BSL隧道施工变形开裂的成因及处理

张远荣，朱宏光

(1.中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，深圳 518034;2.铁科院(北京)工程咨询有限公司，北京 100081)

1 工程概况

BSL隧道是深圳市福龙快速路一关健工程项目，隧道为双向六车道，左右洞总长680 m，开挖跨度16.95 m，高11 m;右洞局部为四车道，开挖跨度20.75 m，高12.2 m，隧道内轮廓设计为三心拱形。

隧道所穿越地段的地形起伏变化较大，有冲沟、缓坡、陡坎，山坡植被发育，并随处可见裸露地表的花岗岩微风化球体，见图1。隧道围岩主要为燕山期花岗岩侵入体，岩层为巨厚层状结构。隧道基本上处于全～强风化的花岗岩体或第四系坡积、残积土中。受构造影响，围岩节理发育，岩体成为大块状砌体结构或碎块状压碎和镶嵌结构。全～强风化的花岗岩容易碎成粗颗粒的砂质土，可塑性差。地下水受大气降水直接补给时，可通过围岩颗粒间孔隙和围岩裂隙，形成渗水排出。

图1 BSL隧道洞口地貌

2 偏压引起的左线ZK3+965—ZK3+983隧道变形开裂的处理

2.1 偏压的形成

隧道左线出口段是2006年7月份从南向北开挖的。采用φ108大管棚注浆加固拱顶，初支采用锚杆加格栅，间距50 cm×50 cm网喷混凝土厚35 cm。用上下台阶、留核心土法施工。隧道口地表按设计要求施作了仰坡(采用C20混凝土)，进行了挂网喷浆的施工防护。

由于隧道左线出口段地表高程比右线低10～15 m，地表偏压严重。隧道左侧结构面距离山坡临空面也不到10 m，有三块巨大的孤石，卧压在隧道的左上方，孤石裸露在外，挤在一起，最小的孤石有30 m3，最大的约100 m3。在大孤石的下面，由于雨水的长期冲刷，形成了一个大空洞，洞体约180 m3。空洞底为风化后的砂质土，洞壁距离隧道结构仅有1.2 m。覆盖层为全～强风化的地层，暴雨季节，渗入水使围岩松散，自稳性差，危及隧道安全。

2.2 第一次对隧道左线偏压的处理

2006年8月18日夜里突降暴雨，由于偏压影响，隧道右上方仰坡大面积开裂，土体下滑，向左倾斜，严重危及隧道的施工安全。因此进行了第一次处理。

1)根据滑坡范围和现场地形，对隧道口以上的仰坡立即进行削坡减压，见图2。

①划分施工台阶，用挖掘机剥土。由于仰坡较高，分为三级，每级台阶高8 m，碎落台宽度1.5 m，仰坡斜率:一级 1∶0.6，二级 1∶0.7，三级 1∶0.8。

②仰坡防护结构:采用φ22砂浆锚杆，L=3 m，间距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，挂 φ8钢筋网，@200 mm×200 mm，喷C20混凝土10 cm厚。

图2 左线隧道出洞口偏压处理(单位:高程为m)

2)孤石下面的空洞处理，采用 C15的混凝土回填，共 175 m3。

经过7 d的剥土施工，共挖土9 700 m3，再加上对隧道左侧空洞的回填处理，一定程度上减轻了对隧道的偏压力。

2.3 隧道左线偏压第二次处理

1)偏压状况:隧道左线右上方的仰坡经过2006年8月份的削坡减压处理，虽然一定程度上减轻了对隧道的偏压，但由于隧道右侧的覆盖层厚度仍然远比左侧大，特别是隧道上面的冲沟周围的汇水，对隧道覆盖土的渗透浸泡，使围岩完全失去自稳能力。2006年12月6日当掌子面由南向北开挖到ZK3+983时，靠近洞口6 m处出现环向裂缝，宽度迅速从3 mm扩大至5 mm，地面仰坡又出现多条8～10 m长的裂缝，宽度0.5～20.0 mm不等，仰坡竖向裂缝向洞口左侧不断发展。

经测量监测发现，隧道下沉速率为20 mm/d，拱顶累计下沉达60 mm。向左横向位移最大处达58 mm，又一次出现了严重险情，必须采取措施进行处理。

2)处理偏压措施:左线隧道偏压的第二次处理，实际上是第一次处理偏压的延续。处理顺序是先对洞外“卸载减压”，再加固洞内。

①使用挖掘机剥离仰坡，将右侧第三级仰坡向后推移6.5 m，碎落台宽度由原来的1.5 m加宽至8m。由于推移后的仰坡高度达11.28 m，在中间增加第四台阶，碎落台宽1.5 m，三、四级仰坡坡度均为1∶0.8。总共剥离土方4 600 m3。

②将仰坡所挖除的土方填至隧道左侧低洼处，填土高度至第二台阶顶，边坡坡率为1∶0.7，采用三维土网垫植草防护，共填土3 400 m3。

③仰坡防护加固形式为网喷C20混凝土，厚度50 mm。

④在仰坡的上方，修建了防洪天沟。

⑤ZK3+970—ZK3+980段原初支内侧增设 I18工字钢护拱，间距100 cm，喷射C20混凝土，厚度21 cm，并设中间型钢立柱。

⑥加快隧道下台阶施工，尽快进行仰拱施工，达到早封闭的目的。

2.4 处理隧道偏压的效果

左线隧道经过地表减压，洞内支护加固处理，两侧变形迅速收敛，经过25～35 d，拱顶沉降也趋近于0(见图3)，隧道已停止变形开裂，已于2007年3月开始二次衬砌。

图3 ZK3+971初支后隧道拱顶下沉与隧道内侧收敛变化曲线

3 隧道右线进口四车道 YK3+955—YK3+985变形开裂的处理

3.1 变形开裂状况

隧道右线进洞口段，四车道长 25 m，开挖跨度21.15 m，开挖高度13.26 m。采用 φ108大管棚保护下的上下台阶法开挖，初期支护采用钢格栅，间距50 cm，φ25中空注浆锚杆，网喷混凝土，喷层厚度35 cm。2006年8月14日，当开挖初支已完成30 m，进入到三车道过渡段时，隧道进洞口段发生了变形开裂。

1)YK3+960—YK3+980段拱顶出现了多条弯拉裂缝，纵向裂缝宽度5～10 mm，环向裂缝共3条，宽度10～15 mm。

2)钢格栅变形严重，拱部中间被反向压弯，拱架连接处出现扭曲，拱脚成八字形，见图4。

图4 隧道左侧拱架出现的压扭现象

3)监测数据表明，隧道沉降最大为170 mm，已向洞口纵向位移近100 mm。

3.2 原因分析

1)隧道跨度大，结构扁平，承受垂直压力能力差。

2)地质上该地段覆盖层为全～强风化的砂质土和第四系的坡积层，结构松散，自稳性差。

3)天气连降暴雨，渗水使围岩含水饱和，自重增大，加上所含孤石的重力作用，致使该地段处于相当危险状态。

3.3 处理措施

1)暂停掌子面开挖。为防止拱顶继续下沉，沿隧道纵向中间部位增设3排临时支撑。临时支撑采用φ108钢管，按纵环间距1.0 m×1.5 m布置，支撑的顶底加横档，见图5。

2)由于施工时洞口段曾经预留了40 cm的沉降空间，虽然已下沉了约10 cm，还有20～30 cm的预留空间，因此利用预留空间对 YK3+955—YK3+985洞口段的原有初支又增设了Ⅰ18型钢支撑(间距0.5 m)，采用单层φ8钢筋网@150 mm×150 mm，喷 C25钢纤维混凝土，厚21 cm，进行全断面加固，见图6。

3)对环、纵向产生裂缝部位，于拱部设置径向φ50中空注浆锚杆，L=6.0 m，环纵间距1.5 m×1.5 m;拱脚采用 φ32中空注浆锁脚锚杆，L=4.0 m，环纵间距1.0 m×1.5 m，见图6。作为永久的支护结构注浆锚杆，限制、约束了围岩变形，注入的水泥浆渗入到全风化花岗岩颗粒的孔隙间，对隧道围岩起到了整体的“串挂固结”作用，增强了围岩的稳固性。

4)在开挖下台阶边墙及设置拱架时，必须把锁脚锚杆与拱架焊接牢固，以防下沉。

5)从洞口开始割除临时钢管支撑，尽快完成仰拱的施工，早日封闭。

3.4 监控量测

为了掌握隧道的加固效果，在四车道断面内共布置了3条收敛量测水平测线和4组共9个拱顶沉降观测点。利用洞外水准基点使用N3水准仪，按二等水准测量精度进行联测，拱顶沉降点按三等变形测量的技术要求进行作业。观测前进行了仪器i角检查，i角的允许误差在±15″之内。洞内周边收敛使用SL-2型便携式钢尺收敛计进行量测，并加以温度改正。

观测频率在初支完成的前5 d每天定时观测一次，以后隔3 d观测一次，再以后每隔10 d观测一次，直至隧道变形进入基本稳定阶段，即拱顶沉降和周边收敛速率皆小于0.2 mm/d时，才开始二次衬砌。从观测资料来看，初支加固后大约一星期，周边收敛变形基本稳定;而拱顶下沉需要25～35 d才能完全停止沉降，见表1。

3.5 处理效果

加固处理并经一定的时间观测，可以看出以下显著效果:

1)变形开裂已得到控制，初支表面未出现任何裂缝、变形。

2)地表与洞内沉降和收敛值逐渐趋向0值。

3)采用钢筋格栅和型钢支撑双重拱架，初支十分稳固，达到“刚柔相济”的效果。

图6 隧道断面加固示意(未注明者单位:mm)

表1 YK3+967处隧道初支加固后拱顶沉降及周边收敛变形情况表

4 两点体会

1)隧道洞口段位置的确定很重要。如果设计时能将左线隧道南洞口向北移10 m，并在隧道开挖前将由于地形地貌原因而产生的偏压预先做一些处理，即削减隧道右上侧的土体，填充隧道左侧低凹地形以及大孤石下面的空洞，不仅能节省一些工程造价，也会给施工减少很多麻烦。

2)隧道口“早封闭”势在必行。BSL隧道四车道进口段，已开挖了30多m，才回过头来施作洞口仰拱，拖延了时间，致使拱顶已出现了几道环向裂缝，发生了10 cm的纵向位移。幸而对初支采用了有效的加固措施，才化险为夷。因此“早封闭”至关重要，特别是洞口段及早施作仰拱，是防止隧道纵向位移的有效措施。

［1］中华人民共和国交通部.JTJ042-94 公路隧道施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，1994.

［2］深圳市勘察测绘院.福龙路隧道工程岩土工程勘探报告［R］.深圳:深圳市勘察测绘院，2004.

［3］关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］李瑞显.甬台温铁路太坤山隧道超浅埋段施工关键技术［J］.铁道建筑，2009(12):64-66.