三凱高速公路寨頭隧道設(shè)計、施工、病害思考

1、三凱高速公路寨頭隧道設(shè)計、施工、病害的思考作者：薛文勛【摘 要】隧道施工在“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的施工思路指導(dǎo)下，根據(jù)實際圍巖變化情況，調(diào)整施工方案，在淺埋段，一般地質(zhì)條件較差，易受地表因素影響。此時隧道施工難度主要表現(xiàn)為成洞困難，常發(fā)生塌方、冒頂事故、邊仰坡開挖后易發(fā)生坍塌，在洞內(nèi)由于圍巖的變化需調(diào)整支護(hù)參數(shù)、施工方案，的施工方法和施工工藝是控制病害發(fā)生和的重要方面，它包括施工季節(jié)的選擇、開挖順序的確定、防護(hù)工程的及時實施等方面。加強(qiáng)施工中動態(tài)監(jiān)測，采用信息施工法，可以有效地指導(dǎo)施工和驗證設(shè)計的合理性及可靠性。三穗至凱里高速公路寨頭隧道施工就是其中的一例，在這方面取得一點經(jīng)驗，現(xiàn)

2、談?wù)勼w會?！娟P(guān)鍵詞】隧道施工 病害 思考一、工程概況三穗至凱里高速公路屬國道主干線上海至瑞麗公路在貴州境內(nèi)的一部份，雙向四車道，路基寬度為24.5米，設(shè)計時速為80km/h,隧道較多，寨頭隧道為其中的一座，寨頭隧道為聯(lián)拱隧道，單洞限界凈寬：2W75m車行道+2X0.5m路緣帶+2X0.25m余寬+0.75m檢修道=9.75m。限界凈高：5.0m。路面橫坡：單面橫坡 3%。設(shè)計荷載：汽車-超20級、掛車-120。隧道樁號為：K74+420K74+765 ，隧道長度為：345 米。寨頭隧道屬三凱高速公路第四合同段，原線路設(shè)計中里程為K74+510+760 ， 全長 250m，連拱隧道，在K74+5

3、10+560 段，采用暗挖形式通過高陡斜坡，襯砌形式采用II 類加強(qiáng)襯砌， K74+560+600 段為明洞。后經(jīng)地質(zhì)勘察證實，K74+420+560 段為一老滑坡體，K74+420+510 段的滑體已滑走，自然地形較陡，如按設(shè)計坡率刷方，將出現(xiàn)7090m 的高邊坡， K74+510+560 段的滑體尚未發(fā)生大滑動，在地形上形成一山脊。鑒于這種情況，有關(guān)設(shè)計單位對此段進(jìn)行了設(shè)計變更，在確定方案時主要考慮以下三個因素： K74+510+560段隧道位于老滑坡殘留體上；出現(xiàn)高邊坡；線路左側(cè)下部為一小學(xué)，如果進(jìn)行刷方，施工爆破產(chǎn)生的飛石和危石威脅學(xué)生安全，小學(xué)搬遷費用大。經(jīng)多方論證，決定將隧道向三穗

4、方向延長90m,即隧道進(jìn)口的線路里程改為K74+420,延長隧道形式采用抗偏壓框架和抗偏壓擋墻；另外對K74+510+560 段的滑體設(shè)置抗滑樁進(jìn)行支擋，具體工程措施如下：（ 1）K74+420+560段地表注漿：在該段范圍內(nèi)采用地表注漿進(jìn)行預(yù)加固，沿線路長140m,垂直線路寬34.3m,加固深度410m。（2） K74+485+520段抗滑樁：在距右線隧道中線右側(cè) 10m處設(shè)置一排抗滑樁， 共計8根，樁身截面為2mx3m,樁中至中間距5m,樁長2835m ,抗滑樁頂采用地梁連接成整體。（ 3） K74+420+500 段抗偏壓框架：左線采用抗偏壓框架，右線仍采用暗挖隧道。抗偏壓框架具體設(shè)計為

5、：外墻：承載樁為基礎(chǔ)，樁間設(shè)置30cm厚的擋渣板，樁與樁采用地梁連接，地梁上施做外墻，樁間外墻采用拱形連接，外墻頂寬1m，胸坡1: 0.3,底寬4.24m,高10.8m,采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土；內(nèi)墻：由1.5mX2.5m的中墻樁與中墻擋板、外加 30cm厚的防水墻組成；頂板：頂板為跨度11.4m、厚1m的鋼筋混凝土板；底板：底板為跨度 11.4m、厚1.2m的鋼筋混凝土板。（4） K74+500+535段抗偏 壓擋墻：K74+500+535 段左幅隧道因地形原因處于偏壓狀態(tài)，所以在隧道外側(cè)設(shè)置抗偏壓擋墻結(jié)構(gòu)。抗偏壓擋墻采用矩形承載樁作基礎(chǔ)，樁間設(shè)置擋渣板，樁與樁之間采用地梁連接，在地梁上設(shè)置擋墻。

6、隧道采用暗挖法施工。2003 年 4 月隧道自出口向進(jìn)口方向開始單向掘進(jìn)，至2004 年 6 月， K74+600+760 段隧道貫通，K74+560+600 段的明洞基礎(chǔ)形成，隨即開始K74+510 段中導(dǎo)洞的開挖工作，至2004年8月，中導(dǎo)洞開挖了 20m。受中導(dǎo)洞開挖和自然降雨的影響，加之 K74+485+520段抗滑樁尚未施工，K74+510+560 段的老滑坡殘留體出現(xiàn)變形跡象，在距線路中線60m 的右側(cè)山坡上出現(xiàn)一長50m、 寬 36cm 的貫通裂縫，2004年 10 月， 坡體變形加速，中導(dǎo)洞混凝土開始開裂、掉塊。根據(jù)坡體變形情況，設(shè)計單位對設(shè)計進(jìn)行變更，主要內(nèi)容有：調(diào)整原設(shè)計變

7、更中抗滑樁，抗滑樁位置向山側(cè)平移5m,范圍調(diào)整為 K74+485+565 ,抗滑樁數(shù)量調(diào)整為14根，樁截面調(diào)整為 2.2mX3.4m,樁長3255m ;在K74+535+560段隧道開挖輪廓線左側(cè)增設(shè)一排抗滑樁，共計5根，樁身截面為2mx 3m,樁中至中間距6m,樁長30m；為盡快穩(wěn)定山體和保障抗滑樁的施工安全，在抗滑樁靠山側(cè)的坡面上增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索框架， 共計 24 片， 96 根預(yù)應(yīng)力錨索。至 2005 年 8 月， 抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索框架施工完畢，坡體趨于穩(wěn)定，隧道轉(zhuǎn)入正常開挖。-綜合治理平面圖二、工程地質(zhì)條件及評價1 .地形、地貌：寨頭隧道位于臺烈鎮(zhèn)寨頭村北面，地處貴州高原東部苗嶺山區(qū)。

8、隧道進(jìn)、出口高程分別為 698、692米，隧道軸線山I頂高程為 710740米。由元古界上板溪群清水江 組第三段板巖等變質(zhì)形成的峰叢及溝谷，屬構(gòu)造剝蝕的由淺變質(zhì)巖組成的中低山地貌。隧道軸線由近北東向至南西向沿山體斜坡橫穿山脊，其南東南為斜坡地形，植被發(fā)育。2 .不良地質(zhì)現(xiàn)象：隧道進(jìn)口段位于山體斜坡上，坡度較陡，沖溝中有一較厚堆積體，其 成分主要為殘坡積強(qiáng)風(fēng)化板巖碎塊及砂質(zhì)粘土，厚約020米。碎石約占5570%,塊徑為210厘米。3 .工程地質(zhì)評價：隧道工程區(qū)附近巖土構(gòu)成情況，可分為兩個區(qū)，即I、II區(qū)。其中I區(qū)主要為沖溝、山脊、斜坡等地段，其上覆蓋層為殘坡積碎石土，厚度為 0.5010.00米

9、，下 伏基巖為元古界上板溪群清水江組第三段(P tbnbq3)灰色、深灰色薄至中層狀板巖及變余砂巖；II區(qū)主要為河谷、河漫灘、山間平地等地段，其上覆地層主要為沖洪積卵石土及耕 土等組成，基巖為元古界上板溪群清水江組第三段( P tbnbq3)灰色、深灰色薄至中層狀 板巖。三、施工中遇見問題治理對策與工程措施1.治理對策與工程措施寨頭隧道地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計主要采用了減、錨、擋、固、疏”等手段，即清方減載與錨固支擋相結(jié)合，輔以灌漿加固和截排地表水、疏排地下水。工程措施主要有：錨索框架 (錨墩)、掛網(wǎng)噴錨、抗滑樁(錨索抗滑樁)、樁板墻、灌漿加固、大管棚、超前小導(dǎo)管等，下面就各種工程措施簡述如下：（

10、 1）清方減載：在條件允許的情況下，清方減載是較為的一種措施。但由于隧道附近邊坡的自然坡度較陡，一般為2050° ， 過度的清方又會增大邊坡高度，往往會出現(xiàn)“搬山頭 ”現(xiàn)象， 大大增加坡面防護(hù)的工程量，同時對自然植被破壞較大，所以采取這種措施時，應(yīng)把握好尺度，要進(jìn)行各種方案的比選取。（ 2）預(yù)應(yīng)力錨索：巖土錨固是近年來發(fā)展較快的、成熟的技術(shù)、廣泛應(yīng)用于巖土工程諸多領(lǐng)域，它具有可提供大噸位的主動力、工程布置靈活、經(jīng)濟(jì)、施工方便等優(yōu)點，在三凱高速公路的滑坡治理和高邊坡加固中大量使用，尤其是在滑坡的剪出口較高或有多層滑帶時， 效果較為明顯；在預(yù)應(yīng)力錨索端部一般設(shè)置鋼筋混凝土框架或錨墩作為反

11、力裝置；在治理大型地質(zhì)災(zāi)害時，一般與（錨索）抗滑樁組合使用。（ 3） （錨索）抗滑樁：作為一種大型的支擋工程措施，是治理滑坡的主要手段之一，特別是錨索抗滑樁，其受力合理，截面小， 能提供較大的抵抗力。與預(yù)應(yīng)力錨索框架組合使用，在坡腳設(shè)置（錨索）抗滑樁，上部設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索框架，這種組合在工程實際中十分常見，事實證明是經(jīng)濟(jì)合理的,例如k74+410-k74+700 邊坡病害治理。（ 4）灌漿加固：在坡體松散或坡體由坍塌體組成，無法形成設(shè)計坡面時，可采用此方法。 邊坡開挖之前，預(yù)先在坡面上打孔注水泥漿，對坡體進(jìn)行加固；但因灌漿效果不易評價，應(yīng)用時一般只作為輔助工程，例如k74+410-k74+700

12、 邊坡病害治理。（ .隧道病害分析（ 1）隧道進(jìn)、出口病害隧道進(jìn)、出口發(fā)生的病害較多，隧道開挖仰坡和進(jìn)洞時產(chǎn)生了大量的變形破壞，如寨頭隧道進(jìn)、出口，病害導(dǎo)致隧道中導(dǎo)洞或初襯產(chǎn)生變形、開裂甚至垮塌的現(xiàn)象。多數(shù)病害的發(fā)生都和坡體自身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而與是否采用隧道方式關(guān)系不大，因在隧道進(jìn)、出口段，隧道開挖和路塹邊坡開挖對坡體穩(wěn)定的影響基本相同。在隧道進(jìn)、出口地質(zhì)病害中，其危害的表現(xiàn)形式一般是隧道洞身混凝土強(qiáng)度不足以抵擋外力出現(xiàn)變形、開裂現(xiàn)象。產(chǎn)生外力的原因一般有以下三種：坡體不穩(wěn)定，（工程）滑坡變形產(chǎn)生的推力；自然地形導(dǎo)致的偏壓力；圍巖條件差，坡體內(nèi)部自身重力引起的圍壓力。治理此類病害時，針對外力產(chǎn)

13、生的三種原因，也可分為三種對策：采用預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁等錨固、支擋措施消除坡體變形對隧道洞身的影響；采用抗偏壓隧道結(jié)構(gòu)形式；調(diào)整隧道支護(hù)參數(shù)，使之與圍巖特性相匹配。常見的工程措施一般有：預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁、抗偏壓框架（擋墻）、注漿、超前支護(hù)等。（ 2）隧道進(jìn)、出口所在坡體為病害體病害體的類型不一，如寨頭隧道進(jìn)口段為老滑坡體，隧道開挖引起病害體復(fù)活，或產(chǎn)生新的工程滑坡，導(dǎo)致隧道變形開裂，其變形機(jī)制由病害體類型決定。此類病害中，病害體的變形或滑動方向與隧道走向之間的關(guān)系是一個非常重要的因素，寨頭隧道進(jìn)口段滑動方向與隧道走向垂直，此時隧道變形主要表現(xiàn)形式為偏壓，構(gòu)筑物出現(xiàn)水平的、貫通的剪切裂縫和多條

14、環(huán)狀的拉張裂縫，監(jiān)測資料反映主要為側(cè)向擠壓變形。（ 3）隧道進(jìn)、出口位于陡坡地段三凱高速公路多數(shù)地段地勢險峻，橫坡較陡，隧道開挖后，如坡體產(chǎn)生變形，如坡體穩(wěn)定， 一般會出現(xiàn)因地形所引起的偏壓。嚴(yán)重時可導(dǎo)致洞身構(gòu)筑物的變形開裂，主要表現(xiàn)形式為： 靠山側(cè)洞身上部出現(xiàn)斜向的剪切裂縫，靠河側(cè)拱腳混凝土出現(xiàn)壓裂跡象，裂縫形狀不一；另外變形的范圍受地形控制。（ 4）隧道進(jìn)、出口位于淺埋地段在 “早進(jìn)洞，晚出洞 ”的設(shè)計思路指導(dǎo)下，多數(shù)隧道的進(jìn)、出口都或多或少地有一部份屬于淺埋段。在淺埋段，一般地質(zhì)條件較差，易受地表因素影響。此時隧道施工難度主要表現(xiàn)為成洞困難，常發(fā)生塌方、冒頂事故（如三凱高速公路屯州隧道出

15、現(xiàn)了冒頂事故）。（ 5）隧道與病害體的空間關(guān)系控制病害的規(guī)模和性質(zhì)在線路修建過程中，不可避免地要對自然邊坡進(jìn)行改造。在出現(xiàn)地質(zhì)病害中，隧道與病害體的空間關(guān)系控制地質(zhì)病害的性質(zhì)和規(guī)模，如隧道在病害體中、前部通過，病害性質(zhì)一般為工程滑坡，規(guī)模較大，而且病害體的滑動方向與隧道走向之間的關(guān)系決定隧道變形的表現(xiàn)形式；如隧道在病害體后部通過，病害性質(zhì)則為地形偏壓，規(guī)模小。（ .遇見實際問題情況及治理措施寨頭隧道K74+440+565 段山體開裂治理方案（1 ）出現(xiàn)情況：隧道K74+565K74+545段正在進(jìn)行中導(dǎo)坑施工，由于本段巖石嚴(yán)重風(fēng)化、破碎，管棚施工時，鉆孔至20 米左右，出現(xiàn)鉆頭無法拔出，K74

16、+500K74+550 段隧道山體開裂距隧道中線50m， 比設(shè)計高程高57m，裂縫寬5cm,主縫長50m。根據(jù)施工情況及本段隧道所處的位置、地質(zhì)地貌，本段山體開裂系淺層滑坡，由于山高坡陡，巖體破碎，且處老滑床上緣。2004 年 7 月 12 日 19 日連降大雨，引發(fā)坡頂開裂，即使不施工，裂縫也會產(chǎn)生，與施工無聯(lián)系。但是若不對該滑坡體作合理處理，危害極大，必然對隧道的穩(wěn)定、施工安全造成嚴(yán)重不利。對山腳下民房及村民生命安全危害極大。治理措施：2005 年 2 月 1 日上午對K74+440K74+565 段開裂山體進(jìn)行了現(xiàn)場查看，該但若停工段山嶺開裂嚴(yán)重危及山腰抗滑樁、地表注漿施工及坡腳寨頭小學(xué)

17、及周圍村民安全，待處理，將嚴(yán)重影響工期。根據(jù)現(xiàn)場查看結(jié)果并結(jié)合實際情況，為確保工期、并保證施工安全和坡腳學(xué)校及村民的生命財產(chǎn)安全、防止事態(tài)繼續(xù)擴(kuò)大、采取如下緊急處理措施：1、在K74+440K74+565 段山體開裂范圍內(nèi)采取注漿固結(jié)開裂山體。2、 K74+440K74+565 段注漿范圍內(nèi)設(shè)置錨索框架，錨索需嵌入基巖。（ 2） 出現(xiàn)情況：隧道所處地質(zhì)條件復(fù)雜，地表為坡積碎石土層，松散破碎，厚度達(dá) 810米，屬淺埋偏壓隧道。2005 年 6 月 19 日凌晨，已施工的K74+505565 中導(dǎo)坑左側(cè)初期支護(hù)出現(xiàn)開裂，裂縫最大寬度達(dá)10cm；并且K74+485565段右側(cè)山頂裂縫也進(jìn)一步，且變化

18、較大，6月19日至6月20日，裂縫寬度變化達(dá) 25mm。經(jīng)分析研究，由于此前兩天普降大雨，坡積碎石土層變形體松散、空隙率大，受雨水浸泡、滲入，加上該山坡上所設(shè)計預(yù)應(yīng)力錨索框架正在施工，但并未張拉，使得裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大和延伸。由于該段隧道為淺埋隧道，所處地勢較陡，加之覆蓋層為坡積碎石土層，松散破碎且厚度較厚，雨水較容易滲入，增加了對隧道偏壓，使得 K74+505565 中導(dǎo)坑左側(cè)初期支護(hù)出現(xiàn)開裂。由于該段工點工期緊張，而山體變形和傍山偏壓又給孔樁開挖及隧道施工造成安全隱患，故應(yīng)對該段山體進(jìn)行綜合整治，以確保隧道施工和后期運營安全。治理措施：（1） K74+485565段隧道右側(cè)設(shè)置一排錨索樁，樁間

19、距 6m,樁身截面2.4m >3.6m,樁長2746m,共計14根。（2） K74+485565段錨索樁頂以上 4m處山坡設(shè)置一排預(yù)應(yīng)力錨索框架，共8 片，以治理山坡和保證孔樁開挖安全。（ 3） K74+420485 段隧道頂以上15m 處山坡設(shè)置一排預(yù)應(yīng)力錨索框架，共7 片，以確保該段隧道施工安全。（ 4）K74+565585 段隧道右側(cè)山坡設(shè)置4 片預(yù)應(yīng)力錨索框架，根據(jù)現(xiàn)場地形布置，以確保該段隧道施工和后期運營安全。（ 5）為防止K74+565 處仰坡山體繼續(xù)變形而影響明洞安全，在該處仰坡上設(shè)置3 片預(yù)應(yīng)力錨索框架。四、施工效果評價該隧道于2003 年 4 月 20 日開始施工，2006 年 8 月 20 日完工，在“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的施工思路指導(dǎo)下，根據(jù)實際圍巖變化情況，調(diào)整施工方案，在施工逐步掘進(jìn)的過程中，出現(xiàn)問題，現(xiàn)場研究處理，通過上述方案的處理，效果顯著，目前沒有發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題，工程質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。五、結(jié)語隨著山區(qū)高速公路的不斷延伸，在線路設(shè)計中，隧道的數(shù)量和長度不斷增加，隧道進(jìn)、出口不良地質(zhì)病害愈發(fā)常見，因病害位于隧道進(jìn)、出口， 常導(dǎo)致隧道無法