公路隧道穿越冲沟浅埋段加固措施与效果分析

公路隧道穿越冲沟浅埋段加固措施与效果分析

黄勇

重庆隧诚建筑劳务有限公司 重庆 401100

摘要：山岭隧道的施工条件极为复杂，特别是冲沟段浅埋隧道具有极大的塌方、冒顶风险，长期受地表水冲刷渗漏，易形成渗水通道。由于隧道浅埋段的自然平衡拱圈高度受岩层厚度的影响，其未能充分形成且发挥支护作用，故防塌加固措施是隧道安全穿越浅埋段的重要保障，同时应采取一定措施避免冲沟地表水对隧道结构产生流水侵蚀。

关键词：公路隧道；加固

浅埋隧道采用注浆加固围岩、加强超前支护可起到防塌防冒的作用。该研究以隧道穿越冲沟浅埋段的施工技术为案例，详细分析了该隧道穿越冲沟浅埋段的施工加固措施，并通过数值分析及监控量测技术进行了效果评价，对类似工程具有一定的借鉴作用。

1 工程概况

某隧道工程隧道左线洞身ZK109+564～ZK109+588段穿越冲沟，浅埋偏压严重，左侧拱肩覆土仅2.0 m。根据现场踏勘，冲沟表面由直径10～30 cm的碎石堆砌而成，两侧植被茂盛，雨季时汇水面积较大。隧道断面如图1所示。

图1 隧道纵断面示意 

当前掌子面地质雷达法超前探测显示，ZK109+564～ZK109+573段岩体破碎，裂隙发育密集，且裂隙中多为沙质充填，右中侧围岩整体含水量较高；ZK109+573～ZK109+589段围岩节理极发育，岩体破碎，主要呈碎裂状结构，围岩整体较富水。

为保证隧道安全穿越浅埋段，防止发生冒顶式坍塌，同时避免冲沟地表水对隧道结构产生流水侵蚀，须采取措施提高围岩的自稳性及隧道结构的安全性。原设计对浅埋偏压段采取洞身反压回填处理方式，偏压采用重力式偏压挡墙，浅埋采用水泥稳定碎石土回填夯实，在回填中预留￠70×5 mm塑料注浆管，最后采用1∶1水泥浆加固，如图2所示。

在实际工程实施时存在以下难点：需设置进场道路，填沟筑道易发生滑移产生次生灾害；施工区周边存在危化品仓库，必须采取一定的措施规避风险；原设计采用反压回填注浆处理方案，仍存在塌顶的风险。

综合考虑以上情况对施工及安全管控的影响，取消反压回填方案，采取洞内强支护穿越、洞内穿孔向洞外输送混凝土回填浇筑的方案。

图2 反压回填施工示意图 

2 处治方案优化及效果模拟分析

2.1 处治优化方案

2.1.1 工艺流程

洞内采用双层超前小管棚预支护先行穿过冲沟，再由洞内打125穿孔，输送混凝土填充冲沟。冲沟回填前进行清表处理，打设22(L=4.0 m,@100×100 cm）早强砂浆锚杆。

2.1.2 洞内双层超前小导管

洞内管棚施工里程为ZK109+568～ZK109+584，共计16 m，采用42×6 mm双层无缝钢管，环向间距30 cm，外插角分别为10°～15°和30°～45°，小导管施工与钢拱架配套，每隔4榀一环。施工时，当每孔注浆量达到设计注浆量时结束注浆，如图3所示。

图3 双层超前小导管施工示意 

2.1.3 洞内短进尺穿越

在里程为ZK109+568～ZK109+584段严格控制爆破，小于2 m埋深范围内实行挖机破碎头掘进，实行1榀进尺控制，断面采用V偏复合衬砌参数。

2.1.4 洞外加固处理

洞内穿过处理范围5～10 m时，对洞外纵横向16 m×15 m范围内人工清表，打设22(L=4.0 m,@100×100 cm）早强砂浆锚杆，梅花形布置。

在浅埋处由洞内初期支护向洞外打设125 mm穿孔2～3个，利用地泵从洞内向洞外输送C20混凝土进行浇筑加固工作。回填浅埋范围16 m×15 m，由下至上浇筑，由下形成挡墙，再浇筑上部混凝土。平均浇筑厚度2 m，确保处理后洞身埋深厚度不小于3 m，如图4所示。

2.2 处治效果模拟分析

2.2.1 模拟模型建立

本次分析采用荷载结构法，对ZK109+572断面进行结构验算。计算模型尺寸左右各取2倍洞径，隧底取2倍洞径，左右边界施加水平约束，底部施加水平竖向约束。采用隧道拱顶加附加荷载方式模拟注浆回填压力，以评价浇筑回填时隧道结构安全性，如图5所示。

图4 洞外加固处理施工示意 

图5 断面计算模型示意 

2.2.2 材料参数选择

根据勘察设计资料，断面位置隧道围岩为Ⅴ级，为浅埋偏压工况。隧道断面围岩、衬砌参数取值取规范推荐最不利值。各典型断面计算参数见表1、表2。

表1 断面计算参数表

表2 围岩参数表

2.2.3 计算结果分析

混凝土重度取23 k N/m3，考虑最不利情况，计算时2 m混凝土按一次性加载并不考虑偏压，验算冲沟回填2 m混凝土隧道结构的安全性。由计算结果可知：隧道冲沟浅埋段采用C20混凝土回填注浆2 m后，衬砌拱顶区域最大弯矩为166.02 k N·m，最大轴力为482.24 k N，安全系数为2.86，符合规范安全要求。冲沟回填2 m混凝土不会影响隧道结构的安全性，如图6～图9所示。

图6 ZK109+572断面计算模型 

图7 ZK109+572断面弯矩（k N·m) 

图8 ZK109+572断面轴力（k N) 

图9 ZK109+572断面安全系数 

3 处治效果验证

为分析回填浇筑措施对隧道结构的影响，验证处治效果，对隧道ZK109+572断面进行围岩与初期支护间压力监测。

从图10中可以看出：4月15日之前，回填浇筑工作尚未开展时，各监测点的累计压力值变化曲线较平缓，说明断面围岩与初期支护间压力较稳定。

4月15日至4月30日，随着回填浇筑工作的开始，各监测点的累计压力值变化曲线斜率增大，说明各监测点的压力值显著上升，其中拱顶处压力增长量最大，由0.04 MPa增至0.09 MPa，回填浇筑工作对隧道结构产生一定影响。

4月30日回填浇筑工作结束后，各监测点的累计压力值呈现缓慢增长状态，说明断面围岩与初期支护间压力趋于稳定。

图1 0 围岩与初期支护间压力值变化曲线

4 结束语

(1）基于隧道穿越冲沟浅埋段的实际工况，对冲沟浅埋段采用双层超前小管棚预支护先行穿过冲沟，再由洞内打穿孔，输送混凝土回填浇筑冲沟，清表处理并打设早强砂浆锚杆的一系列措施。

(2）数值分析表明，隧道冲沟浅埋段采用C20混凝土回填注浆2 m后，隧道结构安全系数为2.86，符合规范安全要求，隧道结构安全。

(3）回填浇筑致使围岩与初期支护间压力值上升，表明其对隧道结构产生了一定影响，回填浇筑工作结束后，围岩与初期支护间压力趋于稳定。

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