公路隧道洞口变形侵界处理方法

于海龙 王 飞

(安徽省交通规划设计研究院有限公司，安徽合肥 230088)

0 引言

在山区修建高速公路隧道工程的过程中，常遇到一些不利于隧道施工的地质情况，如隧道洞口段的浅埋、偏压、岩溶等现象。在隧道施工开挖过程中，由于各种因素的影响都可能发生土石坍塌、坑道受压、支撑变形、衬砌结构断裂等施工问题，严重影响施工进度、安全和质量，甚至对以后安全运营造成威胁。因此，如何处理隧道在不良地质条件下施工中出现的问题有着重要的意义。

1 工程地质概况

佛岭隧道为分离式单向双车道，隧道左线长3 704 m，里程桩号ZK24+459～ZK28+163，隧道左线进口端洞口位于山谷斜坡坡脚位置，隧道入口处坡向朝北，山坡自然坡度较陡，上覆角砾土层厚约0.5 m～2.0 m，洞门岩石为砂岩与泥岩岩组，洞门以后夹薄层花岗闪长岩。砂岩与泥岩岩组呈薄～中厚层状构造，花岗闪长岩呈块状构造，但岩体节理裂隙发育，岩石风化强烈，强度较低，遇水易软化，整体稳定性差。另外，在隧道进口处有一断裂破碎带，与路线在洞口处斜交，该断裂破碎带较宽，在地貌上表现为冲沟，第四系覆盖层较厚。隧道进口处受断裂破碎带影响，岩石破碎，因此成洞条件较差，围岩易产生坍塌、冒顶。

2 洞口变形情况及原因分析

2.1 洞口变形情况

佛岭隧道施工中遇连续下雨，隧道左线洞口上、中导开挖及初期支护完成了200多米，下导半断面开挖、支护完成了17 m。在后序仰拱紧跟的施工过程中，由于强降雨天气影响，隧道洞口地表渗水严重，泥浆从洞内初期支护背后渗流出来，洞口段初期支护横向发生急剧变形，并造成山体沉陷变形开裂，产生了大范围地表沉降裂缝(见图1)。根据现场调查和施工人员测量复核分析，隧道左线ZK24+475～ZK24+487段埋深只有2.0 m～4.5 m，该段初期支护横向变形达1.2 m，地表沉降变形达0.8 m(见图2)，支护已经严重变形侵限，ZK24+487～ZK24+525段初期支护收敛变形较大，喷射混凝土开裂脱落，部分钢拱架裸露，其中ZK24+487～ZK24+510初期支护轮廓线已经有不同程度侵限，二衬施工厚度已不能满足要求。ZK24+475～ZK24+515段地表覆盖层已经松动开裂，地表横向裂缝长度达19.0 m，对后面山体覆盖层稳定性有一定影响。

2.2 原因分析

2.2.1 气候降雨影响

由于隧道埋深浅，在施工期间遇到连续降雨，雨水渗透快，地表覆盖层岩体受降水侵蚀后，产生湿陷及饱和流塑状态，在短时间内减弱甚至丧失了原岩的承载和自稳能力，洞身支护结构由承载体转换为受压体，侧向压力、上部土压力荷载急剧增大。初期支护背后泥岩岩体及覆盖层内碎石土体受雨水侵蚀风化，已经崩塌裂解，发生流变现象，支护背后形成空洞现象。另外，隧道洞口段沉陷变形发生期间遇到强降雨天气，洞口积水较严重短时间内无法排出。

图1 洞口段地表沉降开裂

图2 洞内初期支护严重变形侵限

2.2.2 地质状况影响

据现场观察，隧道洞口出露的地层为角砾土层，下伏基岩为强风化泥岩和砂岩岩组，隧道洞口断裂面岩层不一致，左侧地质条件差，岩体破碎，结构松散，属软弱地层，围岩自稳、承载能力有限，而右侧为整体性好的石质岩层。据此判断，该处属地层构造带，岩层接触面较明显，左右侧地质不对称为后面滑塌变形创造了条件。另外，隧道支护基础岩层为强风化千枚岩与泥岩岩组，吸水后基础承载力降低，容易丧失稳定性。

2.2.3 施工工艺因素

在施工过程中，洞口下导坑已经开挖成形，仰拱锚喷支护施工作业已完成，衬砌钢筋已经绑扎，仰拱混凝土没有及时浇筑，形成支护拱架悬空的局面。地表覆盖层沉降变形过大，加上洞口地形的不利影响，覆盖层岩体沉降对拱架挤压，造成拱架横向变形过大。由于支护拱架之间通过纵向连接钢筋形成整体受力状态，洞口ZK24+475～ZK24+487段初期支护变形延伸至后面，导致ZK24+475～ZK24+515段初期支护结构在很短的时间内呈不同程度的变形破坏。

3 变形处理技术方案

3.1 处理方案依据

根据相关专家技术人员讨论分析，在对洞口沉陷变形段加固处理时，首先应减小地表水的影响，洞口段地表沉降产生了大范围的地表裂缝，加上降雨正持续进行，需对已下沉的地表覆盖层进行覆盖，避免雨水汇入沉陷变形岩体内，增大自重荷载。地表沉降裂缝应采用黏土回填夯实，避免雨水渗入，同时在裂缝区域周围地表设置排水沟，引排地表水。其次，应对洞口段围岩采取注浆加固措施，改善岩层物理力学性能，提高其整体稳定性;然后，对洞口段地表采取加固措施，避免松动覆盖层及后面山体滑塌。在地表覆盖层稳定后，根据隧道洞口ZK24+475～ZK24+525段初期支护具体变形情况以及现场施工条件，选择挖除或换拱方案。

3.2 施工处理方案

1)洞口ZK24+475～ZK24+487段埋深仅为2.0 m～4.5 m，该段地表沉降达0.8 m，洞内初期支护拱架变形达1.2 m，采取换拱+注浆加固处理方案造价过高，施工难度较大，故将该段调整为明洞，将该段地表覆盖层与洞内已变形支护拆除，临时边坡采取喷锚+钢筋网加固处理措施，喷射混凝土厚度为20 cm，锚杆采用φ22砂浆锚杆，长度4.0 m，间距1.0 m×1.0 m，采用φ8钢筋网，网格间距为20 cm×20 cm。

2)洞口ZK24+487～ZK24+525段地表覆盖层为碎石土与强风化砂岩与泥岩岩组，厚度为4.5 m～14.0 m，该段地表覆盖层沉降变形较大，洞内初期支护喷射混凝土开裂脱落，部分钢拱架裸露，洞内支护收敛变形较大。为确保该段洞内安全，对该段开裂部位及裸露拱架进行混凝土补喷，然后对覆盖层岩体采取径向小导管注浆加固处理措施，导管采用φ50 mm×5.0 mm注浆小导管，间距1.0 m×1.0 m，长度6.0 m。

3)洞口ZK24+487～ZK24+515段地表沉降变形过大，地表覆盖层松动破裂，整体稳定性差，为避免该段与后面山体覆盖层在施工过程中滑塌，对ZK24+487～ZK24+520段采取地表锚杆加固处理措施，锚杆采用φ25中空注浆锚杆，间距1.5 m×1.5 m，长度采用4.0 m～6.0 m，锚杆间距和长度可根据覆盖层厚度进行局部调整。

4)洞内ZK24+487～ZK24+510段初期支护变形较大，其支护轮廓线已经侵入隧道限界，故对该段采取换拱方案。换拱时首先要做好套拱及超前管棚加固措施，然后再进行拱架更换施工。

3.3 施工工艺及工序

在对洞口变形段加固处理时，施工人员应严格按照“洞内径向小导管注浆加固—洞口段地表锚杆加固—洞口ZK24+475～ZK24+487段拆除—洞口套拱设置与超前管棚—洞内侵界段换拱”的施工工序进行施工。洞口ZK24+475～ZK24+487段拆除应等地表覆盖层稳定后方可进行，在施工过程中，对洞口ZK24+475～ZK24+487段已严重变形支护可增设临时支撑等辅助措施，洞内其他变形段也根据现场情况设置施工辅助措施，确保施工人员安全。

在换拱施工时，采用风镐凿除原表层喷射混凝土，破除宽度满足型钢安装空间要求即可，然后根据欠挖深度进行深层凿除，直至深度满足设计净空要求，截断拱架须拆除的部位，将已加工好的型钢与原型钢进行焊接，并使用角钢用于型钢连接部位的加强，同时将原设计的纵向连接钢筋焊接于新安装型钢之上，加密布置新换型钢的纵向连接钢筋及钢筋网片。拱架更换工作完成后检查新换型钢的牢固性，满足要求后，重新采用人工持风镐破除下一榀需要换拱位置之间的混凝土，施工方法相同，两榀新换型钢安装完成后，破除旧型钢之间岩面凸出的喷射混凝土，满足设计净空要求后，将两榀型钢之间的纵向连接钢筋、钢筋网片连接，喷射混凝土，以此继续进行下一循环。

4 施工中的问题及解决措施

4.1 存在的主要问题

1)在施工过程中，由于覆盖层内岩层裂隙水已饱和，初期支护背后空洞较多，浆液向空洞内充填并不能对开挖起到稳定作用，注浆效果差，同时又造成浪费，如何防止浆液向空洞内渗流也是注浆中的关键环节。洞内施工时增设了临时支护，施工操作空间较小，操作困难，危险系数大，为此调整为地表注浆。

2)管棚孔的施钻过程中，经常碰到原始支护内锚杆，存在卡钻、掉钻头、退钻与顶管困难等问题，从而导致钻孔成孔与下管极其困难。

4.2 主要技术措施

隧道地表塌陷较严重，根据现场调查情况分析，地表变形为沉降，裂缝延伸至地表覆盖层1.0 m左右厚度范围内，故采取了清除地表1.0 m厚的覆盖层，采用喷射混凝土将地表覆盖，避免降雨对洞口段影响，同时对地表采取注浆措施。管棚施设较困难，换拱必须配合管棚才能完成，根据管棚施工情况，在洞内采取超前小导管配合换拱施工，确保施工安全。

5 结语

隧道洞口段一般埋深较浅，地质条件差，施工开挖时拱顶不稳定的表现较明显，一旦拱圈不能发挥应有的作用，就会产生很大的松弛压力。另外，由于隧道埋深浅，设计时按土体厚度计算的结构荷载并不大，在此种情况下隧道更容易受地形、地质、水文、降水、落石、地震等因素的影响。因此，隧道洞口段施工时，由于支护结构本身受力影响，再加上外部不利条件因素，洞周围岩容易丧失原有的承载能力，导致隧道结构短时间内承受荷载突然增加，引起结构的突然破坏。

隧道洞口处在不良地段时，在有条件的情况下，应采取一些辅助工程措施，改善岩层物理力学性能，减小外部因素对洞口施工影响。在施工过程中，合理控制施工工法及工艺，尽量减少对围岩的扰动。同时，应加强洞口段地表沉降观测及洞内支护收敛变形监控措施，并根据监控数据对支护参数进行优化设计，确保洞口施工安全。

［1］ JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］.

［2］ 关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［3］ 刘志刚，赵 勇.隧道隧洞地质施工技术［M］.北京:中国铁道出版社，2001.

［4］ 关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］ 李晓红.隧道新奥法技术［M］.北京:科学出版社，2002.