董奉山隧道大跨径断面初支变形侵限处置措施分析

■林振宇

（福州市交通运输综合执法支队交通工程质量安全监督大队， 福州 350000）

本研究依托福州国道G316 线长乐漳港至营前段董奉山隧道施工实例，针对复杂水文地质条件的大断面、小净距、洞口段浅埋隧道群，在浅埋段开挖支护施工过程中出现大变形侵限后的处置施工技术进行分析，为今后类似条件的隧道群初支大变形侵限处置提供借鉴。

1 工程基本概况

1.1 隧道概况

董奉山隧道为四洞并行隧道群（图1），主路隧道净宽17.5 m，最大开挖宽度为20.2 m，辅路隧道净宽10 m，最大开挖宽度12 m，四洞进口端均为分离式小净距浅埋隧道，主路隧道两洞间最小净间距19 m， 辅路隧道与主路隧道最小净间距12.9 m，浅埋段下穿董奉山国家森林公园保护区。

图1 隧道洞口及浅埋段地形地貌

1.2 地形地貌

隧道进口浅埋段属于坡积平原地貌单元，坡度为5°～10°，上覆坡积粘性土，地表植被发育，主要为林木、果园，地势平坦。 进洞口及明挖段开挖高度11.76～16.27 m。

1.3 工程地质

根据地质调绘、钻探资料，浅埋段地质条件复杂，处于岩性变化区域，地层多变，母岩以石英闪长岩和花岗岩为主，局部存在凝灰熔岩。

1.4 水文地质

浅埋段裂隙很发育，富水性高，开挖时拱脚呈股状流水，初支多处呈点滴状或淋雨状渗水，通过打设地表降水井进行抽排后，开挖时掌子面明显减少，初支局部滴水，上、中台阶左右侧渗水量明显减少，下台阶及仰拱开挖时拱脚仍有股状水流出（图2）。

图2 隧道地质状况

浅埋段地表穿越或紧邻多条山凹冲沟，属季节性沟谷，具有典型的山区沟谷特征，左辅洞旁凤凰溪汇水面积61 万m2， 暴雨天气洪峰达3.7 m3/s；右辅洞进洞70～110 m，右侧50 m 处存在一处面积约2 300 m2水塘， 该水塘高于右辅洞设计标高约15 m，地表植被茂盛，水力联系密切。

2.4.3 TCT 1项研究报道了TCT[6]，采用固定效应模型进行分析，详见图6。Meta分析结果显示，两组患者TCT比较差异无统计学意义[MD＝－5.87，95%CI（－17.69，5.95），P＝0.33]。

2 初支变形侵限情况

2.1 地表开裂

地表发生20～70 cm 沉降 （面积约2 500 m2），地面大范围开裂， 裂缝围绕掌子面呈环向放射状，裂缝从掌子面前方约30 m 至后方15 m，中轴线右侧35 m 至左侧18 m，局部裂缝宽度大于30 cm，深度贯穿覆盖层，山体出现滑坡迹象（图3）。

图3 地表裂缝

2.2 钢架及初支变形

初支喷射砼出现开裂，裂缝斜向约30°；上台阶处拱架型钢出现往小里程扭曲变形， 扭曲变形近30 cm（图4）。

图4 拱架扭曲变形

2.3 测量侵限量

截至2021 年9 月5 日， 各隧道变形侵限情况如下：左辅洞初支侵限范围为FZK6+230～FZK6+272，最大侵限110.5 cm；左主洞初支侵限范围为ZK12+254～ZK12+290，最大侵限33.8 cm；右主洞初支侵限范围为YK12+327～YK12+368， 最大侵限36.5 cm；右辅洞初支侵限范围为FYK6+369～FYK6+401，最大侵限10.1 cm（图5）。

图5 各隧道典型侵限断面图

3 侵限原因分析

3.1 国家森林公园的影响

董奉山隧道进口端位于国家级森林公园保育区范围，环水保要求高，导致隧道浅埋段未设计降水、注浆等地表处理措施。

3.2 地质水文条件复杂

（1）浅埋段隧道地层地质主要为坡积粉质粘土、全风化凝灰熔岩和砂土状强风化凝灰熔岩层，结构较为松散，挖后稳定性较差，开挖时无自稳能力，易产生洞顶或洞壁失稳塌方；（2）地下水位长期高于洞顶且水量丰富，土层含水率>30%，砂土状地层富水更高，隧顶最大压力水头约35 m；（3）浅埋段地形地貌复杂，下穿和紧邻多条溪流、冲沟、水塘，雨季洪水频发，雨季对洞身开挖影响大。

3.3 隧道特点

隧道四个洞均为小净距隧道，主洞与辅洞间距为12.9～27 m，主洞与主洞间距为17～31 m，易产生群洞效应。

3.4 施工影响

隧道施工过程中不可避免的扰动造成周边围岩松散，扰动后即成流土、流砂；拱脚附近处于最低点，成为股状渗流主要出水点，进一步降低拱脚承载力。

4 应急处置措施

4.1 蓄水池水位强降及基础处理

左辅洞洞顶拦水坝蓄水进行强排，采用污水泵进行抽排及开闸放水，并设置专门人员值守，通过强排减小水坝蓄水；拦水坝蓄水范围内池底、拦水坝靠左辅洞一侧的土体采用干水泥及水泥浆进行封闭（图6）。 后续施工雨天时应及时排除坝内的积水，必要时在拦水坝上游采用排水管及时将水引流至拦水坝的排水口排出，避免拦水坝内在隧道施工期间积水。

图6 蓄水池水位强降

4.2 地表裂缝处理

对地表裂缝采用灌浆处理， 灌浆采用1∶1 水泥浆，水泥浆可添加早强剂、速凝剂等。 深根系植物根系深入土壤可达3～5 m，为保护国家森林公园植被生长， 灌浆至水泥浆面低于地表约6 m 即停止，剩余裂缝采用回填土，由人工进行夯实封闭处理。 安排专人对隧道地表巡查， 加强对地表裂缝的观测，裂缝有新的扩展时及时封闭，大的裂缝封闭后采用彩条布或防水卷材进行遮盖，防止降雨时地表水渗入隧道（图7）。

图7 地表裂缝处理

4.3 注浆堵水

根据左辅洞及左主洞初支渗水与拦水坝抽排情况，拦水坝周边及坝底与地表裂缝、洞内环形裂缝形成贯通缝，导致凤凰溪内流水大量渗透。 大量渗水对洞身开挖、仰拱开挖造成影响，并且影响运营期间二衬防排水质量。 拦水坝与左辅洞之间采用注浆堵水，封闭渗流通道，防止拦水坝处地表水渗入隧道。

4.4 原初支径向注浆加固

变形段换拱前应对隧道初支变形侵限段进行径向注浆加固，增加隧道围岩的自稳能力[1]。 加固采用长4.5 m，外径42 mm，壁厚4 mm 的花管，环向保持间距1 m，纵向保持间距1 m，梅花状交错布置。注浆采用单液浆，水灰比控制0.5∶1～1∶1，注浆压力控制0.5～1.0 MPa，注浆施工之前，必须进行注浆试压、试验，来调整注浆参数。

5 换拱施工

根据测量对初支支护断面扫描结果，对初支支护局部侵限段采取“由外向内、先固后换、逐榀施作”的原则进行处理；对于全断面侵限段采取从小桩号到大桩号逐榀拆换，拱架拆换遵循“由外向内、先固后换、先墙后拱、隔环拆除（若有套拱）、逐节换拱、逐榀施作”的原则进行处理。

5.1 拆除初期支护

拱架逐榀进行拆除，拆除主要以人工以及机械破碎开挖为主，降低对围岩的扰动[2]。

5.1.1 初期支护喷射混凝土凿除

（1）按照断面测量数据，工人在初支变形位置标记出侵限的范围且标出该处的侵限量。 （2）严禁大面积凿除初期支护，应逐榀凿除，防止出现塌方和冒顶。 （3）为减小拱架拆除对围岩的扰动和破坏，严禁爆破拆除，应采用机械+人工等方法静态破除，破除顺序仍遵循“先墙后拱、逐榀拆除”的方法[3]。

5.1.2 初期支护钢拱架割除

钢拱架拆除应逐榀拆除，一次只能拆除一节钢拱架单元（图8），割除前需对本节钢拱架进行支撑，防止切割后直接砸落，先使用气焊割除本节钢拱架两端，再割除钢拱架各榀之间的纵向连接筋和钢筋网片，然后用风镐或撬棍松动钢拱架，最后由人工配合葫芦吊，将钢拱架吊离换拱台车。

图8 钢拱架拆除顺序

5.2 围岩欠挖处理

在拆除初期支护后，因变形侵限造成的围岩欠挖，采用机械+人工进行拆除，对原拱架的锁脚锚管进行保留，直至轮廓满足施工和设计要求，开挖按仰拱封闭时预留沉降量为15 cm， 钢拱架落地时预留沉降为20 cm、 钢拱架施工至中台阶时预留沉降为30 cm、 钢拱架施工至上台阶时预留沉降为40 cm 开挖。欠挖处理后应立即进行初喷，并按原设计要求挂设钢筋网。

5.3 钢架安装

（1）按照断面测量尺寸加工的对应钢拱架单元吊上换拱台车，调整定位后进行安装。 原施工的锁脚钢花管与新安装拱架也采用L 型筋进行焊接固定，新换钢拱架与原临时仰拱进行焊接闭环。 （2）两侧拱脚位置各加设2 根3.5 m 长的φ42×4 mm 锁脚锚钢花管，用L 型筋将锁脚锚管和钢拱架进行焊接固定。 （3）锁脚锚钢花管注浆采用单液浆，水灰比控制在0.5∶1～1∶1，注浆压力控制在0.5～1 MPa。

5.4 喷射混凝土

每榀初支钢拱架完成更换后及时湿喷C25 砼，喷射砼厚度应满足原设计要求。

5.5 超前小导管安装

换拱段落位于砂土状地层，稳定性差时，根据需要进行超前支护，超前支护采用长度3.5 m，φ42×4 mm 的小导管，环向布置间距25 cm，纵向布置间距1.2 m，外插角为13°。

5.6 初期支护拆换注意事项

（1）在置换拱架期间，加强监控量测及洞内外观测，适当加密监控量测断面及频率。 （2）换拱前进一步核查该段边墙拱架侵限值，鉴于该换拱段围岩自稳性较差，换拱作业时危险性较大，侵限值较小时经设计单位验算是否换拱，必要时通过加强初期支护和二衬支护参数来减少换拱长度。 （3）各工作面严禁积水、浸流，洞内拱脚严禁浸泡水及悬空，初支换拱后应做到不渗不漏。

6 换拱过程监控量测

在董奉山隧道换拱期间， 必须对拱顶下沉、周边收敛、地表沉降三项指标严格进行监控量测。

6.1 布点监测

换拱前在侵限变形段初支钢拱架上安设监控量测点， 拱顶下沉和周边收敛观测点按照每2 m 1 个断面进行布置，监测初支及围岩的位移变化；洞顶原地表，设置一排沉降观测点，来监测地表沉降。拱顶下沉、周边收敛和地表下沉各观测点应同一断面布设，利于量测成果分析。 对初支侵限变形处，安设绝对位移监测点，特别是连接钢板处。应使用高精度全站仪进行监测，监测监测频率保证每天2～3 次，监测应持续到二衬施工完成。

换拱过程中应细心观察初期支护的状态包括喷射混凝土层是否出现裂缝、 脱落和剪切破坏、钢支撑是否出现压弯变形。 对出现上述状况要进行详细描述和记录并评估，作为及时采取应急处置措施选择的参考和依据。

6.2 位移管理等级划分

根据换拱期间监测成果分析可参照（表1）所列位移区间按照不同等级指导施工[4]。

表1 位移管理等级

7 结语

结合董奉山隧道初支大变形侵限处置前后监控量测数据分析， 监测点变形位移均在正常范围内，且换拱期间地表裂缝未进一步发展，未发生隧道冒顶等危险情况， 变形侵限段围岩注浆效果良好，提高了围岩自稳定能力。 通过排尽洞顶坝内水，注浆截断凤凰溪地表水渗入隧道，进一步降低大量渗水对洞身开挖、仰拱开挖造成影响，营造隧道变形换拱处置期间安全环境。

换拱过程遵循着“先拱后墙、隔环拆除、逐榀拆除”的原则，采用机械+人工等方法静态破除侵限和欠挖部位，最大程度减小拱架拆除对围岩的破坏和扰动，保证了换拱施工的安全。 通过对董奉山隧道初支变形侵限段的处置， 有效解决了隧道大变形，确保了隧道后续施工的安全可靠。