小净距隧道洞口段初期支护变形分析与治理

王学敬

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安271000）

小净距隧道洞口段初期支护变形分析与治理

王学敬

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安271000）

线路斜穿地形等高线、隧道与山体呈斜交进洞及洞口段存在浅埋和偏压等情况是高速公路选线不可避免地常见问题，为此洞门位置的选定对边坡稳定和施工难度有较大影响。文章以三淅高速公路西安岭隧道为背景，针对施工时洞口段产生初期支护变形侵的典型事例，阐述了小净距、浅埋、偏压隧道斜交进洞洞口的地质、设计和施工情况，研究了隧道洞口施工异常段支护设计形式及变形情况，分析了施工过程中异常变形和开裂的综合原因，结合既有的实践经验和理论基础，提出了一系列针对小净距隧道洞口段施工异常的处治对策，并在实际工程中取得了很好的效果，为今后类似工程的设计、施工提供了参考。

小净距隧道；斜交进洞；初期支护；变形侵限；治理技术

0 引言

我国幅员辽阔，地形和地质条件复杂，山岭分布广泛，各种等级公路建设过程中，势必会出现大量的隧道工程。在这些隧道工程中，由于受特殊地质、地形条件、线路走向以及工程造价等因素的限制，双洞隧道左右线间距经常出现不能满足规范的要求的现象，至此，小净距隧道等特殊结构型式应运而生［1-11］。

关于小净距隧道设计施工等关键技术的研究，最早起源于日本及欧美等隧道修建技术比较发达的国家，总体而言，约自20世纪70年代开始，就陆续有了相关研究成果报道。在小净距隧道施工等问题上的研究，日本走在了世界的前列，其主要研究成果集中体现在1987年出版的《近接施工的设计与指南》一书［1］。小净距双洞隧道在我国出现的历史不长，尚为新型隧道结构型式，近来经过许多工程师的努力也取得了较为丰富的研究成果［4-10］。董子龙通过横山隧道进口段富水破碎小净距隧道的成功实施，系统地介绍了富水破碎小净距隧道施工的综合技术［7］；曹顺等对达万高速公路沙坝湾隧道进口进洞方案进行优化，采用半明洞进洞方案取得了成功［8］。

目前，针对小净距隧道洞口段浅埋、偏压以及围岩条件差等特点，开展了研究，但纵观既有报到的资料，对于隧道洞口段施工过程中出现的异常情况的原因分析较少，缺乏相应的处治对策，一定程度上限制了成功经验的推广。

基于三淅高速公路西安岭隧道工程，针对施工时洞口段产生初期支护变形侵的典型事例，全面分析了隧道洞口监测指标的变化趋势，深入研究了施工过程中出现的变形和开裂形成的原因；结合既有的实践经验和理论基础，提出了一系列的有针对性的处理对策，并取得了很好的效果。研究内容对类似工程的安全施工有一定借鉴意义。

1 工程概况

西安岭隧道是河南三门峡至淅川高速公路的一座左右线分离式双向四车道特净距隧道。采用灯光照明，机械通风，全隧道设置5处行人和4处行车横通道，属特长隧道。其中在第4标段区间内设置了3处行人和3处行车横通道，在第5标段区间内设置了2处行人和1处行车横通道。隧道内轮廓采用单心圆形式，边墙为曲墙，隧道限界净宽为10.25 m，其中行车道宽为7.5 m，检修道宽为0.75 m，而净高为5 m，如图1所示。

图1 隧道内轮廓／cm

1.1 工程地质条件

隧道区为低中山地貌，拟建隧道穿越西安岭主峰，最大埋深约为375m。ZK16+721～ZK17+750段为单向陡坡地形，地势东北低，西南高，洞口山坡坡度为30～35°，坡向约40～75°，为凸形斜坡。

隧址区出露岩层主要为薄层残坡积碎石角砾土、石英细砂岩、石英片岩夹云母石英片岩及云母石英片岩夹石英片岩，小型的褶皱和断层发育，其中ZK16+700～K18+200段见一背斜，背斜两翼产状分别为18°∠86°和180°∠80°，隧道走向与背斜走向呈大角度斜交或近似垂直。洞口ZK16+721～ZK17+750山坡岩层为极破碎强风化石英片岩夹云母石英片岩，呈碎裂、散体装结构。

1.2 水文地质

隧道进洞口坡脚下沟谷中见地表溪流，水量小，属山体渗水，位于隧道设计标高以下，影响不大。地表水总体不慎发育，雨季由于山体较陡，降雨多沿坡面急流而下，对进出洞口冲刷作用较强。

该段工程地质性质及围岩自稳能力较差，拱部无支护时易产生小坍塌，侧壁易失稳，总体结构面不利于仰坡稳定，开挖后易产生浅部滑塌现象。

2 隧道洞口段支护设计形式及变形情况

2.1 支护设计

隧道左线进口端左侧覆盖层薄，右侧偏压严重，洞口设计ZK16+721～ZK16+740为长19 m的明洞，采用斜交套拱、左侧设计偏压混凝土挡墙和半明半暗方式45°斜交进洞，主要依靠管棚和钢架形成的棚架体系及偏压外挡墙形成的反偏压力控制围岩变形，从而确保进洞安全，洞口附近断面图如图2所示。主要支护参数［10-14］：

（1）L＝40 m长管棚配合45°斜交套拱进洞；

（2）左侧ZK16+721～ZK16+740段设计C25混凝土偏压挡墙；

（3）拱顶采用水泥稳定碎石和夯填土回填反压；

（4）边仰坡坡面采用喷锚防护，明洞顶采用方格网植草防护；

（5）洞身ZK16+721～ZK16+740半明半暗段设计围岩级别为Ⅴ级，初期支护采用纵向间距50 cm的I20a工字钢+φ8双层钢筋网片+26 cm厚C20喷射混凝土支护，衬砌采用50 cm厚C25钢筋混凝土衬砌。隧道洞口段采用长管棚或超前小导管做为超前支护手段，开挖推荐采用多台阶分步法，施工顺序示意图如图3所示

图2 洞口附近横断面图

图3 洞口施工顺序示意图

2.2 变形情况

进洞前按设计要求完成洞口边仰坡的喷锚防护、洞口斜交套拱和右侧偏压挡墙施工（回填浆砌片石已施工），于2013年3月30日开始进洞施工，至2013年4月12日，洞身开挖至ZK16+744.62，洞身右侧局部出现收敛变形，监测点变形如图4所示，出现了大变形；2013年4月7日起洞身水平位移如图5。

由于大变形造成洞口ZK16+727-ZK16+735段拱顶右侧90°范围初支局部侵限，侵限厚度平均约为15 cm，最大侵限厚度为22 cm，如图5所示；仰坡多处出现裂纹、裂缝，宽度约1～5 cm；仰坡局部侵限情况见下图6所示。

图4 洞内洞口测点竖向变形

图5 洞内洞口测点水平变形

图6 仰坡裂纹情况

3 施工异常原因分析

左线隧道进口端左侧覆盖层薄，右侧偏压严重，进口左右线净距为21.77 m，为典型的浅埋、偏压、小净距隧道，设计进口段为半明半暗形式斜交进洞。造成西安岭隧道左洞围岩变形及山体开裂的主要原因有以下几方面：

（1）浅埋大跨，围岩稳定性差。隧道是圆拱形设计，洞室开挖跨度大，相应加大了应力调整范围，其主要表现为围岩松动圈范围变厚、变宽；由于浅埋导致洞口段覆盖层薄，形成不了完整的结构承载力。圆拱设计的缺陷是起拱线下由于开挖轮廓内收，在没有施工仰拱和二衬混凝土前，围岩受偏压一侧山体压力出现变形和收敛。

（2）超前支护能力不足。

（3）上断面在开挖后与初期支护完成前，由于周边土体本身松散，不能提供承载力，而管棚超前支护又不足的情况下，在周边围岩侧向压力的情况下，偏压一侧洞身出现变形收敛。

（4）隧道下断面开挖后，围岩横向约束被解除，洞内净空面放大，隧道围岩应力进行重新分布，将产生新的松动圈，拱圈外部围岩松弛，偏压一侧压力有新的增长。

因此开挖支护仰拱没有及时封闭成环是照成仰坡开裂、洞身初期支护侵限重要原因。

4 治理对策

洞身出现变形和地表仰坡出现裂纹后，为防止侵限和变形继续加大，果断采取措施暂停掌子面施工并封闭掌子面，加强洞身拱顶下沉、洞身收敛和洞外仰坡位移及裂纹发展趋势观测，立即报请监理单位、建设单位和设计单位，并提出了变形侵限治理方案措施。

4.1 增设I20A工字钢临时支撑

洞身回填至洞身圆心处，然后采取I20a工字钢临时支撑措施，工字钢间距为1.0 m／榀，临时支撑工字钢通过连接钢板与初期支护工字钢连接。为保证连接效果，距横向临时支撑工字钢端头2.0 m处增设I20a工字钢斜向支撑，斜向支撑仍与洞身初期支护工字钢通过连接钢板焊接，具体见图7。

4.2 径向锚管注浆加固

针对现场实际情况，采取长度L为6·4 m，φ42 mm×3.5 mm径向注浆锚管对右侧拱部及边墙位置进行注浆加固处理，径向锚管交错布置，纵向间距与设计钢架间距一致，环向间距为1.0 m，每环为8根，呈梅花状布置，锚管内注水泥水玻璃双液浆，注浆压力为0.5～1.0 MPa。浆液参数：采用水灰比0.75：1纯水泥浆（掺加5%质量比的水玻璃），稳固右侧山体，增加山体的整体性及自稳性，减小山体侧压力，防止初期支护变形加大。

图7 临时仰拱钢架加工尺寸图／cm

4.3 左侧增设偏压挡墙

根据现场实际偏压地形情况，左侧ZK16+740 -ZK16+750段增设C25混凝土偏压挡墙，顺接ZK16+721～ZK16+740段偏压挡墙，挡墙外侧采取浆砌片石回填，稳固右侧山体，具体设计情况见图8所示。

4.4 洞身仰拱施工

洞身回填和临时支撑、径向锚管注浆加固、左侧偏压挡墙、边仰坡裂纹、裂缝封闭施作完成后，监控量测数据显示洞身及边仰坡稳定，地表裂纹裂缝无明显变化趋势。根据现场情况，组织施作洞身仰拱，仰拱初支按1 m／循环，仰拱衬砌施工按3 m／循环组织施工，施工时临时支撑不得拆除。

图8 挡墙设计图／cm

4.5 侵限部位换拱处理

仰拱初支、仰拱衬砌均施作完成后，根据监控量测情况，确保洞身基本稳定的前提下，采取措施进行换拱处理［12-13］。

（1）拆除原设计初期支护工字钢前，需对原支护工字钢未拆除部分采用φ42 mm×3.5 mm、L＝3.5 m锁脚锚管进行加固处理，锁脚锚管与工字钢通过φ22 U形钢筋焊接牢固；换拱前对影响换拱作业的临时支撑予以拆除，拆除过程中要随时观测洞身变化，发现险情立即停止施工。

（2）换拱以人工利用风镐刻槽为主，严禁采用爆破；置换时确保钢架连接按照设计有效连接，按照原设计重新对置换后的工字钢打设锁脚锚管。

（3）每榀各节段换拱顺序为先墙后拱，跳2榀换拱方法进行施工。

（4）所有工字钢置换完成后，凿除两榀工字钢间的喷射砼和钢筋，重新施做初期支护。

（5）监控量测点布设与量测要与换拱同步进行，保证隧道换拱施工安全。

4.6 加强围岩的监控量测、实施信息化管理以及动态施工

加强隧道围岩的监控量测，严格按照监测频率进行监测点布设和监测，及时进行监测数据的整理、分析以及反馈，便于指导施工。对于文中的隧道而言，由于隧道施工受客观因素的影响较大，隧道极易出现洞身收敛和边仰坡失稳现象，随时监测对施工有着非常重要的意义［15］。在西安岭隧道明洞和暗洞开挖过程采用动态施工。

（1）洞外观察重点在洞口边仰坡位移观测和裂纹裂缝发展趋势观察，记录地表开裂、变形、边坡仰坡稳定状态、地表水渗漏等情况。

（2）隧道内要加强拱顶收敛变形和沉降的监控量测，监测点的埋设要及时，洞身开挖后2 h内要完成监测点的埋设，以及初始数据的采集，在施工过程中要注意加强对监测点的保护。

（3）若洞室顶部沉降和收敛变形均大于5 mm／d时，要暂时停止隧道掌子面的施工，分析导致变形的原因，并及时采取措施抑制变形。

5 结语

进洞施工是隧道施工的关键一步，山区高速公路选线受原有地形影响可能地会出现线路斜穿地形等高线，隧道与山体呈斜交进洞情况，洞口段设计不可避免地存在小净距、浅埋、偏压的问题，进洞施工时遇到变形侵限、边仰坡开裂的情况也时有发生。针对小净距、浅埋、偏压隧道斜交进洞施工易出现初期支护变形侵限等问题，要认真分析原因，果断采取合理加固措施，预防隧道塌方和山体滑坡。

根据现场实际情况，西安岭隧道进口处采用工字钢临时支撑、注浆加固、混凝土偏压挡墙等加固措施，有效解决了洞身初期支护变形侵限的问题，保证了隧道进洞施工安全，对类似工程的安全施工有一定借鉴意义。

［1］ 黄欣.浅埋偏压小净距隧道洞口段施工技术研究［D］.长沙：中南大学，2013.

［2］ 宿钟鸣，薛晓辉.小净距隧道洞口段施工方法优化分析［J］.华北水利水电学院学报，2013（6）：22-24.

［3］ 陈佳.大断面小净距隧道中间岩柱加固方案研究［J］.公路工程，2014，39（4）：202-206.

［4］ 王帅帅，高波，全晓娟，等..不同地质条件下浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性研究［J］.水文地质工程地质，2014，41（3）：60-65.

［5］ Wu B.R.，Chiou S.Y，Lee C.J.，et al.Soilmovements around parallel tunnels in soft ground［C］.The International Conference on Centrifuge，TOkyo：University of Tokyo press，1998，23-25.

［6］ 侯瑞彬，申玉生，陈明奎.大跨小净距偏压隧道施工方案优化分析［J］.公路，2014（14）：225-229.

［7］ 董子龙.富水破碎小净距隧道施工技术［J］.隧道建设，2008，28（3）：345-348.

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［9］ 王毅才.隧道工程（上册）［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［10］王毅才.隧道工程（下册）［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［11］唐雨春，徐林生，金关海.小净距隧道建设的若干问题综述［J］.隧道建设，2007，27（1）：22-25.

［12］JTGD 70—2004，交通部部颁标准.公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［13］JTGF 60—2009，交通部部颁标准.公路隧道施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［14］JTG／T D70—2010，交通部部颁推荐性标准.公路隧道设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［15］王建宇.隧道工程监测和信息化设计原理［M］.北京：中国铁道出版社，1990.

（学科责编：李雪蕾）

Analysis and treatment of deformation of initial support on portal secion of neighborhood tunnel

Wang Xuejing

（Second Engineering Co.Ltd.，China Railway 14th Bureau Group，Taian 271000，China）

There are many inevitable common problems for highway routing such as cutting through the terrain contour lines by the route，skew when a tunnel goes into themountain and shallow and bias situation at tunnel portal.So the location of tunnel portal has a great influence on stabilization and construction complexity of slope.With the background of Xi’an Ling tunnel in Sanxi highway，as to the typical examples of deformation of initial support at the portal during the construction，the paper expounds the geology，design and construction of portal of the small clear distance，shallow buried and bias tunnel，studies deformation and supporting design form in portal construction in abnormal section of tunnel，analyzes the multiple causes of abnormal deformation and cracking in the construction process，combines the existing practical experience and theoretical basis，and puts forward a series ofmeasures for construction abnormity at portal of tunnel with small clear distance exception handling countermeasures.Good effect has been achieved in practical engineering，which can be significant reference for similarity engineering in the future.

neighborhood tunnel；oblique hole；initial support；limit deformation；treatment technology

U455

A

1673-7644（2015）02-0182-06

2014-3-11

王学敬（1981-），男，工程师，学士，主要从事铁路、公路隧道施工技术管理等方面的研究.E-mail：17021612＠qq.com