強地震帶圍巖隧道施工分析與治理范文

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［摘要］以香麗高速公路隧道施工為例，介紹了滇西北強地震帶地區強風化軟弱圍巖隧道工程的發展現狀，對目前云南西北強地震帶地區強風化軟弱圍巖隧道施工過程中面臨的突出病害問題進行詳細分析，指出問題產生的原因，對現階段處理情況和處理效果進行剖析與介紹，對今后云南軟弱圍巖隧道的研究方向進行展望。

［關鍵詞］隧道工程;全風化軟弱圍巖;病害;地質災害;施工技術

1工程概況

軟弱圍巖在高海拔的滇西北地區分布較廣。強風化軟弱圍巖開挖后變形量大，受節理裂隙的影響，隨著微裂隙的擴張，極易產生整體滑移破壞現象;并且水對軟弱圍巖的抗壓強度影響很大，軟化系數η=0.52，η越低，含水量越高，則圍巖抗壓強度越低，反之亦然。高海拔地區雪山較多，雪融水產生的地上、地下水系使巖體含水量豐富。軟弱圍巖在三軸圍壓試驗中，隨著圍壓的增加，巖石會以剪切破壞為主，變形量也會增大。在低圍壓條件下，巖石會以塊體滑移破壞為主。高海拔地區的高地應力更加劇了炭質軟弱圍巖隧道地質災害的發生。尤其是對于大跨度隧道而言，如果支護強度不足或支護不及時，會發生塌方冒頂或二次襯砌嚴重開裂現象，會給工程施工的安全性造成嚴重威脅。圍巖發生較大沉降并最終導致隧道圍巖的整體失穩，如果處治不當，將導致后期運營維護費用大幅度增加。香麗高速公路主線長124.927km，起點位于迪慶藏族自治州香格里拉市以南的蓋松村，通過香格里拉連接線連接國道214線，德欽—香格里拉段，經小中甸、土官村、虎跳峽、松園橋，止于麗江白漢場，接大麗高速公路，全長124.55km;屬構造侵蝕、溶蝕中山地貌，峰頂多呈渾圓形，地形波狀起伏，山谷相間，谷地多呈V形，河流中等切割呈樹枝狀，海拔在1800.000～3500.000m，路線地勢總體西北高東南低，境內山巒縱橫、地形險峻，大雪山并列聳立于金沙江兩岸，東南部有哈巴雪山、玉龍雪山，西部為怒山山脈，北部為梅里雪山;氣候為“一日多變化，一山分四季”立體氣候。全線23座隧道，隧道地處位置具有以下特點:①“三高一脆弱”高地震、高海拔、高差大，生態脆弱，地震基本烈度為8度;②“三復雜”地質復雜、地形復雜、氣候復雜。穿越多條斷裂帶有沖江河斷裂帶、花椒坡斷裂帶、土官村斷裂帶、阿里洛斷裂帶、龍蟠—喬后斷裂帶，地質復雜、斷層、滑坡層節理裂隙特別發育;隧道圍巖差，洞口多為Ⅳ，Ⅴ級砂石堆積體破碎型圍巖，偏壓情況突出;隧道主洞多數穿越Ⅴ級強風化軟弱圍巖。全線有16座隧道其洞口段基本為全風化黑色、黃褐色、灰褐色、角礫成分軟弱圍巖結構。暗洞段受地震帶影響，地形切割極為強烈，造巖條件極為復雜活躍、巖層走向翻轉、扭曲強烈，巖質均為中風化或強風化軟弱板巖結構，其原巖為泥質、粉質變質形成，沿板理方向可以剝成薄片，其厚度在0.1～2cm，巖性松軟，軟弱破碎，遇水變軟呈泥漿狀，自穩性極差，極易造成隧道工程施工中的地質災害。在本條公路施工中，16座隧道在施工過程中均因軟弱圍巖、高地應力等地質原因引起各種不同類型的病害。已發生病害的主要類型有邊仰坡垮塌、淺埋段套拱垮塌、暗洞段拱頂下沉、周邊收斂較大、二襯及仰拱開裂等。

2隧道邊仰坡失穩、滑塌原因分析與對策

由以上地質資料可知，隧道洞口多位于V形峽谷的陡巖之處。隧道緊鄰海拔5395.000m的哈巴雪山腳，底部峽谷有金沙江的支流沖江河等流經。受地形所限，隧道洞口邊仰坡的設計坡度均較為陡峭，雖按設計采取小導管地表注漿、錨網噴等支護形式對其進行防護，但仍發生邊仰坡失穩、滑塌等情況。

2.1初步原因分析1)水害原因山區隧道多處于V形峽谷內，且坡面多為堆積體。受地形所限，為最大限度地保持本地脆弱的生態環境，多數設計邊仰坡坡度較陡，受雨季較長、大氣降水影響，地表水長時間不間斷從環形截水溝底部及其他路徑滲入，導致局部邊坡土層或堆積體自重加大，從而引起邊仰坡失穩。2)防護形式原因在軟弱圍巖地質情況下，雖采取地表注漿、噴錨防護等措施，但由于滑動面線較多，部分注漿無法達到滑動面以下進行有效固結，所以效果不明顯。小導管地表注漿、錨網噴防護形式不足以抵抗具有下滑趨勢的失穩體下滑力等。3)地質原因高海拔炭質軟弱圍巖巖體本身自穩能力極差，加上地形陡峭，在外部施工擾動和大氣降水持續作用下，形成大面積錯動的不穩定滑移體，通過摩擦力的傳遞帶動更多軟弱圍巖失穩，到一定臨界值后，邊仰坡迅速滑動坍塌。

2.2處理辦法與措施根據現場實際情況及原因分析，采取如下措施。1)錨索框格梁固定上邊坡體首先清除松散體，盡量保持已基本穩定的地形地貌，再采取錨索框格梁上邊坡穩固措施。其肋柱嵌入深度、錨索根數、長度等技術支護參數，根據現場不同土質情況及試驗段數據等由四方(業主、設計方、監理方、施工方)現場確定;在施工中其注漿壓力為0.4～0.8MPa，張拉必須待結構混凝土達到齡期后方可施作，張拉預應力參照日本VSL錨固工程規范規定，其計算公式為:P=PX－ε(P0－Pi)/ΔL，其中P為施工時所需施加的預應力;PX為鎖定后所獲得的預應力;ε為錨楔壓縮量;P0為最大試驗荷載;Pi為初始試驗荷載;ΔL為試驗最大荷載與初始試驗荷載下的變形量。預應力分3～5級循環張拉。2)局部管柱錨固在垮塌范圍下方施作2～3排108×6注漿鋼管樁，梅花形交錯布置，其深度由四方代表根據現場鉆孔渣樣而定;其目的是為了阻止和穩固局部邊坡下滑。該工序需在錨索框格梁實施前施作完成。3)洞口擋土墻防護①原設計的洞口端墻較為薄弱，結合現場穩固情況及一段時間邊坡位移觀測情況，適當加強端墻的斷面結構設計，并在兩側較薄弱處設置重力式擋土墻，其長度在7～10m/段(見圖1)。該措施目的在于有效保證隧道洞口安全性。②在洞口與洞口兩側及洞口間設置樁基式擋土墻，樁長根據鉆孔取樣確定，其目的在于增加洞口橫向約束，有效和洞口擋墻一起抵抗非規則滑動面線上部傳遞土壓力和其他非均勻傳遞力。其設計如圖2所示。以上措施要點為:①錨索框格梁和路基設計及施工有重要區別:路基在于其邊坡須刷成一定坡度，保證整體的受力狀況，而隧道邊仰坡在于盡量根據原有已穩固的地形地貌，多段設計與施工，重點約束不穩定地段;②根據現場實際情況，采取多種手段約束滑移體，確保洞口段穩固。

3洞口淺埋段套拱坍塌原因分析與對策

按照本條線路設計，本區域內隧道洞口段多為30～35m長管棚超前支護結合V級圍巖相關的支護參數設計，開挖工法一般采用單側壁開挖法及雙側壁開挖法等。按設計施工完成后，部分隧道開挖至10～20m進尺后出現整體塌方情況。

3.1初步原因分析1)山體壓力超過設計抵抗力隧道淺埋段地質情況多為以碎石土或塊石土為主的坡積土或全風化炭質軟弱圍巖，其自穩定能力極差，套拱不足以抵抗邊坡山體開挖后重新分配的應力。2)現場實際情況與設計情況存在差異在強地震帶和斷裂帶區域，因特殊的成巖過程，軟弱圍巖可延續整個山體，長管棚設計長度不能有效穿越不良地質段;且由于各種原因影響，長管棚內所注入漿液存在溢散不均勻或部分漿液擴散嚴重偏向一邊的情況，未能將洞口上邊坡土體固結成整體的效果(即形成一個完整的環形穩固體，起到第1道防線的作用)。3)地質因素在坡面注漿小導管(或砂漿錨桿)和大管棚注漿范圍內存在一個未固結層，即存在一個“夾心”，該“夾心”屬于破碎及松散層，在雨季雨水通過各種途徑滲透后，“夾心”自重急劇增加，造成坡體整體滑移，從而導致套拱垮塌。

3.2處理辦法與措施1)錨索框格梁防護根據先防護后施工的原則，先對塌方體進行全部清理，再根據現場實際情況進行錨索框格梁施工(施工辦法同2.2節1))(見圖3)。2)增加鋼拱架內支撐在大管棚施工放線時，預留20cm擴展度，用I18加工成弧形形成內支撐(參照初期支護鋼拱架的施工方法)，確保套拱安全且受力均衡。3)強化施工工藝在大管棚施工時，先進行試鉆，通過試鉆取得渣樣進行分析，確定管棚可靠長度;并取得鉆機鉆速等參數，確保施工順利進行;同時采取跟管方式，確保大管棚順利打入。嚴格按照注漿工序施工，確保注漿壓力，確保注漿密實度達到90%以上。通過以上3種措施能避免洞口淺埋段套拱坍塌，保證安全進洞。

4初期支護拱頂下沉、周邊收斂嚴重

隧道洞身開挖一般按臺階法施工，分臺階依次進行，在中臺階(或下臺階)施工時，上臺階(或中臺階)開始出現較大的拱頂下沉、周邊收斂現象，致使在使用型鋼拱架進行支護連接時，隧道支護輪廓已發生變化;初期鋼拱架支護完成閉合后，受其拱頂下沉、周邊收斂影響，出現不同情況的噴射混凝土開裂、型鋼拱架扭曲變形、連接螺栓斷裂、支護結構受壓后整體下沉、噴射混凝土與錨桿、導管脫離等現象(見圖4)，嚴重者初期支護已侵入二次襯砌凈空。

4.1初步原因分析1)地質原因高海拔地區的隧道大多處于地震帶，本地區的地震烈度為8度，其斷裂極為發育。隧道穿越的巖層均大多屬于軟弱圍巖，巖體內殘留大量地震應力，應力對巖體持續發生受力作用。從掌子面來看，巖層走向紊亂、扭曲嚴重。在初期支護完成后，應力重新分配嚴重不均，圍巖自穩能力極差，局部圍巖壓力已超設計極限值。2)水害原因軟弱圍巖地質情況下，其存在遇水軟化且嚴重失穩，對初期支護的壓力較大;設計時對該地質情況下的水文情況考慮欠妥，未設計隧底排水設施，致使圍巖裂隙水無法引排，長期浸泡隧道基底，造成隧道整體結構失衡，從而引起局部受力嚴重不均勻等。3)初期支護參數偏弱在設計時，由于地質勘察不詳或其他原因，未充分考慮開挖后圍巖應力重新分布過程的不均勻性，在初期支護受力嚴重不均勻分布情況下，發生鋼拱架扭曲變形，從而導致初期支護完成后拱頂下沉、周邊收斂過大現象。

4.2處理辦法與措施1)臨時支撐在病害段及病害前后5m范圍內設置臨時環狀鋼支撐，鑿除局部起殼、松散部分的圍巖，并采用噴射混凝土(水灰比為1∶1)補平。2)加強初期支護適當增加徑向42注漿小導管密度;每環工字鋼增加2～3道42鎖腳小導管;對侵限段，將I18a換成I22b進行換拱處理，工字鋼間距由60cm調整為50cm。對于侵限嚴重的部位，為增強初期支護抵抗周邊收斂的承載力，鎖腳部位采用89小導管代替42小導管。3)更換鋼支撐對于已被嚴重破壞了原有設計形態的鋼拱架(扭曲、變形等)及超限部分鋼拱架進行換拱處理，施工工法為逐榀逐單元更換，換一單元加固一單元的鎖腳。

5二次襯砌、仰拱面縱向開裂

5.1二次襯砌開裂二次襯砌開裂的情況多數于施作完成后的15～20d開始出現。前期為向掘進方向以30°～45°出現斜向裂縫，漸漸發展為網狀裂縫，隨著時間推移，裂縫寬度增加不明顯，只是在數量上不斷增加。

5.2二次襯砌開裂初步原因分析1)應力原因受初期支護拱頂下沉、周邊收斂影響，其應力遠超設計值，初期支護已不足以承受增加的變化應力，且突破二襯防線所致。2)因受力不均造成結構偏壓隧道開挖后，在巖體中形成一個自由變形的空間，原來處于積壓狀態的圍巖由于失去支撐而發生向洞內松弛變形，若這種變形超過圍巖本身所能承受的張力，圍巖便會發生破壞并從母巖中脫落形成坍塌、滑動。巖層的產狀與隧道走向的組合關系會形成不同的力學關系，特別是在落層狀片巖區域，隧道在地質結構面形成嚴重偏壓。

5.3隧道內仰拱面縱向開裂這種情況多發生在二次襯砌混凝土澆筑完成后，仰拱在2～7d中部隆起，從而發生仰拱沿中線及中線兩側縱向開裂，裂縫寬度隨時間推移有所發展。

5.4隧道內仰拱面縱向開裂原因分析1)隧底兩側偏軟當二次襯砌澆筑成環后，整個二襯形成完整受力體系，隧道中上部周邊壓力沿襯砌結構傳遞到仰拱底部，因隧底無排水設施，隧底長時間受圍巖裂隙水浸泡或其他原因，造成在受力最大的隧底兩側角偏軟，從而在仰拱底中部形成向上反作用力，導致仰拱向上隆起，形成上寬下窄的裂縫(見圖5)。圖5仰拱向上隆起Fig．5Upwarpingforinvert2)仰拱初期支護及二襯混凝土弧度不夠在施工時，仰拱開挖、鋼筋彎制、混凝土澆筑等環節未嚴格把關，導致隧底仰拱弧度未達到設計要求，從而導致仰拱中部抵抗力無法滿足設計最大抵抗力要求。

5.5綜合處置辦法1)隧底兩側增加鋼管樁措施，達到分散應力作用，減小對中部的擠壓力。在洞內二襯、仰拱開裂段隧道兩側拱腳處設2排108×6注漿鋼管樁，對拱腳進行鎖定，采用無縫鋼管，螺栓口連接，縱向間距100cm，鋼管長9m(見圖6)，鋼管樁孔內設置4根22HPB300鋼筋制作而成的鋼筋籠以增強樁的強度，目的在于鎖住隧底兩腳，同時分散邊墻傳遞來的壓力，減小由隧底兩側向仰拱中部擠壓的應力，防止仰拱產生縱向裂縫。2)仰拱填充面層加固。洞內二襯、仰拱開裂段仰拱基底采用89×4注漿鋼管，每根長4.5m，間距1m×1m，梅花形布置。注漿材料為水泥漿，漿液濃度應根據巖體條件加以調整，參考如下:水泥漿的水灰比為1∶1;注漿初始壓力0.5～1.0MPa，終止壓力2.0MPa。其目的是加強仰拱部分的整體剛度及受力均衡性，抵消部分負彎矩力從而避免裂縫產生(見圖7)。在處治過程中，對于隧道基巖節理裂隙發育，局部地下水較多且流速較快，水泥漿凝固速3)在仰拱開挖后，增加環向盲溝，在盲溝內埋設環向單壁打孔波紋管作為環形盲管，目的在于將拱底的承壓水通過打孔波紋管排至邊側溝，達到防止隧底被水掏空、減小隧底壓力作用。4)對于二襯開裂首先進行監控觀測處理，如裂縫無發展趨勢，對于0.15mm以上裂縫用專用漿液進行專業灌縫處理，對于0.15mm以下裂紋進行封閉處理(如果裂縫有較大發展趨勢或情況嚴重，需由設計院檢算，另行處理)。

6處置效果

從香麗高速公路多座隧道發生以上類似病害的整治效果看，病害情況均得到有效抑制，各項指標達到規范、標準及設計要求;治理效果良好，達到預期目的。

7病害預防及注意事項

在強風化軟弱圍巖隧道施工中，其地質復雜多變，常常會引起病害發生，增加施工成本。針對該種情況下的隧道施工，施工中重在預防，預防措施包括以下幾方面。1)重視超前地質預報，加強監控量測工作。在施工過程中，根據超前地質預報結果，認真分析和判斷前方的地質情況，是否有空洞、富水松軟等，結合現場觀察結果，判斷圍巖的巖質、巖性及巖層走向情況，一旦發現異常，及時調整施工工法及變更工作，同時做好預防措施。在軟弱圍巖及復雜地質條件下施工時，加強對初期支護的監控，根據圍巖初期支護監測結果，對初期支護體系及圍巖壓力變化與變形情況做出及時判斷，為動態設計提供有力依據，以便設計方及時調整支護參數。2)在施工過程中，要嚴格按照規章、規范、技術文件及設計圖紙施工，嚴禁蠻干和冒進。嚴格遵守“短進尺、弱爆破、管超前、嚴注漿、強支護、早封閉、勤量測”的21字方針。3)隧道施工防止水害尤為關鍵。在不良地質施工時，及時采取措施處置，如封堵、疏導集中排放等，必要時采取井點降水，或編制獨立的施工專項方案。4)在隧道變形病害發生后，及時做加固工作。及時啟動應急預案，防止事態發展。特別是收斂變形及拱頂下沉病害，根據不同情況采用護拱鋼架或木支撐采取局部支撐、頂撐、扇形支撐等臨時防護措施，配套進行加密鎖腳、徑向小導管，并嚴格進行導管注漿，確保施工安全。5)對于洞口段施工，一定要本著“先防護后進洞”的原則，環形截水溝、吊溝、邊側溝均要先完善;同時在清表和刷坡時要注意觀察土質類別或巖石類別及走向，判斷是否有危險性，及時調整邊仰坡的防護方案，防患于未然。

8結語

本文主要針對滇西北地區香麗高速公路強地震帶、強風化軟弱圍巖地區軟弱圍巖隧道工程施工中的突出問題，進行羅列并對產生原因進行初步分析，提供治理措施與治理效果，為以后設計方及相關施工方在類似工程建設提供參考依據。

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作者：馬利波 孫杰 鄭瑞明 單位：云南建投第四建設有限公司