隧道下沉控制方法.doc

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交通土建
勐连1号隧道浅埋、破碎地质段施工技术
【摘 要】 保腾高速公路项目勐连1号隧道腾冲端浅埋、破碎地质段隧道施工中，经过调整开挖方式、浅层处治，加强初支、二衬的方式，解决了初支下沉量、位移大的问题，顺利通过了该段地质，为软弱破碎地层隧道施工积累了一定的经验。
【关键词】：隧道 浅埋破碎地质 施工技术

1、工程概况
云南保山至腾冲高速公路七合同横山段位于保山市腾冲县境内。合同段保腾公路7合同段勐连一号隧道设计为双向4车道分离式隧道，其中左幅（保山端K30+935～K32+286腾冲端）全长1351m，右幅（保山端K30+907～K32+288腾冲端）全长1381m，设计地质主要为全强风化褐灰花岗岩，山体节理裂隙发育、围岩软弱破碎，岩层间结合力弱、自稳能力差，开挖侧壁经常失稳易坍塌，，地下水分布呈散状局部集中股状，易造成洞室开挖坍塌，山体横坡较陡，存在不同程度的偏压，隧道通过两条断层。
2、前期设计及施工情况
该隧道施工采取四个口双向对挖施工，其中腾冲端左、右幅在完成套拱管棚及明洞施工后，先后进洞施工，进洞施工段落设计为 级，开挖采取三台阶五步法，设计各项支护参数： 6米长注浆小导管超前支护，每循环53根、间距30cm，搭接长度1.15米；初支支护为 I18工字钢、25cm厚喷射混凝土、φ6双层钢筋网15×15cm、4米长φ25中空注浆锚杆（间距60×70cm梅花形布置）、4根4米长φ25砂浆锁脚锚杆，预留变形量15cm；二衬为φ22环向主筋间距25cm，φ18水平筋、φ8支撑筋间距均为50cm，厚度60cm。
在左、右幅进洞施工60多米段落期间，洞顶仰坡多次开裂、滑塌，洞顶山体多次开裂变形，隧道施工短期内地表下沉和拱顶下沉速度过快，下沉变形量较大，造成二衬厚度不足或没有二衬厚度，经过连续不断的监控量测，右幅K32+226处地表累计下沉110cm 、拱顶累计下沉73cm，拱腰收敛值累计达45cm，左幅K32+229处地表累计下沉125cm、拱顶累计下沉79cm、拱腰单侧收敛累计51cm。具体表现为地表裂缝50多cm宽度，错台最大处接近1米，洞内工字钢扭曲，初支呈网状开裂，左右幅各有近20多米的段落初支下沉造成二衬厚度不足或没有二衬厚度，已完成二衬有多个段落出现隧道纵向裂缝。
3、原因分析
根据隧道设计地质资料及现场调查，勐连一号隧道腾冲端左右幅隧道洞口至 K32+080段约200米长地段，隧道顶山体覆盖层在5-35m厚，在K32+080处有一冲沟沿隧道顶横穿，该处覆盖层仅有5米多厚，该冲沟两头顺延环绕左右幅隧道，山体沿隧道纵、横向横坡陡，存在偏压；地质为全分化岩层，围岩软弱破碎，层间结合力弱自稳能力差；地下水丰富，地下水降低了围岩的承载力和消弱了层间结合力；该段隧道在一个围岩软弱体内穿过，拱部围岩整体下沉，其下沉力由钢拱架传递至锁脚锚杆或小导管处，周围软弱围岩、锚杆和钢架一起下沉。隧道施工时在很短的时间内地表即出现开裂、下沉、变形，造成隧道支护衬砌背后山体压力较大，引起隧道下沉变形等一系列问题。
4 处治方案
针对初支下沉快、挤压变形大的问题，结合实际施工情况，及时进行了从洞口加固、洞内开挖方式改变、超前和初期支护加强、二衬补强等方案调整，确定平稳过渡后再行回头处理二衬厚度不足段落。具体施工措施如下：
4.1 浅层处治
由于前期的下沉开裂，导致了洞口仰坡、边坡、地表多处出现开裂，为了防止雨水随裂缝进入山体，进一步增加山体自重、减弱山体的内在应力、自稳能力，需要对裂缝进行回填；同时，由于前期仰坡塌方，导致了该处的偏压进一步加大，需要对仰坡进行回填。具体处治措施为：
(1)、小裂缝采用人工填塞粘土夯填找平，大的裂缝用砂浆或喷射砼封闭，夯填找平后对于大的裂缝位置铺设塑料膜再行填土覆压拍实，喷射砼脱空处，清除脱空砼，裂缝夯填后重新喷射砼封闭，并设置裂缝观测点集中重点观测；
(2)、由于左幅仰坡前期仰坡开挖时多次塌方，变缓坡比后，仰坡高度过高，同时山体松散，洞内施工时，初支压力大。因此在仰坡第一、第二级处增设钢管桩。本处仰坡处治钢管桩采用了15米长、φ108无缝钢管，注10号水泥浆，钢管上梅花形布置漏浆孔。同时为保证仰坡自身坡面稳定，仰坡采用锚索框格梁处置。
(3)、由于该仰坡面塌方造成了左幅隧道偏压，因此需要对该处仰坡进行回填，回填高度根据实际地形，尽可能高。
4.2 调整开挖工法
短台阶法在前期施工中，虽然采用刚性很大的辅助工法，但初支因断面大、隧道本身地质太差，控制隧道下沉、位移的效果不是很好。因此，决定对隧道的开挖方式进行了调整：将三台阶五步法调整为交叉中隔壁法（CRD工法）进行施工。其具体的施工工艺如下：
(1)、施工理念
CRD工法施工将隧道的大断面化成小断面施工，各个局部封闭成环时间段、每个步骤的受力体系完整，结构受力均匀，变形小、控制早期沉降效果显著。
(2)、施工方法
隧道分侧分层进行开挖，分部封闭成环，具体开挖顺序见交叉中隔壁法开挖横断面示意图。每开挖一部，均及时施作锚喷支护、安设钢架、施作中隔壁、安装底部临时仰拱。一侧超前的上、中部，待初期支护完成且喷射混凝土达到设计强度70%以上时再开挖隧道的另一侧的上、中部，然后开挖一侧的下部，最后开挖另一侧的下部。左右交替开挖每一部的开挖高度、长度根据地质情况及隧道断面大小而定。本隧道确定了上台阶支撑高3.1米、中台阶中支撑高4米，左右部分错台5-10米、上下台阶错台5—10m。

4.3加强超前支护、初期支护参数
由于隧道岩体破碎、开挖时掉块、局部垮塌严重，为了减少开挖塌方的可能性，提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性，更好的使超前支护、初期支护与固结岩体形成一个具有一定强度的壳体，对本隧道的超前和初期支护进行了加强，具体为：
4.3.1 加强超前支护
(1)、将小导管的由原来的53根、单层、间距30cm改为79根、双层、间距40cm；
(2)、由于小导管打设角度（设计7 度）及实际施工不易控制小导管的偏移量，将小导管长度由原来的6米缩短到4.5米，搭接长度由原设计1.155米调整到2.1米;
4.3．2 加强初期支护
从前期施工中多次出现初支整体下沉、I18工字钢扭曲变形、喷射混凝土开裂、中空注浆锚杆注浆效果差、多循环初支整体连接性差等情况下，将隧道初支进行了加强，具体如下：
(1)、加强初支刚度，将原设计的I18工字钢改为I22工字钢，同时将将喷射混凝土厚度由25cm提高到29cm；
(2)、为改善注浆效果，更好的固结岩体，使初支能够和周围岩体形成一个受力整体，将原设计39根4米长、φ25中空注浆锚杆，改为.5米长、 φ42注浆小导管；
  (3)、将多榀工拱架在中台阶拱脚增设1cm厚钢板，并焊接在一起，确保整段工字钢整体受力，同时为控制下沉，在上台阶左右侧拱脚分别增加4根、4.5米长、φ42注浆小导管，并用钢板焊接固定在工字钢上，中台阶左右侧分别增设2根、6米长、φ51自进式锚杆。
4.4、加强二衬设计
由于大变形隧道要按照初支基本稳定后再施工是很难达到的，因此二衬的施做时间较早，不可避免的会受到流变荷载的作用，同时结合前期已施工的二衬混凝土便面出现小裂纹，需要对二衬参数进行加强，具体为：将二衬钢筋由原设计的φ22二衬环向主筋间距由25cm缩小到20cm，φ18水平筋、φ8支撑筋间距由50cm缩小到30cm，厚度由60cm调整为70cm。
4.5、施工注意事项
(1)开挖注意事项
A、做好各开挖台阶、工序监控量测的细部工作，及时提供施工指导意见。包括施工预留沉降量、初支、二衬各工序施工时间安排,以调整支护参数调整；
B、开挖后及时施做初期支护、临时仰拱，尽早封闭成环；
C、 施工中随时关注中隔壁下的地基稳定情况；
D、开挖后有渗水或股流水时，凿眼安设套管集中引排，使其不漫流。
E、 临时支护应在全部开挖和初期支护完成，并形成全断面环形封闭，且围岩变形收敛后进行。每次拆除长度不应大于6m，并立即进行仰拱施做。
(2)、为了确保初支不侵限，结合前期施工经验，将拱顶初支预留沉降量增大到50—70cm、拱部增到到30—60cm；
(3)、严格控制超前小导管、径向小导管、锁脚小导管、锁脚自进式锚杆等注浆的质量，确保浆液能够扩散到岩体，如果注浆效果达不到要求，需要进行补注；
(4)、严格控制超前小导管的辐射角度、间距、长度；
(5)、加强隧道量测，及时反馈数据，用测量数据指导施工、边改设计方案；
(6)、加强对隧道施工时间、空间控制，早封闭、及时施做二衬。针对本隧道，根据量测数据显示，要求按照仰拱与掌子面里程不超过10米、二衬与掌子面里程不超过25米、同里程初支与仰拱的施工时间不超过20天的施工原则进行施工。
本隧道通过洞口加固、加强支护参数、改变开挖方式施工后，隧道下沉、位移变形得到了明显的控制，顺利通过了该段地层。
6、施工总结与探讨
在顺利通过保腾高速公路项目勐连1号隧道腾冲端上述浅埋、破碎地质段隧道施工后，主要总结为以下几点施工理念：
(1)、总体施工理念为：管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、速反馈；
(2)、隧道监控量测为非常关键之措施，其监测结果直接指导设计与施工，因此此项工作必须及时、准确； V级围岩设计规范一般要求，初支预留沉降量为15cm，本隧道就是根据监控量测数据反馈，预留沉降量提高到了50—70cm，允许初支有一定程度的变形后进行强力支护；
(3)、一般开挖时，需要综合考虑工期、安全、质量、成本等各方面因素，确定开挖方式，但在必要时，必须暂不考虑成本，改换成有效的开挖方式，确保施工质量、安全；
(5)、隧道的支护要考虑时间、空间效应，仰拱、二衬的施工时间、距离尽可能短；
(6)、由于围岩自稳能力几乎没有，因此早期必须尽量提供强力的支护措施；
(7)、规范上要求二衬施工应在初支稳定后进行（二衬起保险作用），但是浅埋段隧道由于隧道荷载明确，因此在采用了加强初支、二衬的辅助措施后，可以提前施做二衬，给围岩强有力的支护，控制围岩变形，避免变形过大引起初期支护的破坏和围岩的失稳。
(8)、CRD工法虽然极大的改善了围岩的下沉、位移、变形，但是由于临时支护多、施工技术复杂、施工机械化很低，导致隧道施工成本上升、进度很慢、工期严重滞后；同时，勐连1号隧道腾冲端浅埋段里程不长，洞顶覆土不高，因此在施工单位立场上，可以在不改变开挖方式的情况下，采用高压旋喷桩、地表垂直锚杆法、地表压浆等方法加固地层、加强初支、二衬参数的处置方案渡过，但与业主的节约成本的理想不合。
5、结束语
当隧道在浅埋、破碎、松散围岩地层通过时，经常出现大下沉、大变形等地质灾害，是很多项目隧道施工的共同问题。保腾高速公路项目勐连1号隧道腾冲端浅埋、破碎地质段隧道施工时，明确了大变形的控制性因素，通过对岩体结构进行分析，合理的改变了预留沉降量，并对隧道支护参数进行了加强，构建的新的支护体系，改变了开挖工艺，最终通过该类地质，能够对其它类似隧道起很好的借鉴作用。

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