摘要：隧道洞口浅埋地段，围岩常以松散易蠕动的松软土层为主，自承能力较差，初期支护承担了大部分荷载，而偏压地形使得作用在支护结构的荷载呈不对称分布，容易导致初期支护变形加大或开裂。本文通过对洞口浅埋偏压段施工中出现的病害的成因进行分析，提出有效的病害处治措施和浅埋偏压段开挖施工方法。
关键词：浅埋偏压隧道；病害处治；开挖；施工技术
1工程背景
1.1工程概况
广东省广佛肇高速公路黎壁山隧道为分离式长隧道，右线长2493m，左线长2438m，采用双线四车道设置，建筑限界净宽11m、净高5m。隧道采用锚喷支护加模筑砼的复合式衬砌结构，支护参数采用工程类比法进行设计。
隧址区地层岩性为第四系坡残积粉质粘土、泥盆系桂头群砂岩、粉砂岩及其风化层，岩层走向北东～近东西，倾向SE或S。隧道所穿山体为低缓丘陵，地形起伏较大，进出口端均存在偏压现象。
1.2病害状况
隧道进口端左线ZK52+265～ZK52+333段原设计为Ⅴ级围岩，按S-Ⅴa衬砌支护，施工采用预留核心土台阶开挖工法。围岩主要为坡积粉质粘土、卵石土、全～强风化砂岩组成，其中全～强风化岩强度低，遇水易软化，且该段隧道为浅埋偏压段，埋深约12.3m，在ZK52+275～ZK52+295处地表有一条冲沟。
当隧道左洞上台阶开挖至ZK52+280.2，仰拱开挖至ZK52+267。由于5月入汛以来持续降雨，ZK52+270和ZK52+278断面已变形平稳的初期支护突然发生变形明显增大的情况，根据监控量测数据显示，断面拱顶下沉速度由1～3mm/d突变至5～10mm/d，累计沉降分别为12.4cm和11.2cm，并在ZK52+267～ZK52+280初期支护出现多条环向裂缝，缝宽1～10mm，拱顶局部渗水较严重，下台阶右侧拱腰位置出现一条纵向裂缝，缝宽5mm。
2病害成因分析及处理措施
2.1病害成因分析
导致初期支护产生大变形乃至开裂的原因是多方面的，可以从施工工法、地形地质条件、外界因素等几个方面来分析。
（1）隧道开挖后，周边围岩应力急剧增加并向内释放，由于岩质较软而产生较大的塑性变形。现场采用两台阶弧形导坑留核心土法开挖，在开挖下台阶时造成上台阶钢支撑悬空，围岩和初期支护变形自由度变大引起大变形。由于台阶较长，且未能及时施工仰拱，支护系统不能闭合成环，使得局部达到承载极限，并出现破坏性变形。
（2）隧道进口段地形起伏较大，存在偏压现象，根据地表断面检测数据，ZK52+267～ZK52+280.2段地表横坡坡度达15°，该段拱顶距地表距离仅12.3m，埋深较浅。隧道拱顶围岩属软质岩，覆盖层较薄，开挖后拱周形成较大的塑性变形区，围岩松动对初期支护产生较大的变形压力。
受地形偏压影响，洞身左侧拱腰有向外变形的趋势，右侧拱腰向洞内变形，深埋侧主动土压力较大，钢支撑有向浅埋侧移动的趋势。浅埋偏压形成的组合不利因素导致初期支护承受较大的应力，深埋侧拱腰喷射砼出现局部压裂情况。
（3）病害发生时正值雨季，强降雨导致地表水增加下渗，隧道上覆松散层孔隙水增多，拱顶围岩遇水进一步软化，岩体粘聚力和内摩擦角也随之降低，围岩自承能力下降。同时，围岩渗水特别是卵石土层蓄水后使得荷载迅速变大，初期支护承载能力达到了极限，而二次衬砌没有及时施作，围岩变形进一步加大，导致发生大变形甚至开裂。
2.2处治措施
为控制围岩变形继续增大，现场一方面加密了监控断面和增大量测频率，一方面采取补喷砼、增设临时仰拱和注浆锁脚小导管等措施来加强初期支护、稳固围岩。为了稳定初期支护，对裂缝出现位置补喷一层厚约3cm的砼，并对掌子面进行喷砼封闭处理。同时，采用I20a工字钢钢架在变形较大的ZK52+267～ZK52+280.2段上、下台阶处每两榀（1.2m）设置一道临时仰拱，分别与上台阶拱腰、下台阶拱脚处钢支撑连成整体，使之临时闭合成环。
为增强初期支护，在下台阶ZK52+267～ZK52+274.2段内外侧拱腰打设两排ϕ42×4mm注浆小导管（管长L=3.5m，间距0.6m），采用水泥-水玻璃双液注浆，水泥浆水灰比1：1，水泥浆与水玻璃体积比1：0.5，注浆压力控制在1.0MPa以内，持续注浆10min以上。
3洞内施工
浅埋偏压段开挖施工遵循“管超前、短进尺、少扰动、强支护、严注浆、早封闭、勤量测”的原则，大跨度隧道应采用分部开挖法。
3.1开挖方法选择
病害发生段围岩稳定后应采取进一步处治措施，首先是选择合理的开挖工法。浅埋隧道开挖工法一般有三台阶七步法、两台阶弧形导坑留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）和双侧壁导坑法。
由于隧道地质条件差，受偏压影响，综合考虑施工难度、工程造价、工期及与原开挖工法的衔接等因素后，现场决定采用三台阶七步开挖工法施工，并作适当微调。三台阶七步开挖法将断面划分为弧形拱部、核心土，左右侧台阶及仰拱等，其中间核心土面积较两台阶弧形导坑法所留核心土要大，更能发挥掌子面的空间效应。
三台阶七步开挖法施工步骤：
第1步，上部弧形导坑开挖：上部弧形导坑的开挖在拱部超前支护之后，只有待拱部超前支护完好以后，方可进行开挖，而且要预留核心土，长度宜为3～5m，宽度也应该控制在合理的范围内，如隧道宽度的1/3～1/2，对于开挖循环进尺应该要根据初期支护钢架间距确定，而且长度不得超过1．5m，开挖后立刻进行混凝土初喷，初喷厚度控制为3～5cm。上台阶开挖矢跨比应大于0．3，开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架节段连接处打上锁脚锚杆，确保连接牢固，可以采用焊接的方式进行固定，复喷混凝土至设计厚度。围岩较差可采用Φ42锁脚锚管加强支护。
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第2、3步，左、右侧中台阶开挖：对于左、右侧中台阶的开挖尺寸，最大不得超过1．5m，具体应该根据初期支护钢架的间距来确定，而且高度以3～3．5m为宜。对于左右侧台阶的开挖应该错开相应的距离，以2～3m为宜，开挖以后应该立刻初喷一定厚度的混凝土来稳定土层，以3～5cm为宜。同时要进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，并且要在一定的位置打上锁脚锚杆，而且要确保连接牢固，可以采用焊接的方式进行固定，复喷混凝土至设计厚度。
第4、5步，操作步骤与第2、3步完全相同。
第6步，上、中、下台阶预留核心土：各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。
第7步，隧底开挖：隧道底部的开挖应该确保对上部结构的影响很小，开挖后应该及时做好仰拱初期支护，并且每循环开挖长度宜为2～3m，在完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。
此法开挖的原理是在隧道纵断面上通过核心土留设、加强锁脚、二衬与仰拱紧跟等方式对围岩进行约束，抑制围岩变形，改善开挖范围支护结构与围岩变形受力和，提高支护体系与围岩的整体稳定性。此法最大的特点是通过分部支护结构和辅助措施最大限度地发挥软弱围岩自身有限的承载力；还有便是充分调动后方已闭合成环的初支及二衬的空间支撑作用，以此加强衬砌、围岩的时空效应。
此法与CD法、CＲD法相比虽然都是台阶法，相比之下三台阶七步法具有不设临时支撑，可采用大型开挖机具，开挖进度快，成本低还可以降低施工风险。因此选择三台阶七步法对洞口段进行开挖施工符合该隧道实际施工。
3.2开挖进尺及顺序
（1）隧道开挖进尺选择需考虑埋深、偏压角度、围岩等级、地形条件和工期等因素。进尺过小，会使工期延长，临时支护增加，施工成本加大；进尺过大，则使拱顶覆土不稳定，甚至塌方。在确保安全的前提下，考虑已安装钢支撑的接长问题，每循环开挖进尺选择为初期支护钢拱架间距0.6m，开挖前先进行超前支护，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行锚杆、钢筋网片、钢拱架及砼复喷施工。弧形拱部开挖高度宜为3～3.5m，宽度约为隧道开挖跨度的1/3，矢跨比应大于0.3。核心土长度宜为3～5m，断面面积超过开挖断面的50%。中、下台阶开挖高度宜为2.5～3m，台阶长度控制在2.5～3m，左、右侧台阶开挖应错开3～5m，避免扰动围岩过多。仰拱施工紧跟下台阶，一次开挖限2榀，与下台阶距离控制在10～15m。
（2）隧道开挖顺序对施工安全造成较大影响。研究表明，先开挖浅埋侧导坑时围岩变形和结构受力更加合理，先开挖浅埋侧隧道时围岩塑性范围和竖向位移更小。故选择优先开挖左洞隧道浅埋侧导坑，并与右洞开挖错开不少于2倍隧道跨径（约30m）距离。
3.3支护结构设计
根据量测分析，并结合类似工程处理经验，为保障该隧道浅埋偏压段围岩稳定和结构安全，控制围岩沉降和变形，决定采取加强超前支护和加固初期支护等措施。其中，预留变形量、中空注浆锚杆和超前支护用注浆小导管长度由原设计的12cm、3.5m和4.0m分别增加至18cm、4.0m和4.5m，超前小导管加密至每隔一榀布置一环。另外，钢筋网片由原设计的单层改为双层，锁脚锚杆由原设计的每榀8根Φ22药卷锚杆变更为每榀12根Φ42注浆小导管（管长3.5m），其他保持原设计不变。
3.4预防措施
根据岩层的特点，仅通过初期柔性支护无法使围岩变形达到收敛，必须将支护的重心放在二衬上，让二衬承担荷载，加强支护结构刚度和后期强度。因此，下一步施工将预留变形量由12cm加大至30cm，保证二衬厚度，并加大二衬中钢筋数量。另外，将二衬施作时间提前，控制围岩裂隙的发展，增加二衬承担的围岩压力比例。
在洞顶裂缝附近加密布设观测点，观测地表沉降；洞内加密监测断面，加强监测力度。
3.4其它措施
（1）现场在开挖后立即对掌子面喷射砼进行封闭，有效限制围岩过快变形和稳定掌子面，给后续作业提供了一个安全环境。
（2）采用加密超前注浆小导管和严控注浆质量的措施，对围岩进行预加固处理，提高围岩自承能力；同时，浆液扩散后还能封堵地表水下渗软化围岩，可以有效遏制塌方、冒顶等病害发生。
（3）病害发生段一般存在较丰富的地下或地表水，且围岩裂隙发育易渗流至衬砌结构，为避免隧道在营运期发生较大渗水，须做好防排水施工。在渗水较严重的初期支护面上开槽，埋设直径2cm的透水软管，将水引流至衬砌背后墙角外侧排水管。同时增加横向排水Φ30cm涵管，将初支面渗水通过环向管引排至纵向排水管，再通过预留的横向涵管进行分流。施工中注意各管之间的连接，采用三通连接土工布包裹。
（4）适当增加监控断面及量测频率，规定5～10m设一个断面，对大变形发生位置加密地表沉降测点（每断面设置11个测点），开挖后前1个月内每天量测2次，及时汇总分析监测数据，判断围岩变形趋势，为下一步施工提供依据。
4效果评价
实施处治方案后，隧道围岩变形得到了有效控制，监控量测数据表明，病害发生段注浆7d后的拱顶下沉速度在1mm/d左右，周边收敛速度降低至0.6mm/d。后续浅埋偏压段按照变更后的开挖方法组织施工，期间未出现大变形、开裂、渗水等病害。目前该隧道已全部完工，交工验收结果显示二次衬砌表面未发现结构性裂缝和无明显滴水、渗水现象，表明结构安全稳定，处治措施得当有效。
5结语
为保证山体坡面的稳定，隧道进出洞坚持“早进晚出”的原则。但受线路走向、地形地貌、工程地质等诸多因素的影响，在隧道洞口段往往存在浅埋、偏压、小净距及软弱围岩等不利地形地质条件。施工期间，如果处理不得当、不及时，极易引发大变形、塌方冒顶等病害，对施工人员及机械的安全造成威胁，还可能给运营期隧道结构带来安全隐患，故隧道浅埋偏压段施工病害处治是否得当直接影响后续施工能否顺利进行。本文提出的病害处治措施及开挖施工方法，对于洞口浅埋段施工具有一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M]．合肥：安徽教育出版社，2004．
[2]王立川．浅埋偏压隧道围岩压力与开挖进尺优化的极限分析方法[D]．中南大学，2011．
[3]《公路隧道施工技术规范》JTGF60-2009.交通运输部
论文作者:吕灿
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/10
标签：围岩论文; 隧道论文; 偏压论文; 台阶论文; 病害论文; 进尺论文; 初期论文; 《基层建设》2017年第15期论文;