尹曉輝

（四川路橋盛通建筑工程有限公司 四川成都 610000）

國道317線德格隧道沖溝淺埋碎石土段施工技術(shù)

尹曉輝

（四川路橋盛通建筑工程有限公司 四川成都 610000）

依托川藏公路工程新建德格隧道，分析隧道沖溝淺埋段碎石土圍巖特點，提出針對隧道塌方冒頂?shù)氖┕ぜ夹g(shù)，并進行現(xiàn)場監(jiān)控量測比較驗證了技術(shù)效果。研究表明：受沖溝淺埋段碎石土圍巖自身性狀決定、地下水影響，施工擾動以及支護失效容易形成隧道冒頂，提出的系統(tǒng)施工技術(shù)包括：變更施工工法和加強支護參數(shù)，提高施工進度，探水和防排水相結(jié)合，加固基底，掌子面和地表塌腔回填的處治措施，現(xiàn)場實施效果明顯。

隧道工程；沖溝淺埋段碎石土圍巖；冒頂；施工技術(shù)；監(jiān)控量測

1 引言

作為川藏經(jīng)濟走廊中“四路一隧”的重要工程，國道317線俄爾雅塘至崗?fù)卸喂犯臄U建工程德格隧道位于青藏高原。工程建設(shè)中出現(xiàn)的碎石土是一種多成因特殊土，在隧道進出口及淺埋和沖溝段最為常見。其成因主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積層碎石土、坡洪積塊碎石土。

沖溝淺埋段碎石土隧道由于多種原因使得隧道圍巖-支護結(jié)構(gòu)受力和變形情況復(fù)雜，引起的圍巖大變形、塌方冒頂對施工安全造成極大的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。為此，眾多學(xué)者對碎石土工程特性，穩(wěn)定性和影響機理、隧道塌方的原因，以及過沖溝施工及坍塌處治的技術(shù)進行了研究[1-6]。

本文依托川藏公路工程新建德格隧道，分析隧道沖溝淺埋段碎石土圍巖特點，提出防止隧道塌方冒頂?shù)氖┕ぜ夹g(shù)，并進行現(xiàn)場監(jiān)控量測比較驗證了技術(shù)效果。

2 工程概況

新建德格隧道進口設(shè)計高程3270.53米，按進口到出口方向進行施工，工程全長2970米，里程樁號為K399+375～K400+845，按二級公路單洞雙向兩車道設(shè)計，寬9.0米，高5.0米。

根據(jù)地勘、設(shè)計資料和現(xiàn)場開挖出露顯示：德格隧道碎石土圍巖鉆探厚30m，分布于沖溝淺埋段的洞身部位。隧道洞身段K399+520～K399+560段穿越?jīng)_溝（見圖1），溝谷位于K399+530位置。沖溝部位覆蓋層段為V級圍巖，主要為第四系的坡洪積塊碎石土及中風(fēng)化絹云石英片巖。

圖1 隧道過沖溝段示意圖

由于沖溝處洞內(nèi)地下水隨著開挖呈淋雨狀或涌流狀出露，洞外地表有常年流水，加之隧道埋深淺、成洞條件差，給施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。

圖2施工方法和支護結(jié)構(gòu)示意圖

3 沖溝淺埋段碎石土圍巖特性分析

3.1 碎石土特性

通過開挖和現(xiàn)場試驗可知：青藏地區(qū)沖洪積碎石土組成顆粒形狀和表面不規(guī)則且粗糙，密度較大，其組成物理力學(xué)特性隨地域、組成、母巖、土含水量, 飽和度等變化而變化。德格隧道塊碎石土為灰色，呈次棱～棱角狀，實質(zhì)成份多為灰?guī)r和砂巖。塊石粒徑6～10cm,含量約10%；碎石粒徑2～6 cm, 含量約40～50%；礫石多呈次圓狀，含量約10～20%，粒徑2～6 cm，所含礫粉質(zhì)粘土呈灰黃色，呈可塑～硬塑狀，開挖顯示碎石土層較濕潤。

3.2 施工擾動及支護失效

德格隧道設(shè)計采用三臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法，采用大管棚及雙層小導(dǎo)管進行超前支護（支護參數(shù)見表1）。結(jié)合三維數(shù)值計算結(jié)果分析，隧道開挖因碎石土土體自穩(wěn)能力差從而使圍巖產(chǎn)生較大的應(yīng)力釋放，一旦施工支護不及時或者支護強度不足支護結(jié)構(gòu)就會被破壞。隧道開挖后在重力和地面附加荷載作用下，大量松散碎石土圍巖應(yīng)力重新分布，對管棚形成具有斷續(xù)性和突發(fā)性的松動壓力，從而導(dǎo)致管棚不能實現(xiàn)“承載拱”作用。前期鉆爆施工影起的振動加劇了沖溝淺埋段碎石土圍巖松動，使在淺埋段原本松散堆積的碎石土更加松弛。

受地勘資料及對碎石土圍巖隧道的認識所限，設(shè)計之初采用的支護參數(shù)針對性不強，最終致使工程在修建的過程中多次出現(xiàn)大變形、塌方、支護結(jié)構(gòu)破壞災(zāi)害。工程2013年5月進洞，至2014年3月進尺不足170m。特別在掌子面掘進至K399+535處時，掌子面左側(cè)出現(xiàn)局部塌方，拱頂處出現(xiàn)長寬4.5m*4.5m、高4m塌腔，緊接其后塌腔上方持續(xù)出現(xiàn)塌方，從最先出現(xiàn)局部塌方開始到冒頂，掌子面被塌方體封閉短短6小時內(nèi)，塌方量約為660m3，災(zāi)害事故現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 施工現(xiàn)場災(zāi)害

4 隧道施工技術(shù)

針對沖溝淺埋段碎石土隧道冒頂原因，經(jīng)由業(yè)主、設(shè)計和施工單位以及專家多次討論后及時進行現(xiàn)場試驗，提出了以下關(guān)鍵施工技術(shù)措施：

4.1 變更施工工法，加強支護參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場大量監(jiān)控數(shù)據(jù)證明，建議碎石土圍巖預(yù)留變形量上調(diào)為25～30 cm。嚴(yán)格遵循“短進尺、弱爆破、強支護、勤量測”原則，合理安排施工，提高支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)施工進度。對隧道開挖引起的爆破振動進行現(xiàn)場監(jiān)控，減緩對碎石土體的影響。

圖4 掌子面注漿施工現(xiàn)場

碎石土圍巖的開挖加大了圍巖的應(yīng)力松弛區(qū)，因此，現(xiàn)場處治中參考規(guī)范[11]對推薦的施工工法和設(shè)計參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整（見表2）。 為保證支護結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和強度，先變更系統(tǒng)錨桿為Φ25 mm自進式中空注漿錨桿，間距變更為1.0 m ×0.5 m。洞內(nèi)打設(shè)32根φ108管棚，環(huán)向間距40 cm，管棚中插入鋼筋籠增強剛度，施工中先注純水泥漿，對注漿量超過單管應(yīng)注漿量10%的管進行二次注漿，從而解決大管棚穿越坍腔注漿不飽滿的問題。在K399+530-K399+545段共增設(shè)13榀護拱，采用I18工字鋼，并用φ22@0.5螺紋鋼筋作為縱向連接筋將原有初支工字鋼與護拱連接為整體，架設(shè)完畢后對套拱拱腳噴射混凝土30 cm進行加固。

表1 隧道支護體系參數(shù)變更前后明細表（單位：mm）

4.2 防排水措施和塌腔處理

做好地表防水處理。盡量將隧道過沖溝淺埋段碎石土的施工時間合理安排在非雨季進行。做好地表的防排水工作，對沖溝段地表，采用塑料布覆蓋或水泥砂漿抹面、挖地面排水溝等措施進行防水截水處理。

利用紅外探水設(shè)備對掘進前方以及隧道外圍空間內(nèi)有無含水層或含水構(gòu)造進行探測，以便找準(zhǔn)水量集聚點，進行有針對性的引排。對探明的積水區(qū)域，利用現(xiàn)場條件在水源補給側(cè)采取措施，增設(shè)大功率水泵等抽水設(shè)施，通過地表打孔抽水和掌子面疏導(dǎo)排水，切斷地下水向沖溝段碎石土中的排匯路徑。在二襯防水布后設(shè)置與中央排水溝相連通的波紋管對隧道外圍空間內(nèi)的積水進行排泄，在洞外沖溝段周圍5～8m范圍內(nèi)打豎向孔抽水。施工過程除加強監(jiān)控量測外，還要考慮在拱腳承載力較弱的部位加設(shè)鎖腳錨桿，在鋼拱架底部設(shè)置槽鋼墊塊，并對基底巖土體進行注漿加固。

圖5 現(xiàn)場塌腔回填

根據(jù)現(xiàn)場各方形成的處置方案，在塌腔上方地面設(shè)置安全警戒區(qū)，先對塌陷區(qū)施作排水通道，其后在地表利用泵送混凝土對坍塌體進行回填并分層振搗壓實。設(shè)緩沖層和隔水層，隔水層與塌腔四周良好搭接，并與地表防水統(tǒng)一。

值得注意的是，對塌腔的處理不得采用塌腔留空、表面覆蓋的方式進行，以免造成塌腔積水、留下周圍居民墜落傷亡的二次安全隱患。

5 現(xiàn)場監(jiān)控測試

為了對德格隧道施工技術(shù)效果進行分析，現(xiàn)場選取拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)進行分析。測試斷面選為K399+530斷面。

按圖6所示進行拱頂下沉、周邊收斂測點布置，現(xiàn)對圖6中字母代表意義作如下說明：B為隧道變形即拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測點，采用收斂計和水準(zhǔn)儀。

圖6 拱頂及周邊收斂量測布置現(xiàn)場布置示意圖

隧道同一斷面塌方及處治前后拱頂沉降、周邊位移最終收斂時程曲線如圖7、8所示。分析可知處治實施后的洞周變形值均在隧道預(yù)留變形量值30cm的控制范圍內(nèi)，而就隧道水平位移收斂值而言，隧道塌方冒頂處治之后的測量值要比塌方冒頂前測量值略小，就拱頂最終沉降值來說，隧道塌方冒頂處治之后的測量值要比塌方冒頂前測量值小得多。

結(jié)合圖7、8還可以看出，隧道拱頂監(jiān)測點在埋設(shè)25d內(nèi)測量得到的變形值變形速率都相對較大，直至30d后拱頂沉降才逐步趨于基本穩(wěn)定，說明處治方案的實施雖有效地抑制了洞周變形，但因沖溝淺埋碎石土圍巖自穩(wěn)性太差，導(dǎo)致監(jiān)測斷面洞周最終變形值依然相對偏大。

表2 洞周最終變形值

圖7 拱頂累計沉降以及沉降速率時程曲線圖

圖8 水平累計收斂位移以及速率時程曲線圖

6 結(jié)語

（1）沖溝淺埋段碎石土隧道圍巖-支護失穩(wěn)的主要成因是：碎石土圍巖性狀及力學(xué)特性決定、并其易受地下水影響，爆破對碎石土圍巖產(chǎn)生擾動以及支護失效。

（2）針對沖溝淺埋段碎石土隧道圍巖-支護失穩(wěn)的主要原因提出了變更施工工法，加強支護參數(shù)提高施工進度，探水和防排水相結(jié)合，掌子面處治和塌腔回填的處治措施。

（3）通過現(xiàn)場對塌方前和處治實施后的拱頂下沉、錨桿軸力、鋼拱架內(nèi)力、圍巖與初支接觸壓力實測數(shù)據(jù)分析表明：基于上述沖溝淺埋段碎石土隧道圍巖-支護失穩(wěn)的處治措施中，圍巖變形得到控制，支護具有足夠強度，其現(xiàn)場實施效果明顯。

References)

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O319.56

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1007-6344（2017）01-0020-02

尹曉輝 男（1983-）本科 工程師。主要從事高速公路修建，包括路基，路面，橋梁，涵洞，隧道等工作。