隧道偏压处理技术在凤凰山隧道工程中的应用
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【摘要】随着我国交通建设的飞跃式发展，山区高速公路日益增多，山岭隧道施工技术也在不断的提高。然而由于山岭隧道地质的复杂性、地形地貌的多样性，在隧道施工过程中，经常会遇到隧道偏压的问题。偏压常伴有浅埋，洞口段多为松散的围岩且浅埋，如果处理不当会造成严重后果。本文在处理凤凰山隧道偏压问题时，采用钢支撑倒三角型临时支护与注浆加固粉质砂性土的方法来穿过偏压区。从监控量测结果可以看出，该方案有很好的成效。
【关键词】偏压;钢支撑;加固;注浆
1.工程概况
凤凰山隧道位于广州市东部，单隧道长2381m，开挖直径17.65米，是一座上下分离的大跨度高速公路隧道，其起点位于渔沙坦村蓝屋，终点位于天鹿南路黄陂村附近，穿越一座低山，相对高差约200米。 隧道围岩主要为Ⅳ，Ⅴ级。
左线洞口段地表属于低山区斜坡地貌，山坡陡峻，地形自然坡角约45°。表层为残破积土，下部为全、强风化混合花岗岩，多为硬土状和散体装，透水性一般。衬砌结构为Ⅴa 型复合式衬砌。 洞口段地质情况与勘测设计图中大体一致，前期施工一直正常。但在2014年9月4至6日连续降雨后，第三方监测报告显示ZK2+672与ZK2+677两断面右拱腰处监测点连续几日累计沉降值较大，已经超过了极限位移值的三分之二，其中沉降速率最大的一天达到10mm/d。左侧沉降相对较小，该区间段有多条环向微裂纹，初喷混凝土略有掉片现象。
2.原因分析
1）地形偏压
沉降区距洞门85米，通过用全站仪对该沉降区地表横断面进行量测，发现该段地表陡峻，隧道纵向位于两座山相接的山谷区，左侧为一纵向深沟。隧道左侧拱腰距地表仅4.2米，右侧拱腰处距地表12.2米，地表横坡为38°～46°。按照围岩覆盖厚度判断法，ZK2+670-ZK2+680段隧道受严重偏压作用。由于隧道处于浅埋区，经计算，隧道由地形引起的偏压为主要因素。
2）地质偏压
在隧道掘进至ZK2+670时，开挖显示掌子面左侧围岩为粉质砂性土，右侧为褐色全风化花岗岩。掌子面左右两侧两种类型的围岩分界较明显，分界面倾角与山体倾斜角接近，见图2.1。分界面上的粉质砂性土，在地下水作用下易成软塑状，此两种界面不利于围岩稳定。隧道开挖扰动影响，围岩沿着分界面蠕动。
图2.1 隧道地形偏压示意图
3）施工原因造成偏压
在隧道掘进过程中，采用了三台阶七部开挖法。在ZK2+675附近仰拱施做过程中，由于机械故障，在仰拱开挖完成后，未能及时浇筑混凝土，使隧道及早闭合成环，致使当日ZK2+672与ZK2+677两检测断面沉降值较大。
3.处理方案
1）沉降区处地表处理
沉降区处的地表用喷射混凝土封闭，厚度为10cm，以防止雨水的继续渗入。同时从沉降区的地表处的上下游测沿着垂直于分界面的方向打设长度为5～6m的Φ50钢花管，间距1m*1m，梅花形布置，以穿过围岩分界面，并注浆加固松散的围岩，保证坡体不会沿着分界面滑动。
2）洞内加强支护
ZK2+670-ZK2+680段初期支护出现环向裂缝、累计沉降过大情况后，即刻用每断面两榀I22工字钢成倒三角型顶向左右拱腰。沉降区每隔0.75米布设一个加强断面，断面间的钢支撑用钢筋焊接连接成排，以增强钢支撑的稳定性。并从其他标段调运机械，把挖开的仰拱进行浇筑。
图3.1 偏压区加固示意图
由于ZK2+672与ZK2+677两监测断面处左拱腰处及拱顶处围岩主要为粉质砂性土，在ZK2+670-ZK2+680区间段对左拱腰及拱顶采用长3mΦ50钢花管按1m*1m梅花型布进行注浆加固，以增强粉质砂性土的整体性。
在以后开挖仰拱的过程中，每次进尺1m，逐榀拆除临时加固的工字钢，并在下台阶的初期支护钢支撑中打入Φ50的锁脚导管，以减少仰拱开挖时由钢拱架自重引起的沉降和拱脚大变形。同时加快二衬的施工速度，使二衬紧跟闭合的仰拱。
4.数值模拟分析
本次分析使用Midas/GTS有限元分析软件，选取ZK2+672的截面进行分析。鉴于隧道建模处理的难度，围岩、隧道支护均根据经验，锚杆支护改善了围岩的受力条件，提高了围岩的c、φ值，因此锚杆加固区可采用等效强度原理模拟其加固效果。本次计算按偏低取值，锚杆加固区围岩c值提高20%，φ提高10%。考虑钢架对于初期支护刚度的贡献，初期支护中钢架采用等效刚度法进行考虑，即按EI=E′I′进行等效刚度计算。计算过程如下：
E： 折算后喷射混凝土的弹性模量，MPa
E0：原混凝土弹性模量，MPa
Sg：钢拱架截面积，m2
Eg：钢材弹性模量，MPa
SC：混凝土截面积，m2
原喷射混凝土材料为C25，根据 《公路隧道设计规范》E0 取值为2.95×104 MPa ;钢拱架采用I22b工字钢，Sg取值为46.528×04m2， Eg取值为2.01×05MPa。混凝土初期支护的喷射混凝土截面积为0.28 m2。代入数值得隧道喷射砼的弹性模量E=3.28×104MPa。
图4.1 隧道仰拱开挖后不加临时钢支撑的沉降图
图4.2 隧道仰拱开挖后有临时钢支撑的沉降图
经计算并提取隧道竖向位移结果，ZK2+673截面处若开挖仰拱后不加临时钢支撑，则在其做二次衬砌之前右拱腰与拱顶区域内沉降量将非常大，最大值将近30cm，若隧道仰拱开挖后按加固方案施做临时钢支撑I22，则其右拱腰与拱顶处竖向沉降值将减小很多，最大值约为13cm，在预留沉降量范围内，初期支护不会侵入二次衬砌的空间范围内。
5.断面监控量测
对于浅埋、偏压、固结程度低的地层，拱顶下沉测量至关重要。该工程主要采用水准仪，取隧道外稳定的固定点为基准点，然后对拱顶，拱腰等监控点进行观测。通过这些监测数据可得出ZK2+672与ZK2+677两断面上拱顶、拱腰三个测点的累计沉降曲线。该断面各测点的累计沉降量与变化趋势如图5.1所示，其中钢支撑加固措施从9月8日开始采取。
从监控量测结果生成的沉降曲线图可以看出，在偏压导致的沉降区域采用了钢支撑结合注浆加固方案取得了明显的效果，尽管沉降值仍然有增加，但是其增长趋势缓慢，可以推断出隧道围岩处于稳定的状态，且左拱腰处累计沉降量最大为135mm，未超过设计预留变形量，避免了初期支护侵入二次衬砌空间范围，同时也验证了数值模拟计算结果与实际相符。
图5.1两断面沉降曲线图
6.结语
针对凤凰山隧道出口端偏压引起左拱腰累计沉降较大的问题，主要采用了以工字钢斜撑、导管注浆加固粉质砂性土的方法来限制拱腰位移过快增加，确保初期支护不侵入二衬的空间范围，施工中逐榀拆除临时加固的工字钢是关键。该成功经验对后续工程有指导作用，可为类似工程提供参考和依据。
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