某强倾倒变形体内浅埋偏压洞口段的隧道变形分析及处治技术研究

吴学智，王 建，杨保全，曾天文

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130;2.中铁十局集团第二工程有限公司，河南 郑州 476008)

0 引言

伴随着我国西部水力资源的大开发和山区公路建设的快速发展，将有许多长大或特长隧道需要在西部崇山峻岭之间的峡谷岸坡中修建。在峡谷岸坡中进洞，常常不可避免地会出现隧道洞口浅埋偏压的问题［1］。一直以来，国内外工程界都很重视浅埋偏压隧道进口的设计及安全施工技术，并结合工程实例进行了大量的研究和总结，取得了一定的经验。这些文献主要介绍了偏压进洞前的加固方法及相应的施工技术和工法［2－6］;研究了覆盖层厚度及地面横坡对隧道力学影响［7］;研究了隧道穿越浅埋断层破碎带问题［8］;介绍了隧道拱顶下沉、地表开裂等变形处理技术［9－10］。这些文献的研究主要偏重于隧道进洞施工前对隧道洞口浅埋偏压问题的预加固处理措施和软弱围岩隧道变形前的预防技术，而本文研究的隧道洞口特殊性有:1)为实现“特定功能”要求，将隧道洞口位置选在浅埋偏压的强倾倒变形体内，且前期对隧道施工的风险预估不足，导致隧道过大变形而采取的一系列应急处理措施;2)隧道变形加固处理方法及隧道开挖施工方法有别于其他研究的处理方法。

1 工程概况

1.1 工程整体概况

本公路为雅砻江某大型水电站场内交通高、低连接线公路。受高线与低线主公路高差及展线的影响，隧道进口无法绕避浅埋偏压进洞的问题。隧道进口位于圆曲线段，隧道长2 345 m。隧道公路等级为电站场内交通三级公路，设计行车速度为20 km/h，隧道设计建筑限界为10 m×5 m，隧道开挖断面为125.3 m2。

1.2 水文地质

该隧道洞口段位于某背斜(2级褶皱)的南翼，所处地层为一单斜地层，地层层序正常，岩层总体产状N60～80°W/SW∠50～80°，隧道进口95 m洞身段为Ⅴ级围岩。其中，K0+435(洞门桩号)～+483段(48 m)为强倾倒变形、浅埋偏压段(Ⅴ2级)，K0+ 483～+530段(47 m)为中－强风化、强卸荷、浅埋偏压段(Ⅴ1级)。隧道洞口段围岩等级划分见图1。

图1 隧道进口地质纵断面图Fig.1 Longitudinal profile of geological conditions of entrance section of tunnel

隧道洞口上部自然斜坡坡度40°～50°，植被良好;洞口下部自然斜坡坡度60°～80°，其下部为雅砻江，属于高程2 800 m以上的青藏高原气候条件，见图2。

图2 隧道进口水文地质照片Fig.2 Picture of hydro-geological conditions of entrance section of tunnel

1.3 不良地质

本研究的隧道进口段存在严重的浅埋偏压问题，K0+445.00处隧道拱顶垂直埋深5.8 m，靠江侧拱腰部侧向埋深5.4 m;隧道拱部120°范围内和靠江侧边墙及其下部一定范围内为强倾倒变形体，见图3。

图3 K0+445(进洞10 m)断面图Fig.3 Cross-section of tunnel at K0+445

强倾倒变形岩体折断面走向与隧道轴线小角度(约8°)相交;强倾倒变形体折断面缓倾，与水平面夹角约29°。隧道内强倾倒变形岩体在K0+483处向隧道开挖轮廓线外的靠江侧移出，见图4。

图4 隧道掌子面(K0+483)倾倒变形岩体Fig.4 Rock mass with toppling deformation at tunnel face at K0+483

洞内正常岩体为粉砂质板岩夹薄层砂岩(T3lh1)，岩层产状N80°W/SW∠70°，板理及节理裂隙发育，岩体卸荷强烈。

1.4 洞口段隧道支护参数

隧道变形前K0+435～+460段按浅埋偏压条件设计，隧道初期支护及二次衬砌参数详见表1。

2 隧道变形情况及相关分析

2.1 第1次变形

2.1.1 第1次变形前的施工情况

隧道开挖充分利用岩土体的自稳能力。现场根据实际工程地质情况及设计参数采用了创新的三台阶八步法，根据设计钢架接头位置确定分层开挖台阶高度。上台阶采用环形预留核心土并放坡的开挖方式，中、下台阶采用分部放坡的开挖方式，见图5。隧道施工中采用了短进尺、强支护的方法，循环开挖进尺60 cm，开挖后及时进行初期支护。

隧道洞口在完成K0+442.5～+460(17.5 m)段上台阶和K0+442.5～+450(7.5 m)段靠江侧中台阶的开挖及支护工作后，K0+442.5～+460段洞内及洞口仰坡面出现了较明显的第1次开裂变形。

表1 隧道初期支护及二次衬砌参数表Table 1 Parameters of preliminary support and secondary lining

图5 三台阶八步开挖法示意图Fig.5 Sketch of three-bench eight-step excavation method

2.1.2 第1次变形情况及监测数据

洞内:K0+442.5～+455段隧道拱部120°范围内出现2条宽1～3 mm的主要环形裂缝，主裂缝周边存在多条从大里程靠山侧向小里程靠江侧的斜向拉裂缝，初期支护变形开裂，局部喷混凝土剥落，见图6。

洞外:隧道靠山侧倾倒变形折断面处对应的仰坡面出现与水平面约80°夹角的拉裂缝;隧道靠江侧右拱部开挖轮廓线外约2 m处的仰坡面出现2条顺坡向的不连续变形裂缝，见图7。

施工过程中，K0+445处隧道埋深最浅，设监测点时间最早，测量时间最长，根据后期变形情况可知，此点对洞口的变形表现最敏感，因此，本文主要介绍K0+445处的变形情况。第1次变形监测数据见表2。

图6 隧道第1次变形洞内照片Fig.6 Picture of tunnel inside after the first deformation incident

图7 隧道第1次变形洞外照片Fig.7 Picture of tunnel outside after the first deformation incident

表2 K0+445拱顶第1次变形情况统计表Table 2 Statistics of crown deformation at K0+445

2.1.3 第1次隧道变形原因分析

结合现场实际地质条件，隧道变形原因分析如下:

1)除隧道左边墙周边为强卸荷、中强风化、节理裂隙发育的砂板岩外，其余洞身全部位于倾倒变形后的强风化碎块石中，洞口段浅埋偏压问题严重。

2)虽然在洞口段上台阶采用了小断面、短进尺、强支护的施工方法，并利用超前小导管及大角度自进式中空注浆锚杆、钢架及喷混凝土等一系列措施，使初期支护和开挖轮廓线周边岩土体形成了相对有效的受力拱圈，但下台阶及中台阶自进式锚杆注浆量偏少，注浆没有达到对松散破碎岩土体的注浆加固效果，且钢架底部坐在虚碴上。

3)K0+442.5～+450段靠江侧中台阶开挖扰动了已施工的隧道拱部岩土体，打破了此处的受力平衡，施工活动使洞口的偏压问题更加突出。

2.1.4 采取的加固处理措施

根据变形原因及洞口条件，对变形段采取了相应的加固措施(加固后的隧道洞内情况见图8)。

图8 隧道第1次变形加固处理Fig.8 Consolidated tunnel after the first deformation incident

1)暂停掌子面施工，及时填碴反压K0+442.5～+ 450段隧道靠江侧拱腰部。

2)在K0+442.5～+450段隧道靠江侧上台阶与中台阶钢架接头部位每榀钢架设2根水平斜向下45°的注浆锁脚小导管(φ42×4 mm，L=4.5 m)，每根小导管注P·O 42.5水泥300 kg(此注浆量根据处理类似地质条件下的隧道塌方注浆试验成果及多处成功经验确定)。要求锁脚小导管尾端做成15 cm长的90°弯钩，使小导管端部与钢架内侧壁焊接连接牢固。

3)在K0+442.5～+460段隧道拱部120°范围内及靠江侧边墙按环、纵向1 m间距梅花形布设φ42×4 mm，L=2.0 m固结注浆小导管(每根小导管注P·O 42.5水泥200 kg)。

4)采用水泥浆封堵坡面裂缝，并做好洞内外监控量测及变形观察工作。

2.2 第2次变形

2.2.1 第2次变形前的施工情况

对第1次隧道变形的已开挖段加固并稳定后，继续进行靠江侧K0+450～+460段中台阶及K0+ 442.5～+450段下台阶的开挖和支护，并在K0+ 442.5～+450段中台阶与下台阶钢架接头处上下各50 cm位置按照钢架间距增设2排注浆锁脚小导管。

结合第1次变形前的施工方案，对后续施工方法规定如下:靠江侧中、下台阶每循环开挖进尺不超过60 cm;靠山侧中台阶循环开挖进尺100 cm;下台阶循环开挖进尺200 cm;开挖后及时支护。按照以上施工方案施工后，没有发现明显变形。具体情况见表3。

表3 K0+442.5～+460段施工情况Table 3 Statistics of construction of tunnel section from K0+ 442.5 to K0+460

2.2.2 第2次变形情况

在洞口K0+442.5～+447.5段仰拱一次开挖后，第1次变形加固的 K0+442.5～+460段洞内、外再次出现变形，整体表现为向靠江侧滑移的趋势，见图9。

图9 隧道第2次变形情况Fig.9 Tunnel after the second deformation incident

此次变形的主要表现为:

1)隧道靠山侧:K0+442.5～+450段起拱线部位喷混凝土开裂，局部剥落，边墙出现内挤变形，第1次变形裂缝再次张开。

2)隧道靠江侧:K0+442.5～+447.5段边墙出现环向裂缝，此处钢架底部出现下沉并内挤。

3)隧道拱部:再次出现洞内环向及斜向裂缝，裂缝宽度1～3 mm。

4)洞外仰坡面:隧道开挖轮廓线3 m外的仰坡面出现一条缓倾并向江侧倾斜的贯通性错动裂缝。

2.2.3 变形原因分析

经分析，第2次隧道变形的主要原因为:

1)隧道仰拱开挖过长(实际全幅一次开挖长度5 m)。

2)隧道仰拱地质条件差别较大(靠山侧为相对较好的岩石，靠江侧为松散碎块石)。仰拱开挖消除了靠山侧较好围岩的抗力，且使两侧边墙钢架底部悬空。

3)隧道仰拱没有钢架支护，仰拱与隧道拱墙之间没有形成有效的支护拱圈。

2.2.4 采取的加固处理措施及效果

第2次变形发生后，按照以下加固处理措施顺利地完成了洞内加固工作:

1)及时采用洞碴回填了已开挖的仰拱，同时回填反压K0+442.5～+447.5段隧道两侧边墙墙脚。

2)为尽快约束K0+442.5～+460段隧道变形，调整原80 cm二次衬砌的一半钢筋及15 cm混凝土先行施工(将现浇混凝土改为喷混凝土)，取消衬砌防水板。

3)采用水泥浆封堵坡面裂缝，并做好洞内外监控量测及变形观察工作。

3 变形段二次衬砌及仰拱处理

3.1 仰拱处理及施工方法

根据第2次变形的经验教训，在后续仰拱施工中采取了如下措施:在K0+442.5～+460段按照50 cm间距增设了仰拱钢架，重视仰拱钢架及边墙钢架之间的有效连接;仰拱施工采用短进尺强支护的施工措施，最大限度地减少了开挖扰动，使仰拱在最短的时间内封闭并受力。通过这些加固措施及施工步骤，后续仰拱施工中没有出现过大变形的问题。

3.2 二次衬砌处理措施

K0+442.5～+460段二次衬砌前，按取消防水板后的设计排水要求布设好洞内排水盲管，利用先期施工的箍筋布设内层钢筋，并在隧道衬砌接头处按要求设置膨胀型橡胶止水带，然后整体现浇完成剩余平均厚约56.9 cm的C25拱墙混凝土二次衬砌(第2次变形及加固侵限约23.1 cm)。

4 后期施工方案及监测情况

4.1 后期隧道支护参数

根据隧道洞口不良地质情况，对K0+460～+483段初期支护参数调整如下:

1)隧道拱部120°范围内及隧道靠江侧边墙内，系统支护采用φ42×4 mm，L=3.0 m固结注浆小导管，环向间距100 cm，纵向间距75 cm，梅花形布置。固结注浆小导管注浆量:注P·O 42.5水泥量250 kg/根。

2)每榀钢架设4根φ42×4 mm，L=4.5 m锁脚注浆小导管。锁脚注浆小导管布置于隧道两侧起拱线及墙脚位置，注浆量为靠山侧注P·O 42.5水泥量200 kg/根，靠江侧注P·O 42.5水泥量450 kg/根。

3)其余支护参数参照原偏压衬砌的支护参数。

4.2 后期隧道施工及监测情况

隧道洞口变形加固处理完成后，再进行后续浅埋偏压段的开挖及支护工作。在施工过程中按照要求作好洞内外变形加固处理段及后续施工段的变形监测工作，待隧道洞口变形基本稳定后及时施工洞口二次衬砌。后续隧道开挖支护施工方法见表4。

表4 后续开挖及支护方法Table 4 Construction methods for remaining sections of tunnel

在后续施工中，洞内地质条件及埋深条件有所改善，按照以上施工参数及施工方法施工后没有出现隧道大变形的问题。隧道竣工验收前，在洞口段K0+ 445，K0+455，K0+465断面衬砌内表面设隧道变形观测点，测量频次为1次/月，测量周期为2年。监测结果表明，洞口段无异常情况。

5 结论与体会

1)对待强倾倒变形体内复杂地质条件下严重浅埋偏压的洞口段，应事先平衡偏压后再进洞是最合理的。本隧道进洞前，应先采用地表注浆加固，在靠江侧施作挡土墙并回填，平衡偏压;再开挖支护边、仰坡，在隧道拱部及靠江侧增设大管棚等工程措施后进洞施工。

2)根据实际工程地质条件，选择洞内系统支护参数。对松散破碎围岩，需要应用拱效应理论，采用注浆小导管或自进式中空注浆锚杆作为系统支护，径向注浆加固开挖轮廓线外2～4 m厚的松散破碎岩土体，利用初期支护及加固后的岩土体形成连续的受力拱圈来承受加固圈外松散压力及松弛压力。

3)在隧道施工过程中，需在充分利用岩土体自承能力的条件下，选择合理的开挖施工方法，以确保施工安全，并节约临时支护措施费用。

4)在施工过程中做好变形量测及观察工作，应用监控量测预警隧道险情，同时为动态设计及险情处理提供重要的参考信息。当隧道变形速率位于5～10 mm/d时，需及时堆(填)碴反压，再采用小导管注浆加固围岩。堆(填)碴反压应根据实际需要确定反压部位及堆碴量，反压部位一般为隧道两侧底部及掌子面底部。

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