破碎围岩条件下隧道内部沉降控制技术研究

王海社，张亚杰，任裕廷

（中交二公局国际公司，陕西 西安 710065）

1 研究背景及意义

隧道工程是现代交通建设中不可或缺的一部分，它在提高交通效率、节约土地资源、保护生态环境等方面发挥着重要作用。然而，隧道工程也面临着许多技术难题，其中之一就是如何控制隧道开挖及支护后产生的洞内沉降。洞内沉降会影响隧道结构的安全性和耐久性，甚至导致隧道破坏或坍塌，给施工和运营带来巨大风险。洞内沉降的大小和分布与围岩条件有密切关系。在破碎围岩条件下，由于围岩具有强度低、变形大、渗透性强等特点，隧道开挖及支护后产生的洞内沉降更为严重和复杂。隧道开挖及支护后产生的洞内沉降是影响隧道结构安全和稳定性的重要因素之一[1-4]。因此，探讨破碎围岩条件下隧道开挖及支护后产生的洞内沉降控制问题具有重要的理论意义和工程价值。

本论文主要针对破碎围岩条件下隧道开挖及支护后产生的洞内沉降控制技术进行分析。首先，对破碎围岩条件下隧道开挖及支护后沉降成因进行分析，指出在隧道开挖或支护后产生沉降及变形的特殊位置及发生原因；其次，对已有的隧道沉降控制技术进行阐述，说明各种施工技术所适用的条件和施工效果；最后，对实际工程中所采用的各种配套沉降控制措施进行了研究，分析其使用的具体位置以及效果，最终得出了一套针对破碎围岩条件的隧道内部沉降控制方法，为今后的隧道工程提供一定的参考。

2 破碎围岩条件下隧道开挖及支护后沉降成因分析

破碎围岩条件下隧道开挖及支护后沉降产生的原因主要包括以下几方面：首先，隧道开挖导致围岩应力释放和重分布，使围岩发生弹性变形和塑性变形，从而引起隧道周边和地表的沉降。其次，隧道开挖导致地下水位下降和渗流场改变，使含水土层或岩层发生固结收缩或膨胀，从而引起隧道周边和地表的沉降。最后，隧道支护结构与围岩之间存在一定的空隙或缝隙，使得部分围岩向空隙或缝隙内移动或垮塌，从而引起隧道周边和地表的沉降。这些成因相互作用、相互影响，共同决定了破碎围岩条件下隧道开挖及支护后沉降的程度和范围[5-6]。

综上所述，破碎围岩条件下隧道开挖及支护后沉降产生的成因主要有3 个方面：围岩应力释放、地下水位下降和支护结构与围岩之间存在空隙或缝隙。这些成因相互作用、相互影响，共同决定了破碎围岩条件下隧道开挖及支护后沉降的程度和范围。

3 破碎围岩条件下隧道开挖及支护后沉降控制技术

对上述破碎围岩条件下隧道开挖及支护后产生沉降的因素进行了分析之后，本文开展了对应的控制方法研究。通过综合各类施工方法以及通过技术创新来有效地控制破碎围岩条件下隧道开挖及支护后产生的沉降。

3.1 已有的隧道沉降控制技术

隧道沉降控制是指在隧道施工过程中，采取一定的方法和措施，减少或避免地面沉降对周围环境和建筑物的影响。根据不同的原理和方式，隧道沉降控制技术可以分为地层处理技术和隧道自身技术两大类。

地层处理技术是指通过改变或提高地层的强度、刚度、渗透性等性质，来抑制或消除地层运动的方法。常用的地层处理技术有超前注浆、深层注浆、土钉墙、桩基加固等。超前注浆是指在隧道掘进前，先在地层中注入水泥浆或其他材料，形成一定的固结体，从而提高地层的强度和刚度，减少地层运动。深层注浆是指在隧道掘进过程中，通过注入水泥浆或其他材料，形成一定的固结体，从而提高地层的强度和刚度，减少地层运动。土钉墙是指在隧道周围的地层中，钻孔后注入水泥浆或其他材料，然后在孔内钉入钢筋或钢绞线，形成一定的固结体，从而提高地层的强度和刚度，减少地层运动。桩基加固是指在隧道周围的地层中，钻孔后注入水泥浆或其他材料，然后在孔内钉入桩，形成一定的固结体，从而提高地层的强度和刚度，减少地层运动。

3.2 破碎围岩条件下隧道内部沉降控制技术方案

根据上述已有的隧道沉降控制技术，以及结合沉降产生的主要原因，本文制定了具体的控制沉降的技术方案。破碎围岩条件下隧道内部沉降控制技术方案如下。

1） 分析原因：破碎围岩的特点是强度低、变形大、易发生松散和垮塌，给隧道开挖和支护带来很大困难。隧道开挖过程中，由于围岩扰动、地压作用、水文地质条件等因素，会导致洞内沉降和位移，进而诱发地表裂缝和滑移。隧道支护结构的刚度、强度、稳定性等与围岩匹配程度直接影响着隧道的安全性能。

2） 确定目标：要将洞内沉降和位移控制在允许范围内，保证隧道结构的完整性和安全性。减少地表裂缝和滑移的发生和扩展，保护地表环境和设施。优化支护结构设计，提高施工效率和经济性。

3） 采取措施：要在开挖前进行充分的勘察设计，确定断层破碎带位置、形态、规模等参数，并根据不同断层形态对围岩稳定性进行敏感性分析。在开挖过程中采用适宜的开挖方法，如弧形导坑预留核心土法或CD 法，减小开挖断面积，减少围岩扰动。在开挖后及时进行有效的初期支护，并根据现场情况调整支护参数。在初期支护后进行有效的二次补强，并根据现场情况调整补强参数。如有必要可采用地表注浆或洞内环向注浆，并进行典型孔注浆试验指导后续工作。在施工过程中加强监控量测，在关键部位设置监测点，如洞内沉降、位移、应力、应变等，及时分析监测数据，判断隧道稳定性和支护效果，并根据监测结果调整施工方案。在施工过程中加强地表保护，在地表裂缝处采取挖槽回填粘土处理，在洞口下方沟堑处进行部分回填，在洞口平台位置修建挡墙，在地表边坡位置增加测斜观测，并通过分析确定洞口山体是否稳定。如有必要，再采取进一步的洞口加固措施，如抗滑桩、锚索加固等。

控制沉降的技术方案流程见图1。

图1 控制沉降的技术方案流程图

4 案例分析

4.1 工程概况

塞尔维亚E763 高速公路PP 段项目，线路起讫桩号为右线K131+472—K134+675（左线K131+485—K134+750），右线K141+940—K144+740（左线K141+973—K144+809）；路线长度6.101 km。工程内容主要包含Laz 隧道进口至出口路基零填零挖点，Munjino Brdo 隧道所有土建工程的施工。路基挖方27.3×104m3。项目合同工期36 个月。

4.2 应用措施与价值

在工程项目建设期间，左洞发生了掌子面围岩破碎掉落，引发支护上部围岩垮塌。在支护过程中，右洞进尺8.9 m，在距洞口3 m 左右，初支拱顶位置出现由沉降引起的横向裂缝，与此同时伴随有纵向位移。针对这一情况应用本文提出的控制破碎围岩条件下隧道内部沉降的技术方案，具体应用如下：首先，分析了沉降产生的原因，洞内沉降的主要原因是现场地质条件差，洞顶覆盖层无凝聚力，过程中无法自稳，作为直接荷载作用于支护结构上。同时洞口有轻微偏压，开挖过程中，洞内支护强度偏弱，洞内发生沉降及位移，诱发地表裂缝。根据现场情况判断，地表裂缝表现为垂直隧道方向，在未开挖段落靠近掌子面附近，随开挖进尺而出现，初步判定是由洞内沉降引发的地表沉降滑移。其次，确定目标为控制洞内产生的沉降以及地表沉降滑移。最后，采取对应的控制措施。一是当前右洞掌子面暂停开挖，临时仰拱保持跟进，尽快封闭成环。二是格栅拱架刚度较型钢拱架低，在施工中应当先对格栅拱架进行饱满喷混，使喷混和拱架尽快结合、共同受力。在后续施工中，应当保留核心土，发挥稳定掌子面支护的作用。根据现场实际情况、施工难易程度等情况，综合考虑采用地表注浆／洞内环向注浆等方式进行加固，加固方案施作前，应进行典型孔注浆试验，指导后续注浆工作。考虑型钢拱架当地采购及报批困难，建议格栅钢架采用0.5～0.6 m 间距，后续施工建议采用12 m 长管棚支护。加强监控量测，在地表边坡的位置，建议增加测斜观测，通过分析确定洞口山体是否稳定。如果有必要，再采取进一步洞口加固措施，例如抗滑桩、锚索加固等。尽快安装测斜管，加强现场监控。

除此之外，针对某隧道施工中出现的纵向滑移、开挖方式、支护下沉收敛等问题，提出了相应的解决方案和建议。首先，根据现场及监控数据分析，该隧道出现的纵向滑移属于典型的牵引性滑移，建议在两隧道之间设置微型桩+承台，并及早施作明洞和洞门，并进行明洞回填反压，以有效地控制隧道纵向位移。同时，通过测斜管监测判断洞口是否为滑坡体，并确定滑移面位置。其次，针对围岩破碎、纵向位移和沉降较大的地段，建议采用弧形导坑预留核心土法或CD 法掘进，以减小开挖断面积和围岩扰动。如有必要，可采用玻纤锚杆超前加固。再次，针对支护下沉收敛问题，建议缩小钢筋格栅柔性支护间距，并加强格栅钢架纵向连接；增大锁脚直径，并控制施作角度；设置拱架拱脚纵向托梁；用自进式锚杆替代洞内管棚。最后，还提出了其他方面的建议，包括加强隧道径向注浆补强、控制注浆压力时间顺序、采用挖槽回填粘土的方法处理地表裂缝等。根据前期沉降数据由设计单位进行3D 建模，对二衬进行相应加固，二衬钢筋主筋由φ16 改为φ20，钢筋拱架间距由100 cm降为80 cm。图2 为加固前的有限元分析图。

图2 有限元分析图

通过应用上述技术方案，有效地解决了某隧道施工中的沉降问题。左洞采用单侧壁临时支撑，分区域平行开挖支护，实现了仰拱施工的前100 m 沉降稳定，但掌子面附近仍需加强监测。右洞采用三台阶预留核心土开挖支护，结合超前小导管注浆预加固，严格控制仰拱初支及下台阶与掌子面的距离，做到强支护，早成环，并及时设置监控点进行监测，保证了初支收敛沉降量在合理范围内，并逐步趋于稳定。其沉降监测结果见图3。

图3 距掌子面50 m 处竖向沉降观测情况

5 结束语

本文以破碎围岩条件下隧道开挖及支护后产生的洞内沉降控制技术为研究对象，首先综述了国内外相关领域的研究现状和存在的不足，然后分析了影响隧道沉降的主要因素和机理，接着系统地总结和比较了目前常用的沉降控制措施及其优缺点，基于此提出了一种适用于破碎围岩条件下的隧道内部沉降控制技术方案，并以塞尔维亚E763 高速公路PP 段项目为例进行了实践验证。验证结果表明，本文提出的技术方案能够有效减小施工过程中的沉降量，有效预防危险事故的发生，保障工程项目的安全和质量。