浅埋偏压软弱围岩大断面隧道综合处治措施

郑先奇

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

1 工程概况

贵州省惠水至兴仁高速公路八标段林场隧道，位于贵州省紫云县浪风关林场境内。出口地势较平缓，有长约120m浅埋地段，埋深约5.0m～9.0m。隧道通过段为山间狭谷斜坡，自然斜坡角约65°的陡坡狭谷地带上，出口为偏压地段。隧道出口山顶有一段走向与隧道走向基本相同的S309省道，是通往贵州省镇宁县和紫云县多个乡镇的主要公路通道，重载车辆多、客货车流量大。左线隧道全长1146m，右线隧道全长1142m，林场隧道是惠兴高速公路长大隧道之一。

2 工程地质特征

隧道通过地层为灰岩，围岩为Ⅲ级～Ⅴ级。左、右线隧道Ⅴ级围岩属洞口浅埋偏压段，洞口为崩坡积碎石土、强风化灰岩、泥灰岩、泥岩，深部为中风化灰岩、泥灰岩、泥岩构成，受构造影响自稳能力差，风化裂隙发育，岩体破碎，有溶洞，拱顶易产生坍塌，隧道开挖多呈滴状、线状渗水，雨季淋雨状渗水较普遍，局部有轻度涌水现象。Ⅳ级围岩由中风化灰岩、灰岩夹泥岩构成岩溶、裂隙较发育，拱部无支护时易小范围塌落，侧壁容易掉块。Ⅲ级围岩由中风化灰岩组成，岩体节理裂隙弱发育，洞内仅为潮湿或点滴状出水。围岩自稳能力较好，无支护时局部可能有小的掉块塌落。

3 设计支护参数

1)洞口Ⅴ级围岩浅埋段套拱、超前管棚注浆支护，管棚φ108×6mm、长40m、环向间距40cm。洞身Ⅴ级围岩超前小导管φ42×4、长4.0m、间距40×240m，初期支护 φ25中空注浆锚杆，长3.5m，间距60×120，φ6.5钢筋网20cm×20cm，Ⅰ18 钢拱架间距60cm，C20喷射混凝土厚20cm，二次衬砌C25钢筋混凝土厚50cm。2)Ⅳ级围岩超前小导管 φ42×4，长3.5m，间距40×200m，初期支护 φ22药卷锚杆间距100×120m，长 3.0m，φ6.5钢筋网 25cm×25cm，Ⅰ14钢拱架间距100cm，C20喷射混凝土厚20cm，二次衬砌C25混凝土厚40cm。3)Ⅲ级围岩φ22药卷锚杆初期支护，长2.5m，φ6.5钢筋网 25cm×25cm，C20 喷射混凝土厚10cm，二次衬砌C25混凝土厚35cm。

4 工程特点

4.1 环保要求高

隧道位于贵州省紫云县浪风关林场境内。自然环境相对脆弱，特别是隧道施工，要严格做好水源保护，施工中必须做好各类环保设施，最大限度减小施工对环境的影响，将林场隧道建设成为绿色、环保工程。浪风关林场区域内，有大量的珍贵林木，隧道施工要对林场区域内的珍贵林木进行重点保护，防止对环境造成破坏。

4.2 不良地质多

根据隧道设计地质资料统计，左线隧道Ⅴ级围岩占18%;Ⅳ级围岩占46%;Ⅲ级围岩占37%。右线隧道Ⅴ级围岩占22%;Ⅳ级围岩占44%;Ⅲ级围岩占34%。隧道地质构造复杂，不良地质和特殊地质多，隧道Ⅳ级软弱围岩所占比例大，对超前地质预报、监控量测及施工过程控制要求高。

5 隧道开挖施工

根据隧道通过的地质条件及隧道的设计断面，洞身开挖根据围岩级别分别采用不同的开挖法。Ⅴ级围岩开挖采用台阶法、侧壁导坑法或预留核心土体开挖，开挖面积106.8m2;Ⅳ级围岩开挖采用台阶分部法，开挖面积98.2m2;Ⅲ级围岩开挖采用全断面开挖，开挖面积 85.1m2。

6 施工综合处治措施

结合林场隧道施工现场条件、总体工期和经济成本等方面综合分析考虑，林场隧道施工采取由兴仁(出口)往惠水(进口)单向掘进。隧道在施工过程中由于浅埋偏压和复杂多变的地质，施工中发生地表沉降、拱顶下沉、溶洞、特大溶洞、围岩收敛变形超限和塌方。本文就林场隧道施工中针对性地采用综合处治措施分别进行介绍。

6.1 塌方

隧道出口段上部是309省道，路面距隧道拱顶仅5.0m～9.0m，属洞口浅埋段Ⅴ级围岩。主要由碎石土、强风化泥灰岩、泥岩组成。受构造影响，围岩破碎松散，自稳能力差，隧道开挖多呈滴状、线状渗水，局部有轻度涌水现象。受地形条件影响隧道处于浅埋偏压状态，在隧道施工中边仰坡均出现了开裂及下沉现象。左洞施工至桩号ZK83+549.5～ZK83+539.5时，掌子面塌方，洞顶地表出现直径约7.0m的塌穴，309省道路面也发生开裂。

6.1.1 双层加强超前小导管

ZK83+549.5～ZK83+539.5塌方段，在原设计的基础上增设6m长φ42×4超前小导管，以度过塌方范围。导管采用钢花管，沿拱顶环向8m范围布置，环向间距40cm，纵向4排，排距2.4m，仰角 40°～45°，注浆压力控制在0.5mPa，用以加强对围岩的超前支护，增加围岩的稳定性，见图1。

6.1.2 临时钢支撑组、支护衬砌加强

ZK83+549.5～ZK83+539.5段采取Ⅰ20b钢支撑组临时加固，每3榀为一组，榀间距60cm，组间距5m，榀与榀之间采用Φ25钢筋连接，环向间距5m;为了确保与初期支护的混凝土密贴，每组钢支撑采用C20喷射混凝土封闭喷平，喷射混凝土厚20cm，待二次衬砌施工到此段后陆续拆除。初期支护工字钢由原设计的Ⅰ18变更为Ⅰ20b，纵向间距由原设计的60cm变更为40cm，锚杆由原设计60cm×120cm(纵×环)间距变更为40cm×120cm(纵×环)，C20喷射混凝土厚度由原设计24cm变更为26cm。二次衬砌钢筋由设计Φ22变更为Φ25，二次衬砌混凝土由设计C25变更为C30。

6.1.3 洞内长(大)管棚

本段ZK83+525～ZK83+510发生塌方，塌坑14.6m×11.4m。掌子面围岩为炭质泥岩及黄色粘土，固结作用很弱，胶结质量差，结构非常松散，具有一定的塑性，受扰动时易发生缓慢的塑性变形，完整性及稳定性很差，隧道拱部及上覆残积粘土，掌子面有少量渗水现象，从塌坑来看，大部分为坡堆积体。该段处于浅埋偏压段，加之S309省道的影响，约束作用减弱，山体有开裂现象。

采用洞内超前大管棚处治方案，管棚起点里程为ZK83+525，管棚长度40m，φ108×6mm钢管，环向间距40cm，共37根。为保证管棚施工角度，在管棚施工起点ZK83+525～ZK83+528纵向3m管棚施工轮廓线范围超挖90cm加大断面作为管棚施工工作面。ZK83+525～ZK83+528段初期支护采用Ⅰ20工字钢榀间距50cm。为防止开挖后初支变形过大，决定在上导坑工字钢底脚处增设混凝土垫块，见图2。

6.1.4 双层钢拱架

ZK83+559～ZK83+553塌方段作初期支护和二次衬砌加强处理，工字钢由原设计Ⅰ18型单层变更为Ⅰ20b型双层，工字钢间距由原设计60cm变更为40cm，φ25中空注浆锚杆间距由原设计60cm×120cm(纵×环)变更为40cm×120cm(纵×环)，C20喷射混凝土由原设计24cm变更为44cm，二衬钢筋主筋间距维持原设计不变，钢筋型号由Ф22变更为Ф25，二衬混凝土强度由原设计C25变更为C30，见图3。

6.2 地表沉降开裂

林场隧道左右洞掌子面分别施工至ZK83+543，YK83+565时，洞顶右侧山体出现开裂，受山体影响，左右洞洞内也伴随不同程度的下沉和开裂，施工及309省道运营受到严重影响。

6.2.1 洞外地表

对309省道采取改道处理，洞顶范围用碎石铺平并加盖3cm厚钢板，以分散重载车辆的荷载，减少来往车辆给隧道造成的冲击破坏。

6.2.2 地表注浆

对塌坑及其周边3m范围采取 φ42×4，间距1.5m×1.5m 钢花管注浆，钢花管呈梅花形布置。钢花管长5m，注浆压力控制在0.2mPa，注浆结束后3 d～5d，再对塌坑分层夯实回填处理，回填至与地面线顺接后，再用50cm厚粘土层对陷坑及周边开裂处进行封闭堵水。

6.3 溶洞、特大溶洞

右洞开挖至掌子面YK83+445洞顶出现溶洞，溶洞自掌子面向小里程方向延伸，溶洞周边岩体破碎、裂隙发育，裂隙内夹杂湿性黄褐色粘土，围岩自稳能力差，溶洞高度约6m、纵向深度约11m。左洞施工至掌子面ZK83+441时出现溶洞，溶洞从掌子面左侧向小里程延伸，溶洞宽约14.0m～16.0m、长约45m～50m、高度18m～20m。溶洞周边岩体破碎、裂隙较发育，且裂隙夹杂湿性黄褐色粘土，围岩自稳能力较差。

6.3.1 混凝土、吹砂回填溶洞空腔

在溶洞及其周边2m范围内设置6m长双层锚杆、纵向间距40cm、锚杆入岩深度不小于3.0m。钢拱架Ⅰ20b型双层，工字钢纵向间距40cm。在溶洞空腔钢拱架上焊接铺设厚3mm的钢板封闭并预留泵送管和通气孔，拱顶溶洞采用C20泵送混凝土进行回填，混凝土厚2m，腔内采用吹砂工艺回填，见图4。

6.3.2 特大溶洞全套拱

隧道内特大溶洞采用C20混凝土全断面套拱防护通过;仰拱以下的溶洞全部用C20片石混凝土进行回填处理，Ⅰ20b工字钢双层钢拱架支撑、纵向间距40cm，在溶洞空腔钢拱架外侧焊接铺设厚3mm的双层钢板封闭用作套拱的模板，双层钢板层间距为70cm，在双层钢板灌注C20混凝土，并预留泵送管和通气孔。在钢拱架外面施作隧道全断面套拱防护，套拱厚度70cm。C20混凝土全断面套拱外吹填砂进行溶洞空腔回填，吹填砂至套拱顶高3.0m左右即可，吹填砂既是套拱的保护层，又是溶洞坍塌和落石的缓冲层，见图5。

6.4 软弱围岩收敛变形超限

林场隧道右洞施工至掌子面YK83+565时，拱顶下沉加剧，YK83+610～YK83+580段收敛加快，部分区域累计收敛值达16cm并仍在发展，初期支护也出现开裂现象。

6.4.1 注浆加固

对YK83+610～YK83+580段左右侧采取φ42×4钢花管注浆，钢花管布置范围为:至高出隧道断面圆心1m位置往下，按间距1m×1m梅花形布置，钢花管长6m，与工字钢焊接以形成整体共同受力。注浆压力控制在0.5mPa，增加围岩的稳定性。

6.4.2 临时钢支撑、临时仰拱

YK83+610～YK83+580段采取Ⅰ20b钢支撑临时仰拱加固，每3榀为一组，榀间距60cm，组间距3m，榀与榀之间采用Φ25钢筋连接，钢筋环向间距1m;为了确保与初期支护的混凝土密贴，每组钢支撑采用C20喷射混凝土封闭喷平，喷射混凝土厚20cm。钢支撑支护施工中，应保证拱脚确实落于岩石之上充分接触，必要时可用钢楔楔紧。加快下导坑及仰拱施工进度，以使上下导坑初期支护尽早封闭成环，待上下导坑钢拱架封闭成环后拆除临时加固仰拱，同时要求下导坑及仰拱施工过程中应短进尺，早封闭。

7 结语

林场隧道出口段口位于309省道下方的浅埋偏压地段，开挖断面大、地质条件差、Ⅳ级、Ⅴ级围岩所占比例大。隧道施工过程中发生的塌方、地表沉降、溶洞、特大溶洞、软弱围岩收敛变形超限。采取了不同的处治技术措施，取得了十分满意的效果。采取的技术措施合理可行，施工工艺成功且有效，能够保证工程质量和隧道的运营安全。林场隧道施工采取的一些成功技术处治措施，为大断面浅埋偏压软弱围岩隧道施工积累了施工经验。

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