浅埋偏压隧道大变形洞内外加固技术

唐海东,张志博,孔德蓓,杨理,吴尧

【摘要】本文结合某高速公路浅埋偏压隧道工程实例，在隧道地质报告及监控量测的基础上，从地质条件、隧道埋深、隧道偏压、施工因素四个方面对隧道大变形的机理进行了分析，分别从应急处置及中期处置两个阶段对洞内外加固提出了具体措施，最终隧道拱顶下沉、周边收敛及地表开裂现象得到了有效地控制，同时可为后续类似工程提供参考。

关键词：浅埋偏压  大变形  监控量测  加固措施

0 引言

隧道及其他地下工程在穿越软弱破碎围岩，尤其是隧道进出口浅埋偏压地段时，围岩大变形是一种常见且危害性极大的施工地质灾害，往往对施工安全及工期造成极大的影响。

目前，针对隧道围岩大变形的问题，国内外专家进行了大量的研究。例如：大干溪1号隧道采用地表注浆加超前小导管来控制浅埋软弱围岩大变形[1]；龙溪隧道采用加强支护刚度、型钢钢架代替格栅钢架、缩小钢架间距来控制高地应力围岩大变形[2]；共和隧道采用加密锚杆、加大支护刚度、注浆加固等方式来控制埋深较大、裂隙发育的软质围岩大变形[3]；奥地利Tanern隧道采用TH21钢架及加长锚杆来控制千枚岩的大变形[4]。

某高速公路隧道为浅埋偏压隧道，进洞后不久便出现围岩大变形，导致地表开裂，部分初期支护侵限严重，不得不进行初支换拱，严重影响了施工安全并耽误了工期。本文将通过该隧道实例，提出有效的控制措施，为后续类似项目提供参考依据。

1 工程概况

本隧道隧址区属构造剥蚀中山地貌，隧道进口位于滑坡体上，且存在偏压情况，洞顶埋深约18.5m～73.2m。围岩为中风化泥岩、页岩、泥质粉砂岩，围岩岩体裂隙发育，岩体较破碎，完整性差，层间结合差，属极不稳定围岩。

2 变形情况及机理分析

2.1 隧道大变形情况

2021年3月30日，隧道进口左洞开挖至ZK51+333，在对掌子面出渣后进行排险作业时，发现ZK51+328处钢架挤出变形，临近段初期支护喷砼掉块，作业人员随即撤离掌子面，暂停施工。根据监控量测反馈，ZK51+328断面单日拱顶下沉90.7mm，周边收敛92.6mm，严重超过预警值，其临近段近期监控量测无异常，日均变形速率在5mm以下，本次隧道大变形属于突变。监控量测测点布置图，该断面拱顶下沉及周边收敛累计位移-时间关系图如下。

图1  隧道监控量测测点布置图      图2ZK51+328拱顶下沉累计位移-时间关系图

图3ZK51+328周边收敛累计位移-时间关系图

次日对隧道地表和洞内进行踏勘，发现掌子面掉块严重，岩体破碎，且在拱顶形成楔形体空腔。ZK51+328初支拱腰附近出现多处环向裂缝，ZK51+290～340段地表（埋深27～33m）出现多处裂缝，裂缝长度2～4m，宽度2～3cm，裂缝延伸方向与岩层走向基本一致，如图4、5所示。

   

图4  初支混凝土开裂                 图5  地面裂缝

2.2 地质条件影响

本段隧道围岩为中风化泥岩、页岩、泥质粉砂岩，岩体裂隙发育，岩体较破碎，完整性差，层间结合差，属极不稳定围岩。中风化泥岩矿物成分以黏土矿物为主，岩质较软，具有遇水易崩解、软化，失水开裂的特点。围岩在地下水的作用下软化，围岩自稳能力下降，造成隧道大变形。

2.3 隧道埋深影响

本段隧道埋深为27～33m，属于浅埋隧道，顶部的覆土薄，在隧道开挖施工过程中，对上层土体的平衡状态扰动大，且上层土层形成时间较短，大多是松散、半固结状态，开挖后围岩稳定性差。通过对隧道的长期监测发现，浅埋隧道相较于深埋隧道变形速率快、变形量大、周边收敛难以稳定，本隧道的监控数据特征与分析相符。

2.4 隧道偏压影响

隧道进口段存在偏压现象，隧道开挖过程中，围岩压力逐渐释放，在偏压的不良影响下，深埋侧山体产生向浅埋侧的推力，从而挤压浅埋侧山体，导致出现地表开裂现象。同时，隧道左侧为一条冲沟，地形凹陷，左洞左侧洞壁较薄，在水体侵蚀下更加剧了地表开裂。

2.5 施工因素

隧道开挖卸荷，初期支护未及时施作，初支钢架未封闭成环，围岩压力不断释放，拱顶下沉及周边收敛加剧，导致隧道出现大变形。

3 洞内外加固措施

3.1 应急处置

（1）封闭掌子面

为了抑制隧道围岩的压力不断释放，暂停掌子面施工，采用C20喷砼封闭掌子面，洞渣反压回填，同时尽快施作仰拱及二衬，进一步缩短隧道安全步距。同时，由于掌子面未及时支护，掌子面掉块、坍塌形成楔形体，采用C20喷砼进行封闭。

（2）加强拱脚稳定性

反压完成待沉降趋于稳定后，在确保作业人员安全的前提下，ZK51+318～ZK51+333段上台阶初支钢架两侧增加两排6m长φ108钢管作为锁脚锚杆，φ108钢管灌注纯水泥浆，每延米注浆量0.1m³，环向间距1.5m，施工顺序由洞口段向掌子面推进。

（3）提高拱顶围岩完整性

为防止开挖下台阶沉降过大，初支侵限，ZK51+318～ZK51+333上台阶进行径向注浆加固。径向加固采用4.5m长φ42注浆小导管，纵向间距为1m，整体呈梅花型布置，注浆材料采用纯水泥浆，水灰比为1.0，注浆压力控制在0.5～1.0Mpa。

3.2 中期处置

（1）洞外加固措施

坡面裂缝采用黏土拌水封堵，裂缝处铺设隔水布遮盖，防止雨水下渗。ZK51+272左侧冲沟坡脚处，埋设直径1.5m钢筋混凝土圆管涵后弃渣反压回填。

（2）洞内加固措施

1）塌腔处置措施

塌腔处采用6m+4.5m长短结合的φ42小导管进行超前支护，4.5m小导管外插角为10～20°，6m小导管外插角为30～45°。待塌腔段拱部初支完成，喷砼、钢筋网及钢拱架形成支撑壳体，埋设两根φ108钢管及φ100HDPE双壁打孔波纹管，两根钢管一根用于排气，一根用于泵送混凝土和吹砂，波纹管防止地下水在塌腔处汇集。Φ108钢管长度3～5m，顶端距塌腔顶50cm为宜，拱顶空腔回填2mC20混凝土，二衬施工完毕后剩余空腔吹砂回填。

2）增大预留变形量

原设计的预留变形量为15cm，不满足施工实际需求，现根据监控量测数据，将预留变形量调整为30cm，防止隧道大变形产生。

3）加强施工控制

现场严格按照环形开挖预留核心土法进行施工，预留核心土面积不小于断面面积的50%，台阶长度控制在3～5m，初支封闭位置距离掌子面不大于15m。暂停右洞掌子面掘进，右洞掌子面落后左洞二衬不小于20m。同时，加快左洞初支封闭成环，下台阶开挖加强控制爆破，开挖进尺不超过2榀钢架间距，仰拱二衬及时跟进。

3.3 处置效果

采用上述措施后，监控量测数据显示，隧道拱顶下沉及周边收敛逐渐趋于稳定，拱顶下沉量小于5mm/d，周边收敛量小于2mm/d，处置措施切实有效。

4 结论

本文通过对隧道大变形产生的机理进行分析，分别从应急及中期处置两个阶段采取洞内外加固措施，实现了浅埋偏压隧道大变形控制，希望能为类似项目提供一些参考。

参考文献

[1]姚欣鹏.大干溪1号隧道软弱围岩大变形机理及其处治技术研究.硕士学位论文.长沙理工大学，2015

[2]王希宝.都汶公路龙溪隧道围岩大变形机制及防治研究.硕士学位论文.成都理工大学，2008

[3]陈玉.共和隧道围岩大变形机制及防治措施研究.硕士学位论文.重庆大学，2008

[4]徐林生，李永林，程崇国.公路隧道围岩变形破裂类型与等级的判断[J].重庆交通学院学报，2002，21（2）：16-20

邮寄地址：唐海东  18780950244   四川省凉山州会理市老街乡水街兰厂村活动中心对面