隧道浅埋、偏压及软弱围岩研究与施工方法研究

唐能、刘志义、苏一波、崔盛站、夏黎黎

（1.云南楚姚高速公路有限公司，云南 楚雄 675000；2.云南利鲁环境建设有限公司，云南 昆明 650032）

0 引言

在高速公路隧道工程施工中,浅埋、偏压及软弱围岩隧道施工中产生的问题越来越突出，因此，有效分析和研判隧道周边环境及实际地质状况，制订有针对性的施工技术方案并根据具体动态信息不断进行方案调整，以满足工程需要就显得尤为重要和关键。在这样的背景下，本文对隧道浅埋、偏压及软弱围岩的研判和相应的解决方案进行研究。

1 工程概况

大坡隧道隶属于楚雄至大姚高速公路，位于楚雄州牟定县凹菠萝村及中屯村内，以侵蚀地形为主，土质主要以黄色粉质黏土为主，自稳性极差。

出口端左幅为V 级围岩，浅埋段，发生过两次重大塌方，表层覆盖层薄弱且均为堆积土，没有任何自稳结构，隧道初期支护承受整个土体的垂直压力，隧道开挖断面较大（三车道）。第二次进洞时采用环形开挖预留核心土法开挖，经过实践，该方法不适用于该段特殊地质结构。因此，根据围岩、支护结构受力特点、数据分析、施工经验等总结选取更好的开挖方法迫在眉睫。

2 洞口段浅埋、偏压围岩压力计算

2.1 洞口偏压情况

偏压隧道围岩压力计算设定偏压分布图（见图1）与地表坡面一致，则垂直压力总值Q为：

式（1）中：h、h'为内、外侧由拱顶水平至地面的高度（m）；γ为隧道上覆围岩重度（kN/m3）；B为隧道跨度（m）；θ为顶板土柱两侧摩擦角（°），参考表1 选取；λ、λ'为内、外侧的侧压力系数。

表1 各级围岩的θ 值

λ、λ'按下式（2）（3）计算：

式（2）～式（5）中：α为地面坡坡脚（°）；∅c为围岩计算摩擦角（°）；β、β'为内、外侧产生最大推力时的破裂角（°）。

偏压隧道水平侧压力的计算如公式（6）所示：

式（6）、式（7）中：hi'、λ'为内、外侧任意一点i至地面的距离（m）。

2.2 浅埋隧道围岩压力计算

在隧道开挖后，围岩的坍塌并不延伸到地表，即使不加支护，围岩的坍塌也是有限度的。当这种坍塌使洞室形状改变到一定程度后不再发展，而在围岩中建立起新的平衡。也就是说，隧道开挖后围岩力学形态将经历“平衡——变形、破坏、坍塌——应力重新分布——新的平衡”的过程，这种过程最终形成人们所熟知的“平衡拱”（见图2）。隧道上方的部分岩体承受着整个岩体以上的重力，根据荷载的具体分布及力的相互作用形成一个如同拱一样的承载环，并将荷载重力侧向传递下去，这就是围岩的成拱作用。

图2 平衡拱

式（8）中：h为平衡拱高度（m）；b为隧道跨度的一半（m）；fup为围岩坚固性系数。

我国现行隧道设计规范采用各级围岩坍塌高度的经验公式（9）如下：

式（9）中：S为围岩级别；B为隧道宽度（m）；i为围岩压力的增减率；以B=5m 的围岩垂直均布压力为准，当B小于5m 时，取i=0.2；当B大于5m 时，取i=0.1。因此，大坡隧道出口左幅的平衡拱高度为16m。

浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。其判定如式（10）所示：

式（10）中：Hp为浅埋隧道分界深度（m）；hq为荷载等效高度，算出的深埋隧道垂直均布压力（kN/m2）；γ 为围岩重度。在矿山法施工的条件下，Ⅳ～Ⅵ级围岩取Hp=2.5hq。因此，大坡隧道出口左幅浅埋隧道分界深度Hp=40m，荷载等效高度hq=h=16m。由于大坡隧道左幅出口段埋深平均为12m，因此埋深H小于荷载等效深度hq，此时荷载视为垂直均布压力，按公式（11）计算：

式（11）中：q为垂直均布压力（kN/m2）；γ 为隧道上覆围岩重度（kN/m2）；H为隧道埋深（m），指坑顶至地面的距离。

大坡隧道出口左幅埋深等于荷载等效高度时，垂直均布压力计算得q=320kN/m2，侧向均布压力为e=0.5q=160kN/m2；偏压隧道围岩压力计算得隧道垂直压力总值Q=1822.5kN/m2，偏压隧道水平侧压力计算结果为内侧ei=106kN/m2，外侧ei'=108kN/m2。根据数据分析得出,大坡隧道出口左幅洞口浅埋段隧道垂直压力较大，存在偏压现象[1-2]。

3 施工方法选定

大坡隧道出口浅埋段经过实地考察及垂直土压力荷载计算，最终研究决定采用中隔墙法（CRD）进行施工。虽然总体施工断面较密，大大增加了围岩的持续扰动次数，且初支全断面闭合的时间延长，但各施工区块开挖后立即各自闭合，所以在整个施工期间变形几乎不发展，能够得到有效控制[3]。

4 中隔墙施工工法

4.1 工法介绍

大坡隧道出口左幅CRD 法施工分上下两层、左右两侧共4 步施工。先进行左侧上导坑的开挖及支护，同时进行临时支护施工；左侧上导坑进尺3m 后，开始进行右侧上导坑的开挖及初支施工，同时进行临时支护施工；右侧上导坑进尺10～15m 时，左侧中、下导坑进行开挖及初支施工；左侧中、下导坑进尺3m 时，进行开挖和初支右中、下导坑施工，形成竖向中隔壁与横向临时仰拱支撑的网格状支护系统。最后把左右两侧中隔墙支撑浇筑到仰拱及填充中，拆除临时支撑施作二衬[4]。

4.2 施工步骤

CRD 法施工步骤见图3。

图3 CRD 法施工步骤平面图

4.3 开挖工艺流程及操作要点

隧道CRD 法开挖施工流程，见图4。

图4 隧道CRD 法开挖施工流程图

4.4 洞身开挖

洞身开挖应注意超欠挖等问题，原则上不应欠挖，也不宜超挖太多，当围岩石质坚硬、完整时，允许个别岩石突出部分侵入衬砌。拱脚和墙脚开挖时要求更加严格，该处1m 范围内严禁欠挖。

4.5 超前小导管

超前小导管长4.5m，外径42mm，壁厚3.5mm 热轧钢花管；V 级围岩环向间距30cm，纵向前后相邻两排小导管水平投影搭接长度不小于150mm；外插角5～10°，可根据实际情况调整；1∶1 水泥浆、渗水位置采用双液浆；拱部120°范围。

4.6 钢架施工

钢架加工完成后进行试拼，无扭曲错位现象，拼装偏差为±5cm，平面翘曲度控制为2cm。在开挖或初喷混凝土后及时架设钢架。安装前要清除底部及周边虚渣与杂物，底脚要置于牢固的基础上，钢架架身要尽量密贴围岩并与锚杆焊接牢固。拱脚设置长度不小于4.5m 的φ42×4mm 锁脚小导管，针对特殊地质环境应增加锁脚小导管数量；应注意钢架的受力，下半部开挖后及时落底接长，封闭成环。

4.7 锚杆施工

中空锚杆施工前应检查锚杆是否有异物堵塞，确保中空锚杆杆体顺直、排气管通畅；锚杆孔的孔径、力学性能是否符合设计要求；锚杆插入孔的中心，入孔长度不得小于设计长度的95%。

4.8 钢筋网施工

钢筋网采用φ8 钢筋15cm×15cm；在初喷4cm 混凝土后铺挂钢筋网片，使钢筋网片与喷射混凝土形成一体，且钢筋网片喷射混凝土保护层的厚度不小于2cm。钢筋网施工要紧贴开挖岩面，有效搭接长度为1～2 个网格，相邻网片采用焊接连接，并与锚杆、钢架或其他固定装置焊接牢固。保证钢筋网喷混凝土保护层厚度不小于3cm。

4.9 喷射混凝土施工

喷射混凝土要严格按照中心试验室及相关试验要求的喷射混凝土配合比，施工喷射混凝土厚度按照设计要求、围岩级别进行控制；施工原材料进行电子计量配料，严格按配合比，搅拌时间不少于2min。

4.10 监控量测

监控量测主要内容：洞内、洞外沉降观测，地表沉降观察，拱顶下沉量测、净空收敛量测，洞口段沉降观测。需严格按照设计资料进行监控量测，并及时整理和反馈监测信息成果，为动态施工提供基本依据[5]。

5 中隔墙拆除

5.1 临时支撑拆除的施工条件

当CRD 法施工各部开挖支护、仰拱填充完成后，进行洞内监控量测，以便及时关注拱顶沉降情况，观测初期支护体系封闭成环后的变形情况，经数据分析确认沉降变形在正常范围内，方可拆除临时支撑钢架。

5.2 临时支撑拆除的施工步骤

拆除钢架具体步骤如下（见图5）：

图5 临时支撑拆除示意图

一是拆除1 部位临时仰拱；二是拆除2 部位临时仰拱；三是拆除3 部位临时仰拱；四是拆除4 部位中支撑；五是拆除5 部位中支撑。

5.3 临时支撑拆除施工要点

为确保安全，在拆除临时支撑前，先选取洞口大管棚段5m 进行拆除试验。

采取隔3 拆1 的方法，在中支撑钢架顶部切开2～3cm，及时监测，并分析数据，观察隧道变形量和变形速率。若隧道变形量和变形速率在允许范围内时，则采取隔1 拆1 的方法，同样需要及时观测隧道变形量和变形速率，严禁连续切开钢架。分析监控量测结果，变形稳定后，确定隧道初支的稳定性。凿除喷射混凝土过程中应做好安全防护，作业区前后设相关标示标牌，并安排专人值班。应自上而下逐榀钢架进行凿除，下方严禁行人、机械通过。

采用装载机配合拆除临时仰拱时，先抬起装载机料斗端住临时仰拱钢架，切开连接筋，去掉与各支护的螺栓连接，切开焊接处后，用装载机抬走钢架。拆除中支撑时应注意前后的连接关系，利用下一榀中支撑钢架，采用绳索固定该中支撑钢架上部和下部，然后去掉与初支的连接螺栓，切断该钢架的所有连接筋。先放松上部连接绳索，慢慢放倒钢架，放倒后，解除上部、下部绳索。

钢架拆除过程中，应注意拱顶的变形情况，发现拱顶异常时，应及时暂停拆除，并采取适当措施进行临时支撑的加固。出现特殊情况时，即刻拉动警报，及时通知洞内人员撤出。

6 结语

洞口段是隧道的喉结，施工前要做好充分调查，全面考虑，确定合理的施工方案，利用岩体力学的理论与方法，充分发挥隧道围岩的承载能力，合理地设计支护结构，实现隧道围岩与支护共同承载，变传统矿山施工法的被动支护为主动支护，达到隧道少支护的目的。该项目浅埋、偏压及软弱围岩隧道施工中出现的有关问题，经过各方的研究和处理，对其他类似隧道具有一定参考意义。