小净距偏压平行公路软岩隧道大变形成因分析及处治措施研究

赵勇 ZHAO Yong；周洋 ZHOU Yang；谌蛟 CHEN Jiao

（①云南宾南高速公路有限公司，大理 672100；②云南交投公路建设第一工程有限公司，昆明 650000；③云南通衢工程检测有限公司，昆明 650000）

0 引言

小净距隧道指并行的两隧道间净距较小、两洞结构彼此产生有害影响的隧道。当高速公路穿越高原山区，因地形条件和土地保护等因素限制，往往无法完全设置彼此不产生有害影响的分离式隧道。《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）[1]中关于并行两隧道彼此不产生有害影响，需考虑隧道平面线型、围岩地质条件、断面形状和尺寸、施工方法等因素。目前测量技术不断地完善和发展，也不乏隧道采取小净距进洞，曲线逐步过渡到分离式，再小净距出洞的情况。《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）[2]中增加了隧道洞口接线、结构设计、工期要求等因素，并对两洞间净距较04版规范Ⅴ级围岩3.5倍开挖宽度放宽至0.8～2.0倍开挖宽度。刘鹏飞[3]提出：当净距为10～15米时，未出现塑性区域贯通现象，隧道周边塑性区域基本在锚杆支护范围之内，隧道周边塑性区域也大大减小。

偏压隧道指围岩压力关于隧道结构中心面极不对称的隧道。吕康成[4]提出：当隧道轴线与地形等高线小角度相交或平行时，对于隧道工程来说便会出现地形偏压。隧道偏压问题实质上是隧道工程与边坡稳定的相互影响问题。并将坡体内有隧道的边坡分为：顺层边坡、半软边坡、匀质边坡。关于隧道偏压进洞已不乏研究，贾英凯[5]提出：由于先进洞埋深较深一侧洞体即对地层造成较大扰动，后续再开挖埋深较浅一侧洞体时，浅埋侧受二次扰动易变形，形成较大范围的剪切带和塑性区，由此说明先进洞埋深较浅一侧对围岩稳定性有利。徐前卫[6]提出：对于浅埋偏压隧道，掌子面内围岩的变形、初期支护的受力状态具有非对称性，靠近浅埋侧围岩的变形量小于深埋侧围岩的变形量且随各开挖步的影响显著，初期支护靠近深埋侧拱肩承受较大压应力，而浅埋侧拱脚则承受较大的拉应力。

隧道软岩大变形问题已屡见不鲜，易在隧道施工中出现初期支护侵限、仰拱纵向开裂甚至隆起、塌方等问题。有的软岩如泥岩、泥质砂岩更是有“遇风成块、遇水成泥”的特点，开挖掘进后封闭不及时，在与氧气接触后迅速崩解成块，裂隙密集发育，当地下水侵入后软化、泥化发生塑性流动，造成隧道施工成洞困难，极大影响施工进度和工程造价。

1 工程概况

某隧道按左、右线分离式设计。左线隧道里程桩号ZK89+170～ZK90+100，长930米，属中隧道；右线隧道里程桩号K89+140～K90+143，长1003米，属长隧道。设计进口净距24.3米，出口17.8米，出口为小净距。隧道区东侧400米为红河断裂，走向与隧道走向平行，该断裂形成于古生代以前，断层运动具有多期性，第四纪时期活动性仍然很强，断层活动方式以走向滑动为主。隧址区西侧约800米为牛街断裂，走向与隧道走向平行，该断裂发育有50～200米宽的挤压破碎带，为一压性构造，不属于全新世活动断裂。原设计岩性为：上覆第四系全新世残坡积粉质黏土，下伏二叠系上统泥质砂岩、钙质砂岩、砂岩和泥煤，见图1。岩色主要有：黄褐、褐红、青灰、灰绿、黑。地下水主要有：第四系松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类基岩裂隙水。

图1 隧道进口左幅地质纵断面图

不良地质有：①泥煤层；②崩塌位于距离隧道进口90米，基本无影响；③滑坡：K89+130左132米～K89+376左127米为H8号滑坡，离路线最近48米，对隧道基本无影响；④断层：设计里程ZK89+395～ZK89+420（洞身段）/K89+395～K89+420（洞身段）宽度约25米，为F3断层；ZK89+904～ZK90+014（洞身段）/K89+922～K90+032（洞身段）宽度约110米。

隧址区属中亚热带季风气候区，冬无严寒，夏无酷暑，气候温和，只有干季、雨季之别，总体偏干燥。

2 工程问题

该隧道于2021年4月29日开始左幅暗洞掘进，5月15日右幅暗洞掘进。6月27日左幅掌子面掘进至ZK89+266，右幅K89+207，先后行洞错开59米，洞内外观察和监控量测发现ZK89+246～+266段初期支护变形严重，最大侵限28.9厘米。因工期紧，左幅一边换拱、一边掘进，右幅同时掘进。

8月20日，左幅掌子面掘进至ZK89+314，右幅掌子面K89+302，先后行洞错开12米，发现洞内初支表面渗水量增大，排查洞顶地表，发现6条不规则裂缝，其中最大一处裂缝位于右洞右侧约40米处，沿纵向发育，长度约195米，宽度30～80厘米。

8月21日对洞内全面排查，发现左、右洞初支、二衬及仰拱段均有不规则裂缝，见图2；洞顶地表监测数据显示单日最大沉降量407毫米，施工单位立即封闭掌子面，暂停施工。经初期支护临时加固、围岩注浆加固、地表裂缝封闭后观测，洞内外均已稳定。

图2 某隧道仰拱纵向开裂图

3 成因分析

3.1 地质原因

原设计图提供的主要岩性为泥质砂岩、砂岩、泥煤，风化程度主要为强风化和中等风化，主要存在的不良地质为穿越F3、F4两个断层破碎带。洞内开挖主要岩性为泥岩和泥质砂岩互层，全～强风化，多不见层理，呈红、黑、白三色，且部分位置为散体状，可见明显挤压构造痕迹，见图3。结合原设计图和地勘资料，进口段残坡积风化层厚，为典型的断层破碎带影响区。后期隧道贯通后，发现该隧道穿越的岩层均是此类岩体，进一步证明隧道并不是横穿断层破碎带，而是纵向穿越断层破碎带及其影响区。此类散体状围岩无需爆破开挖，临空后裂隙密集发育，迅速松散成碎石土状，无自稳能力，极易发生大变形。因掌子面并无地下水，呈潮湿状，否则经软化后，产生塑性流动，会出现更大的灾害。

图3 左幅ZK89+312掌子面地质图

在地形上，隧道左、右幅均不同程度地存在偏压，双幅埋深均较浅，介于10～51米之间，左幅开挖至ZK89+312实际是地表箐沟正下方，埋深仅38米。

3.2 气候原因

经统计，在隧道施工期间，6月共计下雨14天，7月下雨21天，隧道进口端植被较发育，且发育箐沟，地表水的下渗，增大了洞内初期支护的围岩压力。地表开裂后，实际隧道拱部至地表裂隙已导通，地下水逐渐下渗，进一步软化围岩。

3.3 施工原因

①盲目抢工。因工期紧，在6月27日左幅初支出现大范围侵限后，就应立即停止施工，进行处治，待围岩和支护结构基本稳定后，再针对此类特殊围岩调整专项施工方案。但施工方左幅边换拱、边掘进，右幅同步掘进，左右洞的掌子面错开间距从59米缩短至12米。相关文献要求平行双洞的掌子面纵向错开距离一般应为3～5倍洞径，主要是考虑了双洞之间的施工扰动，并且以先行洞作为地质导洞，指导后行洞的施工。规范规定的软岩隧道小净距为2倍洞径26米，进口段左、右幅净距为27.3米，但相关文献证明，此类极软岩施工引起的周边围岩塑性区远远大于27.3米，此隧道平行施工的相互扰动因掌子面纵向错开间距的缩小实际是增大了。②施工引起边坡滑动。从此隧道左、右幅掌子面接近ZK89+320附近的箐沟，双幅隧道及其中夹岩、左幅左侧和右幅右侧一定范围的松散残坡积边坡产生了大范围的扰动，原稳定的斜坡产生了向隧道左侧和隧道内净空滑移，表现为地表大范围土体的开裂和洞内初支侵限、二衬和仰拱开裂，见图4。③支护闭环不及时不合理。进口段因围岩条件差，专项施工方案中为三台阶七步开挖预留核心土法。从开挖来看，隧道左、右幅均存在一定程度的中台阶、下台阶马口错开间距过小的情况，比如右幅8月2日左侧中台阶开挖桩号K89+269.15，右侧中台阶开挖桩号K89+267.95仅错开1.2米。开挖工序就一定程度地造成了台阶落底时较大的下沉，因是三台阶开挖，下沉就分为上台阶、中台阶、下台阶三个阶段，形成了对围岩的多次扰动，加之双洞小净距，扰动的围岩范围更大。从闭环来看，仰拱闭环周期最长的断面左幅ZK89+250位置达33天，二衬闭环更是长达43天。在施工的案例中，不乏软岩、膨胀岩仰拱闭环后仍不断产生沉降和收敛的情况。一般软岩隧道，要求仰拱闭环周期不大于14天。

图4 隧道地表裂缝示意图（灰线）

4 处治

处治主要分为三个阶段。一是在发现险情后的临时加固措施：封闭掌子面，改为由出口端掘进；初期支护表面增加I20a型钢护拱，纵向间距1.2米，并设置间距1米的纵向连接筋；采用长4.5米的Φ42注浆花管，按100×60厘米梅花型布置注浆加固围岩，见图5；二衬采用初支相同的参数临时加固，并观测。二是变形稳定后逐步拆除临时支护，缓慢更换侵限的拱部和腰部初期支护；对出现开裂的仰拱，采用长6米的Φ108钢花管，按100×60厘米梅花型布置注浆加固；二衬拱脚采用长9米的Φ108钢花管，按纵向间距120厘米注浆加固；三是后续施工段落的支护参数由SF5a型加强为SF5f型，大幅提升了复合式衬砌的承载力。

5 处治效果

施工单位按照经过专家论证的专项处治施工方案施工，并及时调整了出口掘进为主，进口处治完成并稳定后再掘进的计划，进口端顺利穿越箐沟，左幅于2022年9月30日，右幅于7月17日贯通。后期监测结果表明，隧道洞身和地标边坡未发生变形，处于稳定状态。

6 总结

某隧道施工期遭遇的小净距偏压平行软岩隧道大变形其成因相当复杂，通过总结可得到几点启示：①高原山区高速公路隧道地质条件极其复杂，在施工阶段应重视地质工作，施工单位应及时核查掌子面实际地质和设计存在偏差的情况，及时根据现场实际制定专项施工方案，真正做到“动态设计、动态施工”。②在施组阶段，施工单位应结合现场地形、地质条件，保证小净距平行双洞掌子面的错开距离，以充分发挥先行洞的地质导洞效果和减少平行双洞之间围岩的扰动。一般软岩隧道错开5倍洞径、硬岩隧道错开3倍洞径。③关于偏压平行隧道，应优先掘进靠沟侧，待埋深较浅支护结构稳定后，再掘进靠山侧。④软岩隧道应注意防范大变形问题，在施工中主要原则为：减少扰动、及时封闭、加强支护。“新奥法”施工理念中柔性支护、充分利用围岩自承能力在软岩隧道中存在一定的局限，软岩承载力低，变形大，柔性支护并不能有效限制围岩大变形。⑤对于特殊隧道工程，不应盲目抢工期，应结合地形、地质等条件制定专项施组，才能保证施工和运营期结构的安全。⑥径向注浆和隧道基底注浆加固周边围岩是处理软岩隧道大变形的有效措施。