建平,余莉,等.淺埋偏壓隧道軟巖大變形及施工控制分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(05):169-176.

[2] 周運(yùn)祥.強(qiáng)風(fēng)化砂巖地區(qū)淺埋偏壓隧道病害分析及整治[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2015,58(04):79-83.

[3] 徐一鳴.淺埋偏壓隧道頂拱持續(xù)下沉控制技術(shù)[J].城市軌道交通研究,2013,16(07):92-94.

[4] 鄒正明.富溪連拱隧道出口變形傾倒體仰坡治理工程[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006 ,29(12):1556-1559.

[5] 鄧尚平,傅鶴林.板裂介質(zhì)圍巖中的隧道襯砌與圍巖相互作用機(jī)理[J].采礦技術(shù),2003 , 3(01):49-51.

[6] 段方情,張可能,胡新紅,李小林,馮興發(fā).某偏壓隧道洞口段施工出現(xiàn)的問(wèn)題及處理[J].西部探礦工程,2008, 20(05):150-152.

[7] 王偉,楊轉(zhuǎn)運(yùn),易麗云,劉會(huì).淺埋偏壓隧道口的軟弱圍巖綜合加固處治研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,29(05):697-700.

[8] 戴桂華,王木群.劉家院子隧道換拱方案設(shè)計(jì)研究[J].公路工程,2013, 38 (04):133-136.

[9] 王禹.復(fù)雜條件下不良地質(zhì)圍巖公路隧道開(kāi)挖施工[J].西北水電,2009(05):28-31.[10] 陳濤.澤溪坂1#隧道洞口邊坡溜塌及初期支護(hù)裂縫綜合處治對(duì)策[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2013(01):29-34.[11] 張興來(lái),鐘云健.公路隧道襯砌換拱技術(shù)探討[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,27(z1):910-916.

[12] 潘江元,杜鑫,李茂廷.隧道初期支護(hù)換拱工藝[J].公路,2012(12):221-223.

[13] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程:TB 10121-2007 [S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[14] 周嘉賓,張小旺,侯騰飛.淺埋偏壓隧道洞口段支護(hù)變形分析與控制[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2012,08(z1):1411-1417.

[15] 汪宏,蔣超.淺埋偏壓隧道洞口塌方數(shù)值分析與處治[J].巖土力學(xué),2009,30(11):3481-3485.

[16] 劉明生.磽磧電站壩區(qū)軟弱破碎圍巖隧洞開(kāi)挖施工[J].西北水電,2007(03):51-55.

Treatment Practice of Big Deformation at Biased-pressure Section of Mountain Tunnel Inlet

YOU Hongbo, HU Jianhua

(Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China)

With the big deformation at the biased-pressure section of the mountain tunnel inlet and in combination with the construction conditions at site and the geological survey, causes for the big deformation are analyzed and the treatment measures are proposed accordingly. The emergent treatment measures include installation of the temporary steel arch support, support foot backfilled with excavated debris; surrounding rock reinforced by grouting with small ducts, etc. The permanent treatment measures include replacement of the arch of the initial support, reinforcement increment of the final lining, provision of the exposed tunnel, etc. Rationality of the treatment measures are verified by the monitoring data during the construction practice. Finally, comments on the construction at the biased-pressure section of the tunnel inlet are provided according to the engineering experience and lessons.Key words: biased-pressure section at inlet; big deformation; cause analysis; treatment practice; monitoring

1006—2610(2016)06—0012—05

2016-07-18

尤鴻波(1985- )，男，福建省晉江市人，工程師，從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)與管理工作.

TU45;TV223.31

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.004