扁平偏压隧道浅埋段施工技术及可行性检验

刘旭东

（中铁一局集团有限公司，陕西西安 710054）

0 引言

浅埋隧道常因隧道周围应力分布不均匀，在隧道洞口段或者部分洞身段部位出现偏压的情况，这样便形成了浅埋偏压隧道。一般情况下，浅埋偏压隧道在地表以下一定深度范围内的围岩主要由强风化层和坡积层构成，其主要是Ⅴ级围岩或者是节理化十分严重的Ⅳ级围岩构成[1]。由于偏压隧道埋深浅、围岩差、荷载不平衡，在隧道开挖过程中经常会出现围岩变形超限、冒顶、底板鼓胀，而且因偏压效应引起的隧道衬砌受力不对称性，使得衬砌结构受力状态不平衡，严重情况下将导致初期支护乃至二次衬砌的开裂，降低了隧道结构的承载能力，且破坏了隧道的防排水系统，导致了渗漏乃至突水突泥情况的发生[2]。针对浅埋偏压隧道的施工技术，已有专家、学者和一线工程师根据实际情况从结构设计、掘进工艺、支护方法、加工工艺等多方面进行了研究和探讨，并提出了诸多行之有效的处理方法。铁道部第二勘察设计院根据二郎山隧道出口段围岩软弱、地形严重偏压，在隧道开挖过程中常发生坡体失稳，隧道衬砌开裂的特点，提出了压浆改善衬砌结构的受力状况从而保障隧道稳定的施工方法[3]。汪东明等人根据夹坑隧道右洞进口段围岩软弱，偏压段施工过程中明洞段塌方的情况，在浅埋段实施地表注浆加固以改善围岩力学性能；对支护结构进行纠偏调整，保证了隧道顺利通过了不良地质段[4]。李锐对松南隧道施工期间出现的病害进行深入分析以后，采用洞内自进式锚杆和洞外灌浆锚杆联合加固的方案，收到了预期效果[5]。韦寥英根据桓娅坝隧道洞口段偏压严重的特点，采用地表加固，超前小导管预支护和钢格栅网喷联合支护，确保隧道安全通过浅埋偏压段[6]。王立川、聂玉文等根据多年施工设计经验总结了浅埋偏压隧道的诸多设计要点，提出了“强支护、快闭合、勤监测”等设计要领[7-9]。

本文以福建平潭某隧道为例，提出了在围岩等级差、埋深浅、跨度大等严重不利条件下的扁平隧道纠偏、加固技术，并对其可行性和可靠性进行分析。该隧道位于平潭城西侧，属上下分离式小净距扁平隧道。隧道北线长868 m，南线长829 m。南北两线隧道进口局部段净距小于40 m，为小净距隧道，中间段净距大于40 m，为分离式隧道。南洞出口端Ⅴ级围岩长52 m，隧道洞顶以上10 m范围残积砂质粘土层，全风化花岗岩，洞身岩土体主要由全风化花岗岩至中风化花岗岩组成。

经测量，南线出口段偏压浅埋段坡度为1:2.75，偏压较为严重。根据设计方案，南线出口处V级围岩小净距段初期支护、永久支护钢拱架型号为I25，临时支护钢拱架型号为I16，采用双侧壁导坑法施工，将隧道断面分成左、右及中间三部分开挖，每侧壁导坑分为二层台阶开挖。各导坑上下台阶的纵向间距离不小于5 m，左右侧导坑同时施工，具体开挖顺序如图1所示。

其开挖顺序为：（1）开挖右侧导坑上台阶；（2）施工右侧导坑上台阶初期支护、临时支护、临时仰拱、锁脚锚杆；（3）开挖右侧导坑下台阶；（4）施工右侧导坑下台阶初期支护、临时支护、锁脚锚杆；（5）开挖左侧导坑上台阶；（6）施工左侧导坑上台阶初期支护、临时支护、锁脚锚杆；（7）开挖左侧导坑下台阶；（8）施工左侧导坑下台阶初期支护、临时支护、锁脚锚杆；（9）开挖中部导坑上台阶；（10）施工拱部第一层初期支护；（11）开挖中部导坑中台阶；（12）施工临时仰拱；（13）开挖中部导坑下台阶；（14）施工中部导坑下台阶第一层初期支护；（15）施工仰拱第二层初支、二衬及仰拱回填；（16）拆除临时支护及临时仰拱（一次拆除纵向长度不大于 1 m）；（17）施工拱墙部第二层初期支护；（18）铺设环向盲沟及防水板，整体浇注拱墙部二次衬砌。

图1 原设计施工方案工序图

如图2所示，隧道南线出口浅埋偏压段偏压严重，隧道开挖过程中发现，因开挖引起的地表沉降、拱顶下沉、拱脚下沉均较大，其中深埋侧导坑拱顶下沉、地表沉降均超过预警值。南线出口处于地形偏压地段，深埋侧导坑承受较大垂直土压力及水平压力。由于导坑的开挖形成的人为偏压，加剧了偏压的形成，进而对结构产生不利影响，初期支护及地表形成裂缝。洞内沿着初期支护中部、临时支护中部（钢架节点位置）形成纵向裂缝，裂缝宽度1～2 mm，长度10～12 m；地表裂缝宽度1.5～2 cm，深度4 m，在未开挖这段时间内，收敛及变形稳定，裂缝不扩展。考虑到中导坑开挖及下部开挖均可能使变形加大，因此采取了偏压处理方案，待偏压处理后才能进行隧道开挖。

图2 隧道南线出口实景

1 偏压隧道衬砌受力特征分析

采用公路隧道设计规范(JTG D70-2004)中提供的偏压隧道压力计算方法[10]，如图3所示。

图3 偏压隧道衬砌受力计算模型图

偏压隧道垂直压力的解析计算公式为：

式中：h、h'——内外侧拱顶水平面到地面的距离，m；

B——隧道跨度；

γ——围岩重度；

θ——顶班土柱量测摩擦角，（°）；

λ、λ′——内外侧的侧压力系数，由公式（2）、（3）计算。

式（2）～式（5）中：

α——山体坡度角，(°)；

φc——围岩摩擦角，(°)；

β、β′——内外侧产生最大推力时的破裂角。

由（1）可得，隧道内、外侧的垂直压力分别为：

隧道左右两侧的垂直压差为：

偏压隧道水平侧压力的解析计算公式为：

隧道左右两侧的水平压差为：

由式（10）、式（11）可见，水平和垂直偏压力与两侧围岩高差、山体坡度、岩体计算摩擦角密切相关，在隧道两侧地表高差较大的情况下，隧道支护将受到水平和垂直两个方向上的压差作用。要减小压差带来的影响，有3个渠道，其一为隧道外侧进行回填或者内侧挖方以平压；其二为加固山体，提高围岩自稳和抗变形能力；其三为加强隧道支护强度，提升隧道支护本身抵抗偏压作用的能力。

2 偏压段联合处置方案

施工过程中发现南线出口段出现地表裂缝，隧道结构初支混凝土表面出现裂缝，且裂缝有逐步扩大的趋势，因此立即停工并研究裂缝产生的原因及处理措施。通过对南线出口横断面进行复测后发现偏压严重是导致裂缝产生的主要原因，如继续进行中导坑开挖及下部开挖，可能使隧道结构变形加大和裂缝持续扩展甚至引起隧道垮塌。采取以下措施进行偏压纠正：

（1）在开挖前对沿线山体一侧的岩体进行加固，采用间距1.0m×1.0m梅花型布置的Φ108mm微型钢管桩，并内插φ22钢筋笼进行加固，一排共设置4根，为了使其成为整体，在管桩顶部设置混凝土冠梁。通过微型钢管桩施工，实现了对内侧岩体的加固，减少了偏压偏载，由钢管桩提供侧压抗力保证施工安全，管桩具体布置如图4、图5所示。

图4 钢管混凝土加固结构剖面图（单位：mm）

图5 钢管混凝土平面布置图（单位：m）

（2）采用反压回填，以提高外侧围岩的承载平衡能力。挖除表层的种植土、坡积亚粘土及坡积碎石，全段挡墙基坑开挖后夯实，再进行基础砌筑。右侧边墙设置里程为SK5+090～SK5+080段,在SK5+090处为4.03 m，其余段落可根据现场地形调整。

（3）优化开挖工法，该段处于Ⅴ级围岩浅埋偏压段，采用双侧壁导坑法，根据现场工况，由于施工方原因，双侧壁导坑的左右导坑上台阶已经超前50 m，为保证导坑的及时封闭，先开挖各导坑下台阶，及时封闭成环，导坑错开距离，按照开挖一侧导坑引起围岩应力重分布的影响不至于波及另一侧已成导坑的稳定为原则予以确定，错开30 m距离，待两侧的上下导坑开挖完成后，再开挖中间的导坑。

（4）监控量测：为实施监控隧道围岩变化情况，加强南线出口浅埋偏压段的监测，地表沉降由原设计2个断面，加密为4个断面；洞内加密为每5 m设1个监测断面。同时进行专项监控量测，对初支钢支撑应力、围岩压力及层间支护压力进行监测，通过监测数据与支护结构强度、刚度进行相互印证，并根据监测结果及时采取加固措施或调整开挖方案。

3 实测结果分析

采取山体加固和调整施工方案进行削减偏压处理后，继续进行开挖施工，并对地表、拱顶、拱脚等部位进行沉降监测，对隧道结构进行收敛监测。在监测过程中，与偏压处理前的检测结果进行对比分析，一方面是为了检验减偏措施的实际效果，另一方面是随时掌握结构变形动态，一旦变形超出预警范围，即考虑采取新的处理措施。

地表监测点布置在南线出口的洞顶，共布置2条测线，各6个测点。现采用第一条测线作为分析对象，测定名称和位置如图6所示。通过监测，共记录了纠偏施工前后各8个连续监测日的沉降数据。

图6 地表监测点布置图

隧道结构变形监测中，共有4个断面进行了纠偏前后的连续监测。如图7所示，各断面拱顶沉降点有2个，左右导洞顶部各1个；拱脚沉降点共4个，2个导洞左、右拱脚处各1个；收敛监测点共10个，分别布置在初支表面和临时支撑柱上。通过监测得到了每个点纠偏施工前后各8个或者5个连续监测日的累积变形数据。

图7 隧道内监测点布置示意图

图8为南线出口隧道顶部地表加固前后各8个连续监测日的累积沉降值对比曲线。从图8可以看出施工引起的地表沉降已基本到位，加固后沉降值保持平稳态势，在最大沉降值附近小幅度波动，未发生进一步明显增大现象。

图8 加固前后地表沉降对比曲线图

图9～图12为加固前后左右导坑的4个拱脚监测点的累积沉降曲线。从图9～图12可以看出，受偏压作用的影响，拱脚受力复杂，沉降值波动较大，特别是GJ6-2测点沉降的趋势较为明显。经加固纠偏处理后，沉降得到了明显控制或者改善，曲线基本保持直线水平，在最大值附近小幅度波动，部分点在偏压减除后发生了回弹，表明了拱脚处由偏压带来的影响得到了明显削弱。

图9 SK 5+060监测断面拱脚沉降曲线对比图

图10 SK 5+070监测断面拱脚沉降曲线对比图

图11 SK 5+080监测断面拱脚沉降曲线对比图

图12 SK 5+090监测断面拱脚沉降曲线对比图

图13～图15为加固前后左右导坑的2个拱顶监测点的累积沉降曲线。从图13～图15可以看出，受偏压作用的影响，拱顶受力复杂，部分监测点沉降值波动较大。经加固纠偏处理后，沉降得到了明显控制或者改善，曲线基本保持直线水平，在最大值附近小幅度波动，部分点在偏压减除后发生了回弹，如GD6-2和GD9-2，表明了拱顶处由偏压带来的影响得到了明显削弱。

图13 SK 5+060监测断面拱顶沉降曲线对比图

图14 SK 5+070监测断面拱顶沉降曲线对比图

图15 SK 5+090监测断面拱顶沉降曲线对比图

图16～图19为加固前后左右侧的收敛曲线。从图16～图19可以看出，经加固纠偏处理后，收敛曲线基本保持直线水平，在平均值附近小幅度波动，大部分收敛值在偏压减除后逐渐减小，如SL6-2和SL7-1等，表明了由偏压带来的结构面收敛变形得到了明显削弱。

图16 SK 5+060监测断面收敛曲线对比图

图17 SK 5+070监测断面收敛曲线对比图

图18 SK 5+080监测断面收敛曲线对比图

图19 SK 5+090监测断面收敛曲线对比图

对地表和隧道内的所有监测结果发现，加固纠偏后，部分点变形进一步增大，部分点保持不变，其它点变形减小，也就是发生了回弹。对这些点进行了分析统计，结果如表1所列，加固后变形增大点共7个，占总共40个点的17.5%；变形基本保持不变（10%）的点共18个，占总监测点的45%；变形减小的点共15个，占总监测点的37.5%；即变形得到有效控制的点占总点数的82.5%，充分说明了加固纠偏方案是有效的。

表1 加固纠偏前后监测值统计表

4 结论

本文以福建平潭牛寨山隧道为例，研究了偏压浅埋扁平隧道的受力机理，提出了施工的不利条件。针对偏压引起的地表开裂、洞壁变形破坏等不良现象，提出了超浅埋段进行山体加工并优化施工工序以纠正偏压。为了验证方案的可行性，根据结构沉降和变形监测结果进行了检验，得到了以下成果或者结论：

（1）浅埋扁平隧道受偏压影响明显，压差超限后会导致隧道表面结构严重变形甚至破坏；地表发生不均匀沉降，引起开裂等现象。

（2）在浅埋段进行山体加固能够有效地减轻山体内侧压力，使得作用在隧道结构上的压差减小，保证其结构稳定并安全通过浅埋段。

（3）通过调整和优化施工工序，先开挖靠山体内侧导洞，释放部分高压，再开挖外侧导洞，减小了最终作用在隧道上的压差，保证了隧道受力均衡。

（4）地表沉降和隧道结构变形监测结果表明，采用文中所提出的加固和纠偏措施后，变形得到了有效的控制，开裂等破坏现象再未发生。

综上所述，本文结合工程实例提出的偏压条件下，扁平隧道穿越浅埋段的加固和优化方法是可靠的，能够有效地减小偏压，增强隧道抵抗偏压地形影响的能力，保证隧道顺利通过浅埋段。

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