浅埋膨胀性土质隧道沉降和收敛控制措施

梁龙昇

（安徽天通路桥工程有限公司， 安徽 合肥 230031）

0 引言

随着我国环境保护意识的增强，在基础设施建设中，对环境保护的要求也不断提高，隧道设计遵循“早进晚出”的原则，尽量少占用地，充分保护地表植被，因而现在大部分隧道存在浅埋段，特别是浅埋段围岩为膨胀性土质，增加了隧道的施工难度。

1 工程概况

扬滁公路平山隧道位于平山森林公园规划区，自然和生态景观环境极为敏感，设计采用四车道一级公路标准，为分离式隧道，长430延米，左、右线净距17.5m～20.7m，单洞建筑限界净宽为10.25m，净高为5.0m。隧道围岩为V级，围岩破碎，覆盖层厚3～42m，采用三台阶七步开挖法施工。

2 工程难点及特点

（1）隧道进、出口段为斜坡地形，埋深3-18m，覆盖层较薄，风化裂隙和构造节理发育，大气降水沿裂隙渗入形成基岩裂隙水，基岩裂隙连通性好，裂隙渗水量大。围岩为可塑～硬塑状的膨胀性黏土，易沉降坍塌，侧壁经常小坍塌，处理不当会引起大坍塌。

隧道地层为：粉质表土、黏土夹碎石、膨胀性白色黏土、强风化岩体（富含裂隙水，受地表水影响明显）、膨胀性粉质红色黏土（松散）、膨胀性灰白色黏土（有节理性、割裂性，遇水或潮湿空气易软化剥离，强度消失）、黄色黏土（呈硬塑状，具中强膨胀潜势，含水率较大，遇水浸泡会很快丧失强度）。

（2）隧道围岩上硬下软，围岩上部为玄武岩，比较破碎，部分地段为碎石块夹土，富含裂隙水，受雨水影响明显，下部为膨胀性黏土层，弱透水性，在施工的过程中，裂隙水下渗浸泡土体围岩，影响围岩的稳定，使施工难度增大。开挖过程中在外力作用下导致土体松动，围岩结构破坏，裂隙水下渗，土体遇水成泥，围岩强度迅速降低，危险系数陡增，没有充足支护时间，继而掌子面失稳不时滑塌，造成拱顶坍塌；另外散水人工疏导困难，基底大面积泥泞化，由于浸泡拱脚，导致初支严峻下沉，隧道初支外围岩发生膨胀，拱肩、拱脚收敛。

（3）隧道覆盖层较薄，地质情况较差，无法形成承力拱，围岩自稳力差，初期支护受到围岩的压力较大，同时，裂隙水量较大，且比较分散，不易集中引排，严重影响土体围岩的稳定，并浸泡钢拱架拱脚底部的土体，导致初支沉降较大。洞内围岩拱顶和开挖面敏感，进行开挖施工时，一方面水会从开挖面向下流，浸泡开挖面、软化土岩体，导致开挖面土岩体呈块状掉落、界面土体变形，并且拱顶围岩剥落掉块严重，易形成空腔出水，产生严重的水土流失，导致掌子面失稳，产生挤出位移，继而滑塌。另一方面由于土岩体失水，影响土岩体自身稳定，会产生收缩变形，掌子面前方拱顶和开挖面产生松动，产生先行位移，严重时牵连周围土体塌陷，危及施工作业人员人身安全。

（4）在前期施工的过程中，隧道洞口段山体出现滑移垮塌，暗洞内围岩沉降严重，初期支护多次出现侵限进行换拱处理，围岩多次出现坍塌、地表下陷，甚至出现冒顶，掌子面核心土体失稳向前滑移，并伴有涌水、涌泥现象。

（5）膨胀性土体围岩绝大部分为可塑～硬塑状的黏土，注浆施工难度大，整体性不好，易风化，围岩开挖外露后，土体失水收缩，易出现掉块现象，洞内渗水量较大，给施工安全带来重大隐患。

3 膨胀性土质隧道沉降和收敛的控制措施

结合现场实际情况，采用加大预沉量、加强预支护、变更支护结构规格、增强锁脚锚杆、增加拱脚受力面积、临时仰拱、拱脚拱腰注浆等措施控制隧道沉降和收敛。

（1）由于土质隧道的不确定性，进入暗洞开始就要考虑是否扩大预留量，以留给土体应力释放后足够的沉降和收敛，在特殊地段要考虑预留量是否需要改变，是否需变更支护结构规格，增加锁脚锚杆的数量和刚度，如高强度锁脚（Φ32螺纹钢）、大口径锁脚（φ108钢花管）、喷射高强砼和高强工字钢等；扩大预留量和减小凌空面也是矛盾的，在保证安全的前提下减少施工工序，预留量增加开挖高度可适当减小，大拱脚施作困难可用垫设槽钢来代替。

连接筋的摆布（八字形、三角形、直线型）焊接符合力学要求及焊接可靠牢固，必要时加密，使“连挑”效果和整体性更强。锁脚锚杆焊接较为重要，采用“U”型钢筋与拱架满焊连接，焊接后对锁脚锚杆进行注浆固结，增加锁脚锚杆承载能力，有效的防止拱架下沉及收敛。锁脚的打设角度和高度：1.防止沉降时，设小角度的“桩式锁脚”，能补强围岩抗剪强度和支撑桩作用；2.防止收敛和沉降时，可多设有“悬吊”作用及增加内压约束力的“侧向垂直式锁脚”，给围岩加筋、拱架加力，能有效分散荷载和抵抗水平收敛力，可45°角打设，并为中导做超前支护，抑制下半断面的侧向位移，高度宜靠近拱脚，在拱肩以下。

（2）在沉降较大的地段应考虑加强拱脚支护和增加拱脚受力面积（大基础、大拱脚），拱架拱脚必须加强整体性（拱脚处连接筋用工字钢），否则打入锁脚后存在刚性约束，拱脚分散易收敛，开挖困难危险的地段把大拱脚拱架放置拱圈外侧就不合适了，此时可考虑放置内侧或者垫设槽钢，同时考虑可操作性和节省材料。

（3）下沉严峻地段必须施作临时仰拱，须成环牢固，必要时可增加竖支撑或弧支撑（CRD半断面用，考虑成环的可能性）,保证竖支撑间的连接、脚部的稳定。临时仰拱最好是预应力结构，也就是和仰拱一样的弧形结构，能很好的控制平衡、抑制下沉，另有很好的引水作用，临时仰拱施作后强度未满足要求时严禁机械碾压，可覆盖 50cm土体做缓冲；下沉、开裂严峻地段还可施作“拱上拱”，即在初支拱圈下面在施作一层初支，以起到反压和稳定作用，此举措对初支变形和开裂有很好的抑制作用，属强制性反压，效果明显，此时务必考虑后续施工工序是否好施工，接中导时可一并连接。

（4）加强超前支护。超前导管其实质为“预应力梁作用”，在不注浆时只起到对上部荷载的托举作用，同时亦加重了拱架、拱脚的负担和破坏了前方围岩，加大了掌子面挤出位移的发生的概率，所以导管打设前必须相应的对拱脚做加固处理，喷设混凝土时必须对掌子面封闭。另外，为减少前方围岩松弛、减小拱脚负担、减小施工难度、快速封闭拱架锚喷系统，增加托举力，导管施工时，要注意其长度须适宜，不宜太长（我部施工多为3m，纵向60cm*环向30cm布设），注重搭接，要做到“管幕”效果，导管尾端与拱架焊接牢固等。

（5）滑塌、垮塌、内应力大的地段要注意土体的反压作用: 塌方、冒顶段要注意山体边坡的稳定和初支结构的收敛和拱顶上浮，需保证洞身初支结构的力学平衡，可考虑在顶部施工钢筋砼护拱、回填土体反压，洞内加横梁桁架等以保证围岩体系平衡。明洞段开挖后，明暗交界处立面较陡，若此时存在偏压，可能会出现山体滑坡，此时要考虑卸载或者施做混凝土挡墙（倾向于后者，前者易失控）。

（6）浅埋段下沉明显时优先考虑洞内施工措施，不建议洞顶卸载，因为洞顶卸载作用甚微反易扰动山体和增加透水性，隧道拱顶压力减小时侧压力会增大，会增加收敛和塌空的可能性。

（7）在适宜注浆的地段还可在拱腰、拱脚补注浆，可注性难、有水地段应采用高压双夜浆止水：采用小导管高压注水泥水玻璃=1:1的双液浆，利用水玻璃的侵透性、较好的瞬结性以及水泥良好的充填效果来进行止水补强，效果明显，导管长度和注浆范围成正比，导管短时拱架周圈注浆较多，导管长时能加固前方围岩，涌水时倾向于短导管，止浆墙须一次封闭到位；在孔壁不能自稳的地层（黏土系、砂层围岩等）应采用钻孔注浆同锚杆的自钻式工法，直接将小导管强行打入即可，此时强行成孔会起反效果甚至钻杆拔不出来。

（8）不论采取何种施工方法，均要注意核心土和掌子面锚杆的重要性、水的灾害性：

在浅埋隧道中要考虑掌子面的稳定性，防止产生挤出位移，控制掌子面挤出位移最好的方法就是预留核心土和掌子面长锚杆（实质为锚杆的内压和封闭的反压固定作用，打入锚杆越长内压越明显，我部施工均采用3-4m钢花管，效果明显，需注意的是掌子面锚杆施工时围岩可能出现剥离滑塌，应与掌子面喷射砼封闭并用，即打锚杆挂网封闭，能增加拱顶稳定性和抵消掌子面剪力（与洞口边仰坡出现滑移的锚固处理是相同原理），掌子面和核心土最好是斜面形，围岩不好时必须留环形核心土，核心土易剥离时可打设锚杆锚固，固定钢管可部分向下按梅花形打设数排，用钢筋固定，起到“抗滑桩”的作用，另外需考虑在易施工锁脚锚杆的前提下控制好核心土上面开挖面的均匀性，不宜过大。

水害防治：水能使基底泥泞化、围岩软化、初支质量和水位下降。裂隙水还会危及掌子面的自稳性、在喷射砼背后冲刷成空洞，黏土系吸水膨胀，产生围岩流变、内应力增大，促进剥离，极易造成崩塌，尤其注意水不可浸泡拱脚，可引至核心土之后，拱架背部插打大孔径短钢花管、临时仰拱下埋管等方式进行引排，对于一定程度的涌水，可增加速凝剂的添加量，采用锚杆、钢筋网等提高其附着性，否则极易造成不可控的局面，水的集中引排很重要，安排专人进行疏水引水作业，若引排困难，则要设法注浆止水，力争将水挤到隧道初支范围外，并对围岩进行补强，对冲刷空洞进行填充，使隧道周身形成隔水层和补强层。

（9）保证拱架的圆顺性，弧形结构是最好的受力体。上中台阶连接板处，此处为应力集中区，易产生鼓包、变形、收敛、裂缝等，弧形结构能很好的传力和消力，膨胀性土质对隧道周圈存在同样的膨胀作用，难以自稳，支护时务必保证其圆顺。

（10）注重小型塌洞的处理，务必喷实。平山隧道上导坑断面和拱顶约1m处为有节理发育的膨胀性黏土，易剥落掉块，1.5-2m处为自稳性较小的红色粘土，易滑塌，2m以上为强风化富水破碎岩，开挖时土体垮塌势必带动周围土体的扰动，造成黏土系隔水层的破坏，继而引起水体下渗，产生相互作用，软化渗水，甚至出现坍塌涌水，即便是拱顶无水时也给下步开挖带来极大的安全隐患，所以对于土质隧道务必设法喷实封闭。待塌方地段过后，对封闭不够的要补打钢花管进行高压双液注浆，此时初支拱架须加固或施作临时仰拱以防变形过大，特殊地段施工务必谨慎对待。

（11）施工中断面围岩情况要及时跟进预判。勤观测初支构件变化，加强围岩量测，掌握围岩与支护之间的收敛动态，力学动态及稳定程度，正确分析围岩测量数据（三相位移记录）指导现场施工，对预留沉降量及初期支护参数做出适当的调整，从而在保证施工安全的前提下，节约成本。不允许围岩变形到有害程度，若出现大变形，应立即做出控制对策。

（12）软弱围岩隧道施工必须把好管理和技术两大关：只有精细化管理才能发挥关键技术的指导作用，管理人员要时刻保持头脑清醒，注重施工工序衔接紧凑，不留下任何隐患，善于整合现场资源，做好成本控制，争取做到“一步做，三步过”：施工时能产生哪些有利和不利的影响？能否发挥多种作用？哪一种作用更加明显？是否可以改进和完善？

4 结束语

浅埋隧道土体极易扰动，土体不能自稳会将山体的重量全部压在隧道结构上，所以浅埋土质隧道要非常注重初支结构的施工，保证施工质量，提高安全性、稳定性，尽量避免二衬提前受力。平山隧道前期施工中出现了初支下沉、地表下沉开裂及掌子面滑塌、垮塌等地质灾害，关键有效的施工技术措施，可以减少工程地质灾害发生，为施工提供安全保障，为同类工程的施工提供了一定的参考作用。