淺埋偏壓小凈距隧道施工病害處治技術(shù)

劉涇堂

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

伴隨國家交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，越來越多的淺埋偏壓小凈距隧道出現(xiàn)在工程實(shí)踐中，施工過程中由于受到多重不利因素的耦合效應(yīng)，相較常規(guī)隧道，淺埋偏壓小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖力學(xué)效應(yīng)更復(fù)雜、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高[1]。

對(duì)于淺埋偏壓小凈距隧道，國內(nèi)外已有不少相關(guān)研究。1981年Dhar[2]對(duì)不同位置關(guān)系的雙線隧道進(jìn)行了洞室失效機(jī)理的研究實(shí)驗(yàn)，指出巖柱為影響洞室整體穩(wěn)定關(guān)鍵部位；靳曉光等[3]結(jié)合工程實(shí)踐，通過二維、三維彈塑性有限元數(shù)值仿真模擬，分析了隧道開挖順序?qū)鷰r破壞接近度、圍巖變形位移以及對(duì)空間圍巖體塑性破壞和位移的影響，指出小凈距偏壓隧道合理開挖順序?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定和支護(hù)措施優(yōu)化有很大影響。姚勇等[4,5]采用二維和三維彈性、彈塑性數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)小凈距隧道中間巖柱受力、變形特點(diǎn)、小導(dǎo)管注漿加固效果及復(fù)合襯砌力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析研究。前人對(duì)淺埋偏壓小凈距隧道中夾巖的力學(xué)性能及洞室開挖方法研究較多，但鮮有對(duì)該類隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害、破壞、失效后的處治措施進(jìn)行研究。

臨夏至合作高速公路曲奧隧道屬淺埋偏壓小凈距隧道，施工過程中發(fā)生了嚴(yán)重的施工病害。經(jīng)過處治后，結(jié)構(gòu)再無新的裂縫產(chǎn)生，通過對(duì)加固處治后的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)顯示，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形處于正常值范圍內(nèi)，并逐漸趨于穩(wěn)定。說明本次處治措施合理有效，可供類似工程借鑒。

1 施工病害概況

曲奧隧道是一座左、右線分離的四車道高速公路短隧道，屬小凈距隧道。右線起訖樁號(hào)YK39+846～YK40+166，長320 m；隧道左線起訖樁號(hào)ZK39+833～ZK40+177，長344 m。最大埋深60 m，左右線最小凈距9.6 m，屬小凈距隧道。隧道進(jìn)口端位于大夏河右岸岸坡，自然坡度40°左右。洞線走向與等高線小角度斜交，淺埋段偏壓嚴(yán)重。該隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。隧道進(jìn)口端表層為第四系坡積碎石土（），覆蓋層較厚，結(jié)構(gòu)松散，局部具架空結(jié)構(gòu)。下伏基巖為三疊系砂質(zhì)板巖夾砂巖、灰?guī)r（T1），巖石較軟弱，巖體破碎，為Ⅴ級(jí)圍巖。

施工過程中，曲奧隧道右洞進(jìn)口洞口段YK39+862～YK39+952二襯左側(cè)拱腰出現(xiàn)多處縱向裂縫，最大裂縫寬度4.15 mm，拱頂部位也出現(xiàn)少量裂縫，見圖1。YK39+870～YK39+906段仰拱填充層開裂，裂縫位于路面邊溝附近，沿隧道縱向延伸，裂縫寬度1～10 mm不等，見圖2。左洞ZK39+894～ZK39+898段二襯左側(cè)拱部存在兩條裂縫。

2 施工病害分析

本隧道進(jìn)口洞口病害段為淺埋偏壓小凈距段，且地質(zhì)為第四系坡積碎石土，揭露層厚達(dá)17.4 m，主要由碎石、塊石及粉土混雜組成。

圖1 二襯縱向裂縫

圖2 仰拱開裂

上述情況使得隧道結(jié)構(gòu)受力極為復(fù)雜，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受顯著不對(duì)稱的圍巖壓力，整個(gè)洞室受力不對(duì)稱，不均勻沉降嚴(yán)重；兩洞相距較近，中夾巖地質(zhì)較差，圍巖自穩(wěn)能力弱，后行洞的施工對(duì)先行洞結(jié)構(gòu)影響較大；隧道開挖以后，部分區(qū)域襯砌承受較大的圍巖壓力，襯砌結(jié)構(gòu)剪切力、拉應(yīng)力較大，從而造成該區(qū)域二襯混凝土的拉裂現(xiàn)象。

另外，隧道洞口段的圍巖對(duì)開挖施工較為敏感，容易受到擾動(dòng)而失穩(wěn)，外界雨水下滲到巖土體內(nèi)，進(jìn)一步劣化圍巖自身的穩(wěn)定性。洞口段仰拱基底承載力不均衡造成仰拱及仰拱回填層被拉裂。

3 處治措施

結(jié)合本隧道施工病害的各種成因，研究分析原設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)病害監(jiān)測(cè)成果后，考慮施工安全性、便利性和處治費(fèi)用等因素，確定本次施工病害的處治應(yīng)從穩(wěn)固地層、提高支護(hù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固三個(gè)方面著手。鑒于二襯開裂地段裂紋處于不斷發(fā)展過程中，地層尚未穩(wěn)定，因此將穩(wěn)固地層做為本次病害處治的核心。具體處治措施如下：

（1）中夾巖地表注漿加固

YK39+856～YK39+914.5段拱肩部位埋深較淺（拱肩覆蓋層小于7 m），且松散坡積碎石土較厚，偏壓嚴(yán)重，為穩(wěn)固地層減小該段襯砌圍巖壓力，對(duì)該段中夾巖地表進(jìn)行注漿加固，見圖3。導(dǎo)管采用外徑89 mm、壁厚6 mm的熱扎無縫鋼管，鋼管內(nèi)增設(shè)3根22鋼筋束，導(dǎo)管間距75 cm×75 cm，梅花狀布置，鋼管深入基巖深度分別為3 m、5 m，間隔布置。漿液采用水泥漿，水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力為0.5～1.5 MPa，單孔漿液擴(kuò)散半徑不得小于100 cm。

圖3 中夾巖加固立面示意圖

（2）仰拱基底加固

圖4 仰拱基底加固處治橫向布置示意圖（單位：cm）

仰拱下基底加固處理后，仰拱回填層開裂位置每側(cè)各75 cm范圍進(jìn)行鑿除，鑿除深度至仰拱頂面，對(duì)仰拱裂縫進(jìn)行注漿處理，注漿后采用C20混凝土填筑至回填層頂面。

（3）二襯裂縫處理

對(duì)裂縫寬度大于0.3 mm的二襯開裂段，根據(jù)裂縫的深度采取以下措施：

a.裂縫深度小于5 cm的，采用低壓速灌法進(jìn)行灌縫處理。對(duì)表面裂縫鑿成U形槽，寬2 cm，深1 cm，清理后用丙酮將槽面擦拭干凈，U形槽內(nèi)采用環(huán)氧樹脂砂漿填塞，并采用環(huán)氧樹脂漿液涂刷表面。壓漿嘴采用長4 cm的5 mm鋼管，沿裂縫鉆孔，間距100 cm。壓漿結(jié)束后在0.2 MPa壓力下壓水檢查壓漿效果。

b.裂縫深度大于5 cm小于15 cm的，裂縫兩側(cè)各鑿出寬50 cm，深度同裂縫寬度，采用C30鋼筋混凝土澆筑。

c.裂縫深度大于15 cm至二襯厚度內(nèi)全部貫通的，對(duì)二襯進(jìn)行拆除重建，并對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，圍巖加固采用R32自進(jìn)式中空注漿錨桿，左側(cè)L-8 m，右側(cè)L-6 m，每環(huán)14根，間距150 cm（縱）×150（環(huán)），錨桿露頭設(shè)托板及螺母，托板的尺寸為200 mm（長）×200 mm（寬）×8 mm（厚）；從拱腳至拱頂初期支護(hù)后3.5 m范圍圍巖采用Φ42×4 mm小導(dǎo)管注漿加固，L-3.5 m，每環(huán)17根，間距150 cm（縱）×150（環(huán)），與R32自進(jìn)式中空注漿錨桿交錯(cuò)布置，見圖5。二襯采用C30鋼筋混凝土澆筑（二襯內(nèi)原設(shè)計(jì)的22環(huán)向鋼筋調(diào)整為28鋼筋），澆筑以前須嚴(yán)格檢查防水布的焊接質(zhì)量，確保防水板搭接處不滲水。采用水泥液漿，水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力為0.5～1.5 MPa，漿液擴(kuò)散半徑不得小于100 cm。

圖5 錨桿、小導(dǎo)管徑向布置示意圖

4 處治效果

選取兩個(gè)典型斷面，埋設(shè)若干鋼弦式混凝土應(yīng)變計(jì)，對(duì)隧道襯砌加固后受力情況進(jìn)行量測(cè)，以評(píng)判處治加固的效果。應(yīng)變計(jì)布置方式見圖6、圖7。

除個(gè)別測(cè)試點(diǎn)失效或者測(cè)試誤差較大外，大部分測(cè)試點(diǎn)能夠較為準(zhǔn)確反映出所測(cè)斷面區(qū)域?qū)嶋H受力情況。應(yīng)變計(jì)跟蹤測(cè)試結(jié)果見圖8～圖11。

圖6 ZK39+897/YK39+890斷面鋼弦式應(yīng)變計(jì)布置圖

圖7 ZK39+937/YK39+930斷面鋼弦式應(yīng)變計(jì)布置圖

圖8 ZK39+897/YK39+890斷面右洞監(jiān)測(cè)結(jié)果（單位：MPa）

圖9 ZK39+897/YK39+890斷面左洞監(jiān)測(cè)結(jié)果（單位：MPa）

圖10 ZK39+937/YK39+930斷面右洞監(jiān)測(cè)結(jié)果（單位：MPa）

圖11 ZK39+937/YK39+930斷面左洞監(jiān)測(cè)結(jié)果（單位：MPa）

從應(yīng)力監(jiān)測(cè)趨勢(shì)圖可以看出，隨著時(shí)間的變化，隧道兩個(gè)典型斷面洞內(nèi)側(cè)整體受力情況具有明顯改善，局部應(yīng)力值偏大的點(diǎn)有逐漸減小的趨勢(shì)，即由受拉向受壓方向變化，但仍帶有明顯地偏壓淺埋隧道襯砌受力狀態(tài)的特性。洞內(nèi)拱部以上雖仍承受拉應(yīng)力但有逐漸減小的趨勢(shì)，邊墻及仰拱部位受力情況也有一定改善。通過對(duì)兩個(gè)斷面拱頂處測(cè)點(diǎn)（D1、K1、D2、K2）跟蹤監(jiān)測(cè)可以看到，隧道加固完成后拱頂處拉應(yīng)力己經(jīng)有明顯減小的趨勢(shì)，但仍然為受拉，說明加固地層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力起到積極的作用，起到了一定的加固效果。

另外，從圖上還可以看出，隧道加固完成之后的一段時(shí)間內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)受力情況隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，逐漸趨于穩(wěn)定，說明地層穩(wěn)定在一定時(shí)間內(nèi)是個(gè)緩慢但趨利的過程。

5 結(jié)語

結(jié)合曲奧隧道施工病害的成因，研究分析原設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)病害情況后，考慮施工安全性、便利性和處治費(fèi)用等因素，確定了相應(yīng)的處治措施。處治措施以穩(wěn)固地層、提高支護(hù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固為契入點(diǎn)，以穩(wěn)固地層為核心、注重地層加固，提高圍巖自承載能力，從根本上解決作用于襯砌上的圍巖壓力過大和地基承載力弱的問題，在此基礎(chǔ)上再對(duì)二襯、仰拱等采用針對(duì)性的處治措施。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，病害段處治后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，事實(shí)證明在這種“治標(biāo)先治本”的原則下細(xì)化出的處治方案是科學(xué)的、合理的，有效地解決了曲奧隧道的施工病害問題。本次淺埋偏壓小凈距隧道施工病害處治技術(shù)在類似工程建設(shè)中可供同仁參考。

[1]楊靈.淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)研究[D].江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2014.

[2]DharBB,RatanS,Sharma DK,etc.Model study of fracture around underground excavations[J].Proeeeding of the Intemational Sym Posium on Weak Rock,1981,267-271.

[3]靳曉光,劉偉,鄭學(xué)貴,等.小凈距偏壓公路隧道開挖順序優(yōu)化[J].公路交通科技,2005,22(8)：61-64.

[4]姚勇,晏啟祥,周俐俐.小凈距隧道在不同開挖方式下的力學(xué)效應(yīng)分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,20(2)：53-56.

[5]晏啟祥,何川,姚勇.小凈距隧道施工小導(dǎo)管注漿效果的數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué),2004,25(增刊 2)：239-242.