山岭隧道洞口软弱段病害处治技术探讨

龙雪峰,陈人豪

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

在山岭隧道建设过程中,诸如软弱段地基承载力不足、拱脚遇水软化、初期支护沉降过大、洞内排水不畅等一系列问题给隧道洞口施工带来了严重困扰[1-3]。广西碎屑岩区分布广泛,地层差异大,在这些地层中修建隧道,在隧道洞口段会经常遇到上述问题。隧道洞口段一般位于坡脚处,往往都会存在覆盖层厚、地下水位高、地基承载力不足等问题。若在设计、施工过程中处治不当,极易发生支护结构受力不均匀、应力集中等,进而引发支护结构开裂、失稳[4-6]。因此,注重碎屑岩区隧道洞口段设计、保证施工质量尤为关键。本文结合实际工程经验,分析了碎屑岩地区隧道洞口软弱段地基承载力不足、排水不畅等对隧道支护结构的影响,并提出了相应的病害处治对策。

1 隧道洞口病害情况

某山岭隧道设计为双向四车道分离式中隧道,长557 m。地质勘察报告显示,隧道进口端洞口段从一中密状碎石土层中穿过,该碎石土层厚度为10～30 m,围岩稳定性极差,遇水易软化,且地下水位位于设计高度以下约1.2 m。

2021年6月上旬,连续4～5 d强降雨过后,先后出现初期支护开裂、二次衬砌开裂、施工缝扩大、地表开裂等病害。病害发生时,右洞二次衬砌已施工完成,左洞已贯通但初期支护未封闭成环。其中,右洞二次衬砌多处出现纵向、环向裂缝,最大裂缝宽度为3 mm,仰拱施工缝被拉开约30 mm;左洞边墙出现环向裂缝,最大约2 mm,部分喷射混凝土出现剥落情况。地表裂缝在开挖施工过程中以及强降雨后逐步形成,随着时间的推移以及雨水的下渗裂缝逐渐扩大。裂缝主要以纵向为主,左右洞地表两侧均发育有数条裂缝,缝宽约2～200 mm。洞口边仰坡坡顶发育有数条3～5 m长裂缝,且左右洞鼻端土体被剪切推移,形成约5 m长裂缝;明洞槽边坡中部、坡脚等区域均出现了裂缝,临时防护喷射混凝土开裂剥落。

2 成因分析

2.1 基于监测数据及现场情况分析

现场监测数据显示,原右洞初期支护施工过程中变形较大(拱顶下沉量为17.8～31.4 mm/d)段落与本次强降雨过后二次衬砌开裂段落基本一致;左洞于5～6月份初期出现支护施工拱顶沉降,约15.2～20.7 mm/d,均大大超过出了规范允许值。由此可见,洞口碎石土层段隧道施工开挖沉降控制不当,未能控制拱脚沉降,初期支护封闭不及时,造成山体松动圈扩大。

在连续多日强降雨影响下,洞顶山体饱水后荷载增大,雨水沿裂隙下渗软化拱脚、仰拱底板基础,造成了初期支护拱脚、仰拱下沉,引起地表开裂后雨水沿裂缝入渗,进一步弱化地基强度,加剧了洞口段的沉降问题,继而引发了洞内二次衬砌、初期支护开裂,洞外地表开裂等一系列问题。

2.2 数值分析

选取平面应变数值模型,假定隧道洞身范围内围岩均为碎石土,并考虑了不同程度雨水下渗弱化后受力变形情况[7-8]。采用饱和碎石土物理参数模拟围岩弱化情况,共设置三种工况分析强降雨后二衬的变形和受力状况:工况一:干燥碎石土;工况二:雨水下渗弱化拱顶围岩;工况三:雨水下渗弱化拱顶、基底围岩。数值模型见图1。图1中地层分为三层,第一层为拱顶岩层;第二层为基底岩层;第三层为不受影响的深层岩层。

图1 浅埋碎石土段隧道数值试验模型图

由图2可知,在干燥状态下,拱顶总下沉值为19.7 mm,拱顶渗水弱化后,拱顶总下沉值为28.5 mm,当拱顶与基底均渗水弱化的情况下,拱顶总下沉值达到90 mm,基底弱化对于二衬开裂的影响最为明显。这是由于在浅埋段围岩荷载由全部上覆土层的自重引起,在渗水饱和后,土层重量增加有限,当下部围岩弱化时,易引起整体沉降,同时导致顶部土体下沉范围增加,进而增加围岩压力,两者结合导致顶部出现明显沉降。

(a)工况一(干燥碎石土)

从图3可以看出,碎石土层中二衬拱顶与基底受压,两侧受拉,随着围岩条件变差,受力明显变大。

(a)工况一(干燥碎石土)

从图4可以看出,随着隧道围岩参数的减弱,隧道受到的剪力明显大幅增大。

(a)工况一(干燥碎石土)

从图5可以看出,在碎石土地层中,衬砌底部中心处受力较大,两侧受力相对较小,随着隧道围岩渗水弱化区域增加,隧道受到的弯矩明显大幅增大。其中,当基底处围岩渗水弱化时,弯矩增加明显。

(a)工况一(干燥碎石土)

通过图2～5分析可知,在已经施作二衬的隧道中,基底围岩渗水弱化对衬砌结构危害明显,易引起衬砌变形、开裂。

3 处治技术

3.1 处治原则

通过对洞口软弱段病害进行分析可以发现,控制支护沉降、及时封闭成环是主要措施,因此本隧道病害处治可以按以下原则进行:

(1)注重防水、排水,洞外封闭裂缝,洞内保持排水顺畅。

(2)初支支护及时封闭成环,减少初支变形稳定时间。

(3)加强锁脚,控制初支支护沉降,减少松动圈的形成。

(4)基底补强加固,提高地基承载力。

3.2 处治方案

根据前文处治原则,隧道处治方案在以上原则的基础上进行细化,并结合现场实际情况、施工组织等进行调整,在保证质量、安全、耐久的前提下做到经济合理。经专家评审后,本隧道的处治方案如下:

(1)对地表裂缝进行大范围巡查,对裂缝灌浆封闭隔水,并完善洞顶截排水设施,保证顺畅排水;对右洞施工缝进行封堵,减少洞内排水下渗软化基底。

(2)暂停左洞掌子面开挖,及时施工下台阶、仰拱,缩短初支封闭成环时间,同时对沉降控制不利段落增加φ108 mm钢管大锁脚,增设临时仰拱、临时支撑等辅助措施,控制沉降变形。

(3)洞口鼻端增加反压,对洞门墙基底采取钢管桩加强处理,洞门墙配筋,两侧拱脚增设双排锁脚钢管,来解决山体持续纵向变形。如图6所示。

图6 洞门墙基底钢管桩加固设计图(cm)

(4)结合补勘成果、现场地基承载力检测成果,对左右洞基底为碎石土层的段落采取钢管桩补强加固,提高地基承载力。如图7所示。

图7 暗洞基底钢管桩加固设计图

(5)针对右洞部分二衬开裂问题,结合检测评估结果进行处治,若开裂二衬拱圈已经损伤严重,要进行二衬全更换。若拱圈完好,可在已征地范围内适当减载后进行已开裂段加深仰拱的仰拱托换和基础处理。

3.3 处治注意事项

针对该段落的病害处治,由于围岩饱水、竖向荷载大,支护一直处在缓慢变形的状态下,因此在进行处治施工时要注意以下几点:

(1)基底钢管桩施工应分区实施,纵向分区长度>4 m,横向分区宽度以半幅洞宽为宜;对施工角度、桩位位置等进行复查;钢管桩钻孔、灌浆等应施作临时横撑,加强监测、制定应急预案等。

(2)隧道地基加固施工方案应综合考虑施工机械、材料、人员等,采取合适的施工顺序,不得采取大开大挖的做法,尽量控制洞内人员数量。

(3)左右洞应分批施工,拉开施工距离,减少相互影响,保证施工安全。

4 结语

从现场监控量测数据到数值计算均表明洞口软弱段需采用控制变形的施工技术,支护及时封闭成环,控制施工进尺、施工步距,杜绝通过扩大预留变形量来保证支护结构不侵限的做法。对于软弱围岩,特别是遇水软化的岩层要注意排水,及时施工排水沟槽,及时封闭避免雨水下渗软化围岩;基底承载力不足时,可通过混凝土换填、微型桩处理、搅拌桩等措施进行基底补强。同时,施工期间应根据超前地质预报、监控量测结果及时进行动态设计,调整相应的施工方案、支护结构等,保证施工质量、安全。