岩溶区隧道洞口溶蚀段洞身开挖变形与支护
袁培国，张华军
（中铁十四局集团建筑工程有限公司，山东济南250101）
[摘要]林家坪隧道进口端地质属于典型的部西岩溶溶槽发育地质区，隧道润口段穿越软弱填充物.隧道开挖过程中围岩突然产生大变形，通过对变形成因分析，推出初支拱脚引起刺入整体变形的作用机理，并采取以长大锁脚 锚管、加密横撑仰拱钢架为主的处理措施，有效控制了隧道开挖变形.
[关键词]隧道；岩溶区；开挖；支护；变形
[文献标识码]A
[中图分类号]U459 [文章编号]1002-8498(2017)13-0138-03
ExcavationDeformation and Support Countermeasure of CaveBody in Karst Area
YUAN Peiguo ZHANG Huajun( China Railwy 14ah Burezu Group Construction Engineering Go. Lzd. Ji * nan Shandong 250101 China)
Abstract ;Linjiaping tunnel entrance end of the geological belongs to the typical westerm Hubei karsttrough development geological area the tunnel hole through the weak filler. During the process of tunnelexcavation the surrounding rock suddenly caused great deformation. Through the analysis of the cause ofdeformation the paper introduces the mechanism of piercing the whole deformation caused by the arch and the arch bridge main control measures the effective control of the tunnel excavation deformation.
Key words ;tunnels; karst area; excavation; supports; defornation
黔张常铁路林家坪隧道位于湖北省来风县革0.47-0.73，平均0.54，含水率=31.3%- 土质不均，含块石，多呈软塑状，液性指数1=勒车乡境内，隧道起讫里程为DIK55514.04-43.2%，平均34.7%，液限W，=40.6%-48.8%，平DIK55917，全长402.96m.隧道为双线越岭隧道，均44.9%，天然孔隙比e=0.81-1.22，平均0.985，压缩系数0.42-0.74，平均0.52，压缩模量3.8-4.9，平均4.3，黏聚力c=18.1kPa，内摩擦角 =16.5°.
1工程概况
隧址区位于鄂西南构造侵蚀、溶蚀中低山区，隧道最大理深65m.全线位于R=3500m的曲线上，洞 身纵坡为-18.3%/402.96单面下坡.
林家坪隧道进口为进洞施工口，原设计地质状况为表面覆盖薄层粉质黏土，下卧奥陶季红花园组V，.经洞口开挖揭示隧道洞口段DIK55532- 溶蚀沟槽发育灰岩，围岩等级为V级，衬砌类型为DIK55562穿过大型溶槽区，溶槽区填充物主要为黏土夹块石，地表覆盖深厚黏土层，厚度平均约8m.根据地质钻孔、超前水平钻孔、当前掌子面开挖揭示情况及润内现场取样试验结果，结合附近相同地貌单元取样试验结果综合分析，溶槽及溶腔中的充 填物工程地质特征如下：粉质黏土以褐黄色为主，
2洞口段软岩大变形过程
隧道施工至掌子面里程DIK55552，上台阶线路左则揭示拱顶发育一溶腔，长、宽约为2mx2m，呈环向延伸至线路右边墙中部，长约15m，溶腔为黏性土及辞石类土全充填，部分充填物脱落：中台阶 线路两侧开挖揭示为灰岩夹薄层页岩，溶槽发育，为黏性土及碎石类土全充填.左侧拱腰揭示溶腔，为软塑状黏性土全充填，部分充填物已掉落.洞顶最长约20m，裂缝走向与洞身轴线走向夹角50°- 及线路右侧方向地表发现数条宽0.5-2cm裂缝，60°，如图1所示.
根据监控量测分析，2015年10月13日之前拱顶及地表沉降变形正常，13日变形突变，DIK55
缝，裂缝宽度最大约10mm：（随着隧道掌子面掘进，隧道润身自外向内拱顶沉降量和沉降速率呈递 增趋势.
根据以上情况可以看出，由于受到溶槽内软弱黏土夹块石的影响，润口段拱顶自重压力造成钢拱架支撑拱脚竖向集中力变大：锁脚错管承载力不足造成拱脚对软弱土体产生刺入变形.隧道口明挖 土石方切除山坡根部土体，导致坡土抗力减少呈下滑趋势：隧道整体下沉及差异沉降造成地表形成张拉裂缝.
图1润口地表裂缝测量Fig. 1 The surface cracks measurement
532拱顶下沉速率19.8mm/d，DIK55537拱顶下沉速率25.3mm/d，DIK55542拱顶下沉速率104.5mm/d，DIK55547当天拱顶下沉速率 145.2mm/d；然后下沉速率逐浙变小.至2015年10月16日DIK55552地表下沉累计为315.1mm，DIK55532拱顶下沉累计为33mm，DIK55537拱顶下沉累计为46.5mm，DIK55542拱顶下沉累计为162.6mm 为126.8mm，DIK55547拱顶下沉累计
4应对措施
根据上述对林家坪隧道进润口穿越DIK55532-DIK55552溶槽段大变形原因分析，在充分论证的基础上制定有效的应对措施.本段在进润时就根据调查区域内相关隧道工程和施工经验将初始预留沉降量放大到50cm，这样不但可以降低侵 限破拱风险，也为大变形治理预留了足够的时间和空间.处理前首先停止了前方掌子面施工，且将上台阶掌子面喷10cm厚C25混凝土封闭.
3变形原因分析
4.1监控量测
林家坪隧道润口段DIK55532-DIK55562位于溶槽发育段，隧道润身周边为黏土夹块石填充物，润顶至地表为深厚黏土层.隧道开挖时润顶至 地表黏土无法形成場落拱，初期支护承受全部自重压力，引起初期支护钢拱架拱脚刺人变形，造成隧道整体下沉：根据监控量测拱顶下沉数据，当天DIK55532-DIK55552拱顶最大沉降量 14. 5mm
进口浅理段按照规范要求设置地表监控量测断面，并在隧道中线及右侧15m各设置1道地表监控量测断面，观测地表变形情况，对地表裂缝位置进行现场量测，确定其与隧道开挖过程间的关系.拱顶下沉速率变大时，在隧道中线附近采用4429 钢管竖撑进行了加强.
4.2地质勘察
进一步探明掌子面前方及基底岩溶发育情况，掌子面前方支护措施根据超前地质预报及监控量 测结果确定.DIK55546.4中台阶开挖时，采用6m加深饱孔超前探查前方岩溶发育情况.
本段原设计自DIK55532采用108，L=30m长管棚进润，管棚间距40cm，拱顶120°范围内布置.管棚采用C25钢筋混凝土内埋2福130a拱架导向墙，导向墙厚度100cm.为提高抗弯能力管内设置2.0MIPa.隧道开挖工法采用三台阶临时横撑法 钢筋笼，注浆采用1：1水泥浆，注浆压力采用0.5-1.2m间距（每两福钢架设置一处），并与钢架法兰连接.隧道初期支护采用120a钢架，间距0.6m.钢架锁脚采用642，L=4m锁脚锚管，每福钢架12C25，=27cm喷射混凝土，超前支护采用Φ42，L= 根锁脚锚管（每节点2根角度45°），初期支护采用4m注浆小导管.
4.3施工处理措施
4.3.1防拱顶下沉措施
设1组2根489锁脚错管，嵌人基岩≥4m，最长 DIK55532-DIK55552段上、中台阶底部增12m.锚管根部2m以下设注浆孔，孔间距25cm×25cm，梅花形布置，孔直径6mm，锁脚锚管必须紧贴钢架，采用“U”型筋与钢架、锚管满焊，锁脚锚管水平向下倾角控制在15°-30°.
锁脚锚管施工按照砂浆锚杆施工工艺进行，并采用M20水泥砂浆灌浆锚固（M20水泥砂浆配制时应采用中细砂，粒径应≤2.5mm：砂胶质量比宜为1:1-1:2，水胶比宜为0.38-0.45），灌浆时中途不 应停止，直至孔口有浆液溢出，若无浆液溢出应进行补灌.
根据监控量测数据及现场观察分析：①掌子面处小导管多有脱落和弯曲变形情况：②初支在DIK55540附近出现环向裂缝，并有局部掉块； ③两侧拱脚沉降略小于拱顶沉降：④洞身净空收敛不明显：5隧道开挖过程中锁脚错管受长度限制未入岩：运表歸较大，并出现垂直润轴线多层裂
锁脚错管错固施工前应进行注浆工艺试验，调
整注浆工艺和注浆参数，以便施工过程中保证注浆密实，注浆终压达到2.0MPa，稳压时间≥10min，并 且注浆速度≤10L/min.将横撑仰拱钢架加密至0.6m/福，横撑仰拱钢架与拱墙钢架采用连接板焊接牢固.
4.3.2其他辅助措施
注浆，采用L=4m，42钢花管，注水泥浆.钢花管 DIK55532-DIK55552段上、中台阶设径向尾部与钢架连接，间距1.2mx1.2m，梅花形布置，注浆压力1.5-2MPa.压浆过程中进行跳孔间隔注浆，实施挤密型注浆措施.注浆过程中若发生串 浆，则关闭阀门并堵塞关口，待其他注浆完成后再打开阀门，直到每个孔达到标准后结束注浆.注浆完成后进行压水试验，在1MPa压力下，进水量<2L/m*minDIK55552-DIK55562段拱部增设1环89，L=12m管棚Φ42，L=4m超前小导管注水 泥浆支护措施. 图2拱顶沉降实测数据曲线 Fig. 2 Crown settlement measurement curve 4.3.3隧道开挖及支护措施 大变形出现时隧道掌子面里程为DIK55552，在完成沉降段DIK55532-DIK55552加固处理后，对DIK55552-DIK55562溶槽段隧道开挖 工法进行了适当优化.首先维持原设计“三台阶临时横撑法”工法的基本原则；然后控制每循环开挖长度为0.6m：将开挖预留沉降量由0.5m调整为1m：考虑到作业空间，缩短每台阶长度，台阶长度控 制为3-5m：将初支封闭成环的距离由35m调整为15m：锁脚锚管采用长短结合的方式，即开挖后首先采用442，L=4m锁脚锚管初步稳住钢架节点，然后采用489长锁脚锚管锁定：超前支护措施采用489，L=12m管棚d42，L=4m小导管方式，减少因掌 子面塌方导致内力重新分布造成已施工段附加变形：加强拱架间连接，除纵向连接筋外，增加槽钢纵向连接，提高初期支护整体刚度，减少不均匀沉降.以上措施在不增加隧底地基加固处理措施的情况下，提高了地基土的竖向刚度，减少了竖向沉降. 在采取以上措施后，增加地基管桩作为预措施. 图3地表沉降曲线Fig. 3 Surface subsidence curve 工的推进，曲线逐渐回归平缓，最终累计拱顶沉降量为240mm，根据最终断面复测隧道初支未出现侵限情况，达到预期效果. 6结语 1）针对强岩溶发育区隧道润口段大变形施工实践，通过采用现场勘察及地质勘察手段，较为细致地分析了隧道洞口段暗挖通过溶槽软弱填充物区域产生大变形的成因，确定了润顶自重压力产生 初支拱架刺人软土加大变形是此种地质变形的重要原因，并制定了相应的处理措施，确保了隧道掘进的安全及质量，为类似工程提供了借鉴. 5效果验证 小，经采用地基承载力荷载试验后，满足变形和承 2）林家坪隧道进口隧底经钻探软土层厚度较载力要求，在施作衬砌仰拱时未对地基进行处理.对其他类似地质情况的隧道，如基底软土层厚度较大，加载后其变形和承载力不能满足要求时，需对仰拱范围内地基采用注浆加固处理. 在完成以上防沉降处理措施后，洞内沉降和地表变形趋于稳定，如图2，3所示. 根据DK55542.00（A测点）自2015年10月日0日6月13日出现沉降曲线拐点，当天最大沉降量为104.5mm，累计沉降量接近150mm.2015年10月14日-11月30日按照制订方案进行施工，共计历 时47d完成处理方案.从拱顶沉降曲线及地表沉降曲线可以者出，霍沉降处理方案施工期间，随着施 方数据 3）岩溶地质条件下隧道穿越溶槽填充物如处理不当危害极大，迅速发展的沉降变形将造成隧道 （下转第149页） 1）永达路站层导水系数为5.17m²/d，贮水系数为0.25882，渗透系数为1.67m/d.8，层导水 系数为2.49m²/d，C水系数为0.05440，渗透系数为3.34m/d.影响半径R=500m，为基坑抗突涌提供了设计参数. 平面如图13所示. 2）离抽水井越远，降深越小.通过水位降深等值线模拟图，为后期布置合理布置降压井和抽水后 引起的地表沉降防治提供依据. 图13减压井平面布置Fig. 13 Layout of relief wells 3.3.2数值模拟结果分析 3）根据数值模拟为防止基坑突涌做如下处理：对6层用地下连续墙穿透承压层，坑内设置8口坑外设置4口减压井，观测兼备用井2口来减压. 减压井，2口观测兼备用井；对8，层采用降压方法， 下水的水平流动可以用ModFlow自带的水平流障 模型建立同3.1节，本节中地下连续墙截断地（HFB）程序包来模拟.该程序包用来模拟阻碍地下水水平流动的垂向伸展的薄层低渗透性物体. 参考文献： 1）层数值模拟结果分析 [1]刘国彬，王洪新，上海浅层粉砂地层承压水对基坑的危害及[ 2 ] CHOW H L. OU C Y. Boling filure and msumpton ef dop 治理[J]. 岩土工程学报 2002 24(6) ;790-792.escaration[ J] . Jormal of performmce of cumstruced facilities [3]夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册[M].北京：中国建 1999 13(3) : 114-120.筑工业出斯社 1999 [4］翁其平，王卫东.深基坑承压水控制的设计方法与工程运用 [J].岩土工程学报 2008 30(S1) : 343-348.[5]中国建筑科学研究院.建筑基坑支护技术规程：JGJ120- 2012[S]，北京：中国建筑工业出航社 2012.[6］宁波市轨道交通岩土工程勘察技术细则：2013而SS02[ 7 ] THEIS C V. The ndaticm between lowering of the piezomet-ric [S].浙江；浙江工商大学出版社 2013.sarfaoe an the rale and dtion of dschrge of s wdl usinggrund water storage [ J].Trans amer geophys u-ioe 1935 (16) : 519-524.[8]蒋辉，基于AquiferTest 的抽水试验参数计算方法分析[J].水文地质工程地质 2011 38(2)：35-38. 开启布置在坑内的8口减压井，单井抽水量为960m²/d，减压井开启6d后，基坑内降深在6.1-8m，基坑外侧30m范围内降深在4-6m.满足降深要求.综合考虑，在开挖深度达到20.3m前的6d开启6层的减压井.另设2口井，作为观测兼备 用的作用. 2）8，层数值模拟结果分析 减压井开启5d后，基坑内降深在1m，满足降深要求.综合考虑，在开挖深度达到24.57m前的5d备用. 开启8，层的减压井.另设2口井作为观测兼 4结语 通过对宁波轨道交通永达路站抽水试验，获得拟，得到承压降水等值线，主要结论如下. 了承压层水位参数，并利用软件对抽水试验进行模 （上接第140页） 稳定性研究[J].中国地质灾害与防治学报，2004 15（3）：78-82.[2]李雨，岩溶区围岩与隧道初期支护结构相互作用研究[D] 南宁；广西大学 2012.[3]李始伟.岩溶公路隧道围岩-支护结构受力特性数值模拟分[4]沈东东，乐广高速岩溶隧道稳定性及突涵水研究[D].北京； 析[D].重庆：重庆交通大学，2010.中国姓质大学，2011.[5]间亮，不良地质条件隧道润口段支护研究[D].北京；北京交 通大学 2009.[6]陈改霞或功岭隧道润口段他工方法与支护参数的研究[7]曹邦举，浅析对隧道润口支护的研究[J].中国新技术新产 [D].成都；西南交通大学，2007.品 2011 (9) ;58.[8]吴金刚，宋艳彬，陈仁东，等，公路隧道铜口段支护结构加强 设计优化研究[J].现代隧道技术 2014 51(6）：12-18. 侵限，给隧道施工安全造成极大的隐患.根据黔张常铁路岩溶隧道施工情况，隧道穿越溶槽填充物多分布在隧道润口段附近，因此在进润前一定要摸清岩溶隧道润口段地质情况，如有必要，可增加钻探 详勘：在掌握了详细的溶槽发育地质资料后，就可以提前制订有针对性的处理方案.一旦进洞施工后如出现快速的支护变形，应立即停止掘进，同时加强监控量测，先对已施工段进行加固处理，切忌 冒然掘进.待沉降稳定查明原因并制定稳妥的开挖支护措施后再进行掘进施工，同时要加大预留沉降量，确保沉降储备，确保隧道掘进安全. 参考文献： [1]焦斌权，新晓光，李晓红，等，岩溶区隧道围岩-支护体系 万方数据
