龙泉山一号隧道进口段初期支护大变形的分析与治理

摘 要：龙泉山一号隧道进口段穿越浅埋、偏压及长达250m的逆断层破碎带。在进口段施工时，隧道沉降、收敛变形严重，局部洞段侵入二衬界限。为保证隧道结构及运营安全，采用调坡、围岩加固及换拱等技术成功完成长达二百多米的侵限处理并无未发生一列安全事故，取得了良好的工程效果。

关键词：龙泉山一號；变形侵限；加固；换拱技术

1 工程概况

龙泉山一号隧道横穿龙泉山山脉西缘次级剥蚀低山，隧道进口位于成都市龙泉驿区柏合镇新光村牌坊湾坡麓缓坡地带，出口位于柏合镇石碑子村，芦溪河西岸龙泉驿至元宝公路上部斜坡地带，毗邻宝狮湖。隧道起止桩号为K1+735～K3+573，全长1838m。隧道设计双向四车道三心圆曲边墙结构，洞内线路为2.6%的单向纵坡。洞内开挖断面型式分为一般段及紧急停车带段，一般段最大开挖断面尺寸13.28m×11.05m（宽×高），开挖断面面积120.655m2；紧急停车带段开挖尺寸15.43m×11.34m（宽×高），开挖断面面积142.82m2。

2 地质、水文特征

2.1 地层岩性

本隧道进口段地层岩性简单。上覆土层主要有第四系全新统人工填筑土（Q4me）、坡残积粘土（Q4dl+el），下伏基岩为白垩系上统灌口组（K2g）泥岩夹泥质粉砂岩、钙质粉砂岩，侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）砂岩、泥岩，断层压碎岩（Fbr）。该套地层在卧龙寺向斜SW翼产状为：N13-33°E/8-14°SE，NE翼产状同N13°W渐转N42°E倾向S，倾角9-15°，受构造影响岩层节理极其发育，且有“X”型节理存在。

2.2 地质构造

本区属新华夏系第三沉降带-四川沉降盆地之龙泉山褶皱带中，构造迹线主要呈北北东向，路线区主要构造类型有：

（1）卧龙寺向斜。本隧道横穿卧龙寺向斜，向斜东翼倾角11～24°，西翼倾角为3°～15°，向斜轴部产状平缓，翼部较陡。其东界（出口）与龙泉山背斜相接，其西翼（进口）为龙泉驿逆断层破坏，岩层产状变化大，局部陡倾，使蓬莱镇组或遂宁组与上白垩统灌口组接触。

（2）龙泉驿逆断层。隧道进口地段发育龙泉驿断层，该断层属区域性逆断层，位于龙泉山大背斜西翼，地表因第四系掩盖而断续出露。断层南起仁寿陈大山之西，向南断裂形迹逐渐消失而代之以岩层陡立带。向北，陈大山至老君庙之间，断层走向近南北，倾向东，倾角75°，成都龙泉驿以南断层走向北15°东，倾向南东，倾角35°，东盘（上盘）上沙溪庙组、遂宁组与西盘（下盘）灌口组接触，地层垂直断距达10米，破碎带及其影响带宽约250米。

龙泉驿至金堂东，断层又隐伏于第四系之下。地腹经地震勘探查明，断裂在侏罗系中连成一线，南起仁寿以西，北达中江会棚场，全长超过120公里，断层总的走向北20°～30°东，倾向南东，倾角25°～30°，东盘相对上升，西盘相对下降，为逆掩断层。

根据实际施工揭示，龙泉驿断层于路线分别交于ZK1+870附近，交角为75°，断层破碎带宽度约250m，断层破碎带由断层角砾及断层破碎岩组成，破碎带及其影响带浅埋段围岩为强～全风化泥岩。

3 变形状况及原因分析

3.1 变形状况

龙泉山一号隧道进口段于2009年05月开工至2010年10月隧道贯通，总共完成单洞开挖450m。其间，隧道变形收敛特别严重，尤其是K1+790～K1+900段沉降变形均已侵入二衬界限。侵限均以开挖上台阶右侧为主，左侧侵限程度较右侧轻，拱顶沉降垂直变形大，拱脚两侧收敛变形相对较小。其中，据变形观测数据显示，隧道开挖后平均每日沉降收敛值达1～2cm，单日沉降量最大达11cm，收敛值最大达12cm，隧道局部洞段最大累积沉降达2.0m之多，最大累积收敛值达1.8m。洞上方地表坡面纵向蠕动据测量数据显示达到1.0m，开裂裂缝宽达30cm。

3.2 原因分析

经过专家们的多次现场踏勘论证，造成本隧道大变形的原因主要有以下几个方面：

3.2.1 客观原因。（1）浅埋：进口段坡面平缓，地表埋深3.0～40.0m。地表多为松散土体覆盖，隧道在开挖施工中成洞困难，且对围岩扰动十分明显，致使地表裂缝发育，围岩应力重分布后大于围岩强度，围岩产生塑性变形，围岩应力主要作用在初期支护上，致使初期支护产生变形。（2）偏压：隧道进口端下穿一山凹，地表呈现出两边高，中间低的特点；右洞YK1+737～+770段地表右侧12～0m发育一冲沟，该冲沟自YK1+770处与隧道交汇，并沿路线前进方向延伸至YK1+880位置处逐渐消失。该冲沟深3～6m，冲沟两侧坡面陡峻形成陡坎，导致右洞地表右侧局部形成地形偏压。隧道开挖后，围岩应力重分布，地表右侧土体明显向左侧滑移坍塌，洞内受右侧土体挤压，初支后钢支撑变形明显右侧倾向于左侧，变形量也主要以右侧拱腰为主。（3）逆断层破碎带：根据施工图地勘报告，隧道进口ZK1+810～ZK2+015、YK1+810～YK2+015段穿越龙泉驿逆断层破碎带，该断层破碎带走向与隧道轴线交角为75°，断层倾向于隧道进口端，断层破碎带由断层角砾及断层破碎岩组成。受其影响，断层破碎带前后浅埋段全～强风化泥岩围岩极其破碎。受龙泉驿逆断层破碎带影响，隧道进口端围岩节理发育，主要发育有两组节理，即节N50°W/73°SE 和节N16°E/81°NW，3-4条/米。（4）地下水丰富：由于进口段隧道位于地表下凹地形下面，隧道开挖后，地下水自两边高处向低处隧道汇集，且隧道开挖施工处于雨季，大气降水丰富，雨水通过地表下渗至隧道周边围岩。在地表水和地下水浸泡作用下，泥岩和膨胀土进一步软化、泥化，其各项物理力学指标逐渐降低，从而围岩的自稳能力逐渐减小，作用在隧道初期支护上的土压力逐渐加大，并且导致隧道在开挖过程中大小坍方不断。

3.2.2 主观原因。（1）设计方：设计最初考虑的初期支护参数在这种特殊的地质条件下已满足不了控制变形稳定的要求，故后面特对原有的初期支护及辅助措施进行了加强处理。（2）施工方：施工方在前期对这种特殊的地质条件认识还不够清晰，处于水电行业转型至公路行业的起步阶段，对公路隧道的施工管理经验还有待进一步提高。

4 变形段治理

4.1 地表处理

由于左右洞初期支护变形持续时间长，变形值大，地层受节N50°W/73°SE和节N16°E/81°NW影响被切割成块状，由于施工开挖所引起的底层损失，在其重力作用下，易引起浅埋段地表出现牵引式裂缝。在节N50°W/73°SE和节N16°E/81°NW控制下，部分地表裂缝呈垂直于洞轴线方向展布。在左右洞破裂面影响下，部分地表裂缝大致平行于洞轴线方向或与洞轴线大角度相交。为防止裂缝长期开裂地表水入侵围岩，我们对裂缝进行人工夯填密实，并形成排水流畅坡面或排水沟。

4.2 洞内变形段处理

4.2.1 调坡。由于进口段K1+790～K1+900段初支变形严重，局部沉降收敛达2.0m之多，已严重侵占二衬界限。为了能满足隧道行车要求，特对侵限段初支进行拆换处理。由于侵限拆换施工存在较大的安全风险，在不影响洞外路基、桥梁施工的情况下对进口段进行了调坡处理，由原有的2.6%纵坡调整为3.15%。然后再对调坡后的侵限段进行拆换处理。

4.2.2 侵限段围岩加固。为保证围岩变形稳定和减少换拱時对围岩的二次扰动，侵限段拆换前，需对侵限段围岩架设工18a临时钢支撑，纵向间距1.0m，钢支撑间采用φ22纵向连接筋连接整体，然后进行径向注浆加固和超前注浆加固。（1）侵限段围岩径向注浆加固：注浆采用钢花管φ42，L=6.0m，纵环间距0.8×1.6m和自进式锚杆φ28，L=8.0m纵环间距0.8×1.6m交错布置；注浆材料为水泥-水玻璃双浆液，水灰比0.8～1：1，水玻璃浓度35Be'，水泥与水玻璃体积比为1：0.8，注浆初压1～1.5MPa，终压2MPa。（2）侵限段围岩超前注浆加固：在拱部侵限范围打设一排超前小导管φ42，L=3.5m纵向间距2.0m，环向间距0.3m，小导管角度根据实际侵限情况调整；注浆材料及方法与径向注浆相同。

4.2.3 侵限拆换。拆换前必须首先保证仰拱衬砌及仰拱填充施作完成，围岩加固后不再变形。拆换时应由洞内向洞口方向逐榀进行，每次拆换最多不超过两榀，单榀拆换时应自上而下先拱顶后边墙或半幅进行。拆换全过程，必须加强监控量测，一有突变立即停止施工，迅速撤离所以作业人员设备并及时汇报。具体拆换步骤如下： 第一步：施作保留初期支护端头（与新增钢架接头处）锁脚锚杆。在需要保留的钢支撑端头每处打设两根锁脚砂浆锚杆φ25，L=4.0m固定保留端钢支撑以便拆换时不受破坏。第二步：凿除初期支护并开挖新增支护空间。为了尽量降低安全风险，减少人员伤亡事故，凿除侵限围岩时采用斗山大宇225型专业破碎机破碎代替了人工风镐凿除，从而大大提高了生产效率，也使安全作业风险降低为零。第三步：初喷9cm厚C25钢纤维砼。新增初期支护在调整后的开挖轮廓线基础上扩挖5cm后立即初喷9cm厚钢纤维砼（原设计4cm厚）封闭环向开挖面，防止围岩掉块风化。第四步：安装新钢架。新钢架与原支护处同型号，钢架下料长度由现场拆换实际长度提前制作完成，待初喷钢纤维砼完成后及时安装。新钢架与原保留钢架接头采用钢板焊接，当接头处有错位时，可适当调节。每榀新增钢架端头均打设两根锁脚砂浆锚杆φ25，L=4.0m锁牢。第五步：复喷C25钢纤维砼。钢架安装完成并通过验收后，立即复喷C25钢纤维砼至设计厚度。钢纤维掺量为每方混凝土60kg。

4.2.4 加强二次衬砌支护参数。待换拱完成长度具备二衬作业时，立即将二衬紧跟其后。为保证公路隧道结构与运营安全，换拱段二衬必须布置加强衬砌钢筋，衬砌钢筋由原设计每延米5根Φ25（或Φ22）变为5根Φ28，其中拱腰部分3m范围增设5根Φ22附加钢筋，纵向分布筋由原设计的φ12或φ14统一调整为φ16，箍筋由原设计的φ8调整为φ10，其间距同原设计。必要时可提高二次衬砌砼等级。

5 结束语

通过对龙泉山一号隧道进口段大变形原因的正确分析，我们成功克服了隧道变形侵限段的继续加剧，并顺利完成了变形段的治理施工。保证了隧道结构和运用安全，提高了施工效率，同时也有效控制了施工安全零事故。为今后对浅埋、偏压及逆断层破碎带隧道的变形处理时提供了丰富而宝贵的施工经验。

参考文献

[1]关宝树.隧道工程施工要点集[Z].

[2]易萍丽.现代隧道设计与施工[Z].

[3]JTGF60-2009.公路隧道施工技术规范[S].

作者简介：李柯函（1986-），男，江苏镇江人，镇江红星文化产业投资股份有限公司，助理工程师，本科学历，长期从事水利水电及路桥和建筑施工管理工作。