复杂地层软弱围岩浅埋隧道施工方法

【摘 要】复杂地层软弱围岩通常会给浅埋隧道施工带来许多困难，尤其是人工回填土、淤泥质粉质粘土、粉质砂层以及抛石挤淤中的孤石给隧道的开挖带来不可预知的安全风险。莞惠城际轨道松山湖隧道GDZK32+550-GDZK32+718.853段在施工过程中就遇到了较为复杂的地层，除地层复杂、不均匀外，该段暗挖隧道还具有浅埋、地下水发育、下穿松山湖大道、新奥燃气管道、雨水管等不利因素。本文介绍施工过程中出现的工程问题，分析这些问题的成因，系统地阐述改进的施工方法及措施，对类似工程有一定的借鉴意义。

【关键词】复杂地层软弱围岩抛石挤淤浅埋隧道突泥突水

中图分类号：TU74文献标识码： A

前言

在城际轨道暗挖隧道施工时，隧道洞顶或隧道洞身部分通常会遇到一些较为复杂的地层。复杂地层通常包括人工填土、淤泥、粉质沙层、建筑物垃圾等，且隧道周边往往存在许多重要的构筑物，例如市政主干道、市政管线、高层建筑物等。隧道施工的重点是保护隧道洞身及周边构筑物的安全，而遇到的复杂地层段容易使隧道初支变形大、容易造成地表沉降大，严重的能导致隧道坍塌。

广东珠三角莞惠城际轨道松山湖隧道GDZK32+550-GDZK32+718.853段就遇到了较为复杂的软弱围岩，该类围岩给地质述描、对前方围岩的判断带来不确定性，此外该段隧道同时具有埋深浅、地下水发育等不利因素。隧道在前期施工中出现了地表和拱顶下沉量大、初期支护变形大、突泥突水等工程问题。在认真分析后，对施工方案进行了优化，经实施后取得了较好的支护效果。

1、工程概况

广东珠三角城际轨道莞惠GZH-5标松山湖隧道位于东莞市寮步镇和松山湖管委会境内，暗挖隧道总长为3.488km，采用左右线单洞单线，两条隧道并行的方案，其走向沿松山湖大道方向，松山湖大道日车流量为5万辆，最重的货车达100t。GDZK32+550-GDZK32+718.853段为浅埋小间距并行段，隧道埋深在7-10m，隧道左侧紧邻石龙坑水库，地下水位常年在地表以下2-3m，地表积水及降雨很容易渗至开挖面，且该段隧道地处石龙坑水库人工回填部位，隧道拱顶覆土层人工填土（含孤石如图1.1）、淤泥、粉质沙层、建筑物垃圾等围岩极其不稳定、变形大、易坍塌。隧道洞身施工风险、残余风险及风险处理措施详见下表1.1.因此，本段隧道具有埋深浅，地层极不均匀，地下水发育等诸多施工不利因素。

图1.1人工填土中的孤石和淤泥（呈硬塑）

起讫里程 风险事件 成因 初始风险 风险处理措施 残余风险

GDZK32+550-GDZK32+718.853 塌方、突泥突水、地表下沉破裂、管道管线位移变化 隧道洞身覆土层为人工填土层、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、沙层、并下穿部分市政管线 概率等级 后果等级 风险等级 洞内全断面注浆加固 概率等级 后果等级 风险等级

表1.1风险评估详表

2、主要工程问题及成因分析

2.1前期施工方法简介

隧道施工初期，洞身采用CD法开挖如图2.1，采用人工配合挖机开挖，每循环开挖进尺为0.5m，分1、2、3、4区左右错开施工，每一台阶长度保持在5-7m左右，仰拱成环施工和下断面间距在20m以内，拱部180o范围采用φ42长度为3m的超前小导管支护，间距为0.33m×1.0m（环向×纵向）；初支采用I20a工字钢拱架，间距为0.5m，喷射30cm厚C25混凝土，边墙设置间距为0.8m×1.0m（环向×纵向）φ22螺纹砂浆锚杆，长度为3.5m，梅花型布置，且所有的砂浆锚杆设置锚垫板尺寸为6mm×150mm×150mm，拱脚打设φ42长度为3m的锁脚锚管并注浆，开挖面采用全断面单液浆止水加固。

图2.1 VI级围岩中隔壁（CD）法开挖横断面

2.2施工中出现的主要问题

上述施工方法在施工过程中出现了下列主要工程问题：

1）由于地层为人工填土层、淤泥质粉质粘土（呈硬塑）、沙层，浆液注入量少，注浆加固不理想。

2）人工填土层在地下水的作用下容易软化，呈流塑状，强度低，开挖面极易坍塌如下图2.2。

3）受底下水作用，洞身边墙部位的沙层出现大量流失现象，导致台阶难以形成，拱架背后出现空洞、拱架悬空，锁脚锚管和系统砂浆锚杆失效，无法形成受力结构。

4）地表出现严重下沉，最大累计下沉值达600mm，如图2.3。

5）初支变形大，在初期支护未封闭成环之前，拱顶下沉速率最大值达17mm/d，水平收敛速率最大值达30 mm/d，拱顶下沉累计最大值达500mm，侵入二衬净空达280mm，水平收敛累计最大值达245mm，初期支护需要置换，导致二次衬砌无法及时施做。

图2.2突泥突水 图2.3地表下沉过大

2.3成因分析

隧道施工过程中出现上述工程问题主要有下列原因引起的：

2.3.1地层不均匀且遇水易软流失

莞惠城际轨道松山湖隧道GDZK32+550-GDZK32+718.853段隧道洞身拱顶和洞身部分穿越的土层为人工填土层、淤泥质粉质粘土和沙层。其中淤泥质粉质粘土其结构松软，承载力低，抗剪强度低、压缩性高、透水性差浸水易软化、溃散，具有触变性、流动性和不均匀性；同时沙层也具有承载力低、抗剪强度低、遇水易软化，尤其在地下水丰富的情形下，受水浸泡成黄色泥浆并随地下水流动而流失，容易造成突泥突水事故。

2.3.2隧道埋深浅

该段隧道埋深在7-10m，属于典型的浅埋隧道。由于洞顶覆土层薄，围岩软弱，自稳能力差。施工时隧顶覆盖层的扰动很快波及地表，加之在松山湖大道行车荷载的作用下：一方面地表发生变形开裂下沉；另一方面受扰动的覆土层透水性增强，更加有利于地表水和旁边水库中水的渗入及地下水的流动，增大了洞内的出水量，加剧了人工填土层中淤泥质粉质粘土、沙层的软化和随水流失。这类土层的软化和流失产生下列后果：

1）锁脚锚管和砂浆锚杆失去受力基础，锚固力大大降低，达不到预期的加固效果。

2）拱脚围岩长期受水浸泡，强度很低，加上较长时间围岩流失，引起拱脚悬空，拱脚持续下沉，表现为较快的拱顶下沉速度及较大的累计沉降量。

3）围岩的不均匀导致洞身周边围岩流失也不均匀，有些部位由于围岩流失量大，初期支护背后出现空洞，使初支受力不均匀；另一些部位细颗粒的围岩随水流失，导致抛石挤淤中的孤石周边地层松散，大孤石向洞室方向移动，引起初期支护局部应力集中，受力不均匀及局部应力集中加剧了初期支护的变形和破坏。

4）初期支护变形及围岩流失产生较大的地层损失，而大量的地层损失就引起地表严重的沉降。

3、施工方案优化

前述分析表明，隧道出现较大的地表沉降及初期支护变形，主要是由于围岩在水的作用下软化、随水流失引起的。而围岩随水流失在很大程度上又是由于初期支护变形过大，强烈扰动隧顶覆土层，使透水性增强，洞内出水量增大；初期支护变形越大，围岩随水流失越多，地层损失越大，地表变形也越大，地表水就越易渗入地下，导致淤泥质粉质粘土、沙软化和随水流失越严重，如此相互作用，形成恶性循环。因此通过上述分析可得出解决问题的关键：一是控制洞室变形；二是减少水对围岩的不利作用，在成因分析的基础上提出下列支护原则：

1）及时封闭成环，改善初支受力条件，缩短拱脚暴露时间，减少初支收敛变形和拱脚围岩在水的作用下软化、流失。

2）加强加大超前预注浆加固，减少拱顶围岩变形及洞内流水。

3）改善洞内排水条件，减少水与围岩的接触。

4）适当加强横向支撑。

3.1开挖方案优化

因该段落隧道左右线净距仅8m左右，左右线施工相互影响较大，考虑到左线靠近水库，为避免水库渗水2次影响施工，决定先施工左线，达到提前排水、降水和隔离水的目的。

开挖方法根据现场实际情况变4步开挖为8步开挖甚至更多，即原来的1、2、3、4区分别作两次开挖，在1、3区底部架设一道横向支撑，这样变大跨为中跨或小跨，边开挖边支护，步步为营；并采用微台阶留核心土，且预留核心土断面应大于开挖断面的50%，这样每部土方量就较少，同时便于施钻和喷射混凝土，也利于缩短封闭时间。上导尽量采用人工开挖，严格控制台阶长度，钢架拱脚需认真处理，必要时加垫槽钢，在开挖超前20-30m后，应及时施做该段的二次衬砌，让隧道尽快形成完整的受力结构。

采用上述开挖方法后，施工期间围岩及拱架应力的实测结果表明，临时横支撑对控制下台阶变形有力，使得拱腰围岩及拱架应力增大，对抑制初期支护水平方向变形有十分明显的效果。

3.2支护方案优化

3.2.1超前预加固

拱部150o范围采用φ108超前管棚，外插角为3-5o，环向间距为35cm，一次长度为20m。全断面注浆半径从原来的1m增加到3m，且采用双液浆，超前管棚注浆采用水泥―水玻璃浆液，注浆压力位0.5-2.0Mpa，水灰比为1：1。管棚钢管示意图如下图3.1

图3.1

3.2.2变CD法为CRD工法

1、3区底部增设临时仰拱，临时仰拱参数：I20a工字钢，喷射C25混凝土，厚度为30cm，钢架间距为0.5m，钢架间采用φ22钢筋纵向连接，连接钢筋间距为1.0m，内外交错。如下图3.2

图3.2

3.3其他的辅助措施

1）排水。为了减少拱部渗水对下部施工的影响，拱部设置独立的排水系统，在临时仰拱上设置小型积水坑，直接将水排至衬砌端头，减少围岩与水的直接接触。

2）采用地表预注浆。在松山湖大道上临时封闭1-2个车道，对地表进行注浆加固。

3）降水。隧道开挖之前，在隧道旁边每隔8-10m打设降水井，以达到提前降水提高土层的承载力和自稳能力，减少水对围岩的影响。

3.4施工效果

在采用上述开挖方法后，围岩虽有变形，但在仰拱封闭之后很快便达到稳定，拱脚整体稳定性较好，未出现拱架因挤压变形而使支护需要置换的情况。

4、结论

1）此类地层中，地层遇水易软化和随水流失。在隧道施工中一定要控制好地层变形，减弱围岩扰动导致地层透水性增强、洞内出水量增大以及人工填土层中的孤石向洞室周边移动；此外洞内应做好排水，尽量减少水与围岩的直接接触，减弱洞内渗水对拱脚、仰拱拱底的浸泡、软化和水土流失。

2）在这类地层中施工时，初期支护应尽快封闭，开挖方法可以根据现场实际情况分多部开挖和增设临时仰拱，临时仰拱有效地控制了受力较大的拱部、拱腰变形，减弱了洞内渗水对围岩的不利影响。分多部多台阶开挖可以减少开挖面的临空面积，大大缩短了每次开挖、立架、喷锚的时间以达到及时封闭初支的目的，有效地降低了突泥突水的安全事故。

3）遇到此类围岩时，宜采用长管棚注浆等辅助加固措施，有效地提高围岩的自承能力和减少洞内渗水。

参考文献

[1]顾宝和，曲永新，彭涛，劣质岩（问题岩）的类型及工程特性[J].工程勘察，2006（1）：1-7

[2]陶龙光，巴肇伦.城市地下工程[M].北京：科学出版社，2002

[3]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社.2004

《松山湖隧道地质纵断面图》莞惠施DXJG-05-04-15