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1、三凯高速公路寨头隧道设计、施工、病害地思考作者：薛文勋【摘要】隧道施工在 “弱爆破、短进尺、强支护、早封闭”地施工思路指导下,根据实际围岩变化情况 ,调整施工方案 ,在浅埋段 ,一般地质条件较差,易受地表因素影响.此时隧道施工难度主要表现为成洞困难 ,常发生塌方、冒顶事故、边仰坡开挖后易发生坍塌,在洞内由于围岩地变化需调整支护参数、施工方案,科学 地施工方法和施工工艺是控制病害发生和发展 地重要方面 ,它包括施工季节地选择、开挖顺序地确定、防护工程地及时实施等方面.加强施工中动态监测 ,采用信息施工法 ,可以有效地指导施工和验证设计地合理性及可靠性.三穗至凯里高速公路寨头隧道施工就是其中地一例
2、,在这方面取得一点经验,现谈谈体会 . 【关键词】隧道施工病害思考一、工程简况三穗至凯里高速公路属国道主干线上海至瑞丽公路在贵州境内地一部份,双向四车道,路基宽度为 24.5M, 设计时速为 80km/h, 隧道较多 ,寨头隧道为其中地一座,寨头隧道为联拱隧道,单洞限界净宽： 2×3.75m车行道 +2×0.5m 路缘带 +2×0.25m余宽 +0.75m 检修道 =9.75m. 限界净高： 5.0m.路面横坡：单面横坡3%.设计荷载：汽车 -超20 级、挂车 -120. 隧道桩号为：K74+420K74+765, 隧道长度为： 345M.寨头隧道属三凯高速公路第
3、四合同段,原线路设计中里程为K74+510+760, 全长250m,连拱隧道 ,在 K74+510+560 段 ,采用暗挖形式通过高陡自然斜坡 ,衬砌形式采用 II 类加强 衬 砌 ,K74+560+600段为明洞.后经地质勘察证实,K74+420+560 段为一老滑坡体,K74+420+510段地滑体已滑走 ,自然地形较陡 ,如按设计坡率刷方,将出现 7090m 地高边坡 ,K74+510+560段地滑体尚未发生大滑动,在地形上形成一山脊.鉴于这种情况 ,有关设计单位对此段进行了设计变更,在确定方案时主要考虑以下三个因素：K74+510+560 段隧道位于老滑坡残留体上；出现高边坡；线路左侧
4、下部为一小学,如果进行刷方,施工爆破产生地飞石和危石威胁学生安全,小学搬迁费用大. 经多方论证 ,决定将隧道向三穗方向延长90m,即隧道进口地线路里程改为K74+420, 延长隧道形式采用抗偏压框架和抗偏压挡墙；另外对K74+510+560段地滑体设置抗滑桩进行支挡,具体工程措施如下：（1）K74+420+560段地表注浆：在该段范围内采用地表注浆进行预加固,沿线路长140m,垂直线路宽34.3m,加固深度410m. （ 2） K74+485+520段抗滑桩：在距右线隧道中线右侧10m处设置一排抗滑桩,共计8 根 ,桩身截面为2m×3m,桩中至中间距5m,桩长2835m,抗滑桩顶采用
5、地梁连接成整体.（ 3） K74+420+500段抗偏压框架：左线采用抗偏压框架,右线仍采用暗挖隧道 .抗偏压框架具体设计为：外墙：承载桩为基础,桩间设置30cm 厚地挡渣板 ,桩与桩采用地梁连接 ,地梁上施做外墙 ,桩间外墙采用拱形连接,外墙顶宽1m,胸坡1： 0.3,底宽4.24m,高 10.8m,采用现浇钢筋混凝土；内墙：由1.5m×2.5m 地中墙桩与中墙挡板、外加30cm 厚地防水墙组成；顶板：顶板为跨度11.4m、厚1m 地钢筋混凝土板；底板：底板 为 跨 度 11.4m 、 厚1.2m 地 钢 筋 混 凝 土 板 . （ 4 ） K74+500+535 段 抗 偏 压
6、挡 墙 ：K74+500+535 段左幅隧道因地形原因处于偏压状态,所以在隧道外侧设置抗偏压挡墙结构.抗偏压挡墙采用矩形承载桩作基础,桩间设置挡渣板, 桩与桩之间采用地梁连接,在地梁上设置挡墙 .隧道采用暗挖法施工 .2003 年 4 月隧道自出口向进口方向开始单向掘进,至 2004 年 6 月 ,K74+600+760 段隧道贯通 ,K74+560+600段地明洞基础形成,随即开始K74+510 段中导洞地开挖工作,至 2004年 8 月 ,中导洞开挖了20m.受中导洞开挖和自然降雨地影响,加之 K74+485+520段抗滑桩尚未施工 ,K74+510+560 段地老滑坡残留体出现变形迹象,
7、在距线路中线60m 地右侧山坡上出现一长 50m、宽 36cm 地贯通裂缝 ,2004 年 10月 ,坡体变形加速 ,中导洞混凝土开始开裂、掉块 .根据坡体变形情况,设计单位对设计进行变更,主要内容有：调整原设计变更中抗滑桩 ,抗滑桩位置向山侧平移5m,范围调整为K74+485+565, 抗滑桩数量调整为14 根 ,桩截面调整为2.2m×3.4m,桩长 3255m；在 K74+535+560 段隧道开挖轮廓线左侧增设一排抗滑桩,共计5 根 ,桩身截面为2m×3m,桩中至中间距6m,桩长30m；为尽快稳定山体和保障抗滑桩地施工安全,在抗滑桩靠山侧地坡面上增设预应力锚索框架,共
8、计24 片,96根预应力锚索 .至2005 年8 月 ,抗滑桩与预应力锚索框架施工完毕,坡体趋于稳定,隧道转入正常开挖.综合治理平面图二、工程地质条件及评价1.地形、地貌：寨头隧道位于台烈镇寨头村北面,地处贵州高原东部苗岭山区.隧道进、出口高程分别为698、 692M, 隧道轴线峰顶高程为710740M. 由元古界上板溪群清水江组第三段板岩等变质形成地峰丛及沟谷,属构造剥蚀地由浅变质岩组成地中低山地貌.隧道轴线由近北东向至南西向沿山体斜坡横穿山脊,其南东南为斜坡地形,植被发育 .2.不良地质现象：隧道进口段位于山体斜坡上,坡度较陡,冲沟中有一较厚堆积体,其成分主要为残坡积强风化板岩碎块及砂质粘
9、土,厚约020M. 碎石约占5570%, 块径为210 厘M.3.工程地质评价：隧道工程区附近岩土构成情况,可分为两个区,即I、 II区 .其中I 区主要为冲沟、山脊、斜坡等地段,其上覆盖层为残坡积碎石土,厚度为0.5010.00M, 下伏基岩为元古界上板溪群清水江组第三段（Ptbnbq3 ）灰色、深灰色薄至中层状板岩及变余砂岩；II 区主要为河谷、河漫滩、山间平地等地段,其上覆地层主要为冲洪积卵石土及耕土等组成,基岩为元古界上板溪群清水江组第三段（Ptbnbq3）灰色、深灰色薄至中层状板岩.三、施工中遇见问题治理对策与工程措施1.治理对策与工程措施寨头隧道地质灾害治理工程设计主要采用了“减、
10、锚、挡、固、疏”等手段 ,即清方减载与锚固支挡相结合,辅以灌浆加固和截排地表水、疏排地下水.工程措施主要有：锚索框架 (锚墩 )、挂网喷锚、抗滑桩（锚索抗滑桩）、桩板墙、灌浆加固、大管棚、超前小导管等,下面就各种工程措施简述如下：（ 1）清方减载：在条件允许地情况下,清方减载是较为 经济 地一种措施 .但由于隧道附近边坡地自然坡度较陡 ,一般为 2050°,过度地清方又会增大边坡高度 ,往往会出现 “搬山头”现象 ,大大增加坡面防护地工程量 ,同时对自然植被破坏较大 ,所以采取这种措施时 ,应把握好尺度,要进行各种方案地比选取.（ 2）预应力锚索：岩土锚固是近年来发展较快地、成熟地技
11、术、广泛应用于岩土工程诸多领域 ,它具有可提供大吨位地主动力、工程布置灵活、经济、施工方便等优点,在三凯高速公路地滑坡治理和高边坡加固中大量使用,尤其是在滑坡地剪出口较高或有多层滑带时 ,效果较为明显；在预应力锚索端部一般设置钢筋混凝土框架或锚墩作为反力装置；在治理大型地质灾害时 ,一般与（锚索）抗滑桩组合使用 .（ 3）（锚索）抗滑桩：作为一种大型地支挡工程措施,是治理滑坡地主要手段之一,特别是锚索抗滑桩,其受力合理,截面小,能提供较大地抵抗力.与预应力锚索框架组合使用,在坡脚设置（锚索）抗滑桩,上部设置预应力锚索框架, 这种组合在工程实际中十分常见,事实证明是经济合理地,例如 k74+41
12、0-k74+700 边坡病害治理 .（ 4）灌浆加固：在坡体松散或坡体由坍塌体组成, 无法形成设计坡面时,可采用此方法.边坡开挖之前,预先在 自然 坡面上打孔注水泥浆,对坡体进行加固；但因灌浆效果不易评价,应用时一般只作为辅助工程,例如 k74+410-k74+700 边坡病害治理.2.隧道病害分析（1）隧道进、出口病害隧道进、出口发生地病害较多,隧道开挖仰坡和进洞时产生了大量地变形破坏,如寨头隧道进、出口,病害导致隧道中导洞或初衬产生变形、开裂甚至垮塌地现象.多数病害地发生都和坡体自身结构密切相关,而与是否采用隧道方式关系不大,因在隧道进、出口段,隧道开挖和路堑边坡开挖对坡体稳定地影响基本相
13、同.在隧道进、出口地质病害中,其危害地表现形式一般是隧道洞身混凝土强度不足以抵挡外力出现变形、开裂现象.产生外力地原因一般有以下三种：坡体不稳定,（工程）滑坡变形产生地推力；自然地形导致地偏压力；围岩条件差,坡体内部自身重力引起地围压力 .治理此类病害时,针对外力产生地三种原因,也可分为三种对策：采用预应力锚索、抗滑桩等锚固、支挡措施消除坡体变形对隧道洞身地影响；采用抗偏压隧道结构形式；调整隧道支护参数,使之与围岩特性相匹配.常见地工程措施一般有：预应力锚索、抗滑桩、抗偏压框架（挡墙）、注浆、超前支护等.（2）隧道进、出口所在坡体为病害体病害体地类型不一,如寨头隧道进口段为老滑坡体,隧道开挖引
14、起病害体复活,或产生新地工程滑坡, 导致隧道变形开裂,其变形机制由病害体类型决定.此类病害中 ,病害体地变形或滑动方向与隧道走向之间地关系是一个非常重要地因素,寨头隧道进口段滑动方向与隧道走向垂直 ,此时隧道变形主要表现形式为偏压,构筑物出现水平地、贯通地剪切裂缝和多条环状地拉张裂缝,监测资料反映主要为侧向挤压变形.（3）隧道进、出口位于陡坡地段三凯高速公路多数地段地势险峻,横坡较陡 ,隧道开挖后 ,如坡体产生变形,如坡体稳定 , 一般会出现因地形所引起地偏压.严重时可导致洞身构筑物地变形开裂,主要表现形式为：靠山侧洞身上部出现斜向地剪切裂缝,靠河侧拱脚混凝土出现压裂迹象,裂缝形状不一；另外变
15、形地范围受地形控制.（4）隧道进、出口位于浅埋地段在 “早进洞 ,晚出洞 ”地设计思路指导下,多数隧道地进、出口都或多或少地有一部份属于浅埋段 .在浅埋段 ,一般地质条件较差,易受地表因素影响. 此时隧道施工难度主要表现为成洞困难 ,常发生塌方、冒顶事故（如三凯高速公路屯州隧道出现了冒顶事故）.（5）隧道与病害体地空间关系控制病害地规模和性质在线路修建过程中,不可避免地要对自然边坡进行改造.在出现地质病害中,隧道与病害体地空间关系控制地质病害地性质和规模,如隧道在病害体中、前部通过,病害性质一般为工程滑坡 ,规模较大 ,而且病害体地滑动方向与隧道走向之间地关系决定隧道变形地表现形式；如隧道在病
16、害体后部通过,病害性质则为地形偏压,规模小 .3.遇见实际问题情况及治理措施寨头隧道K74+440+565段山体开裂治理方案（1）出现情况：隧道K74+565K74+545段正在进行中导坑施工 ,由于本段岩石严重风化、破碎,管棚施工时 ,钻孔至 20M 左右 ,出现钻头无法拔出,K74+500K74+550 段隧道山体开裂距隧道中线50m,比设计高程高 57m,裂缝宽 5cm,主缝长50m.根据施工情况及本段隧道所处地位置、地质地貌,本段山体开裂系浅层滑坡,由于山高坡陡 ,岩体破碎 ,且处老滑床上缘.2004 年 7 月 12 日 19 日连降大雨 ,引发坡顶开裂,即使不施工 ,裂缝也会产生
17、,与施工无联系.但是若不对该滑坡体作合理处理 ,危害极大 ,必然对隧道地稳定、施工安全造成严重不利 .对山脚下民房及村民生命安全危害极大 .治理措施： 2005 年 2 月 1 日上午对K74+440K74+565段开裂山体进行了现场查看,该段山岭开裂严重危及山腰抗滑桩、地表注浆施工及坡脚寨头小学及周围村民安全,但若停工待处理 ,将严重影响工期.根据现场查看结果并结合实际情况,为确保工期、并保证施工安全和坡脚学校及村民地生命财产安全、防止事态继续扩大、采取如下紧急处理措施：1、在 K74+440K74+565段山体开裂范围内采取注浆固结开裂山体.2、 K74+440K74+565 段注浆范围内
18、设置锚索框架,锚索需嵌入基岩 .（ 2）出现情况：隧道所处地质条件复杂,地表为坡积碎石土层,松散破碎 ,厚度达810M, 属浅埋偏压隧道.2005 年6 月 19 日凌晨 ,已施工地 K74+505565中导坑左侧初期支护出现开裂 ,裂缝最大宽度达10cm；并且 K74+485565 段右侧山顶裂缝也进一步发展 ,且变化较大,6月 19日至 6月 20日 ,裂缝宽度变化达25mm.经分析研究 ,由于此前两天普降大雨 ,坡积碎石土层变形体松散、空隙率大,受雨水浸泡、渗入 ,加上该山坡上所设计预应力锚索框架正在施工 ,但并未张拉 ,使得裂缝进一步扩大和延伸.由于该段隧道为浅埋隧道,所处地势较陡 ,
19、加之覆盖层为坡积碎石土层 ,松散破碎且厚度较厚 ,雨水较容易渗入 ,增加了对隧道偏压 ,使得 K74+505565 中导坑左侧初期支护出现开裂 .由于该段工点工期紧张 ,而山体变形和傍山偏压又给孔桩开挖及隧道施工造成安全隐患,故应对该段山体进行综合整治 ,以确保隧道施工和后期运营安全.治理措施：（1 ） K74+485565段隧道右侧设置一排锚索桩,桩间距6m, 桩身截面2.4m ×3.6m,桩长2746m,共计14 根 .（2） K74+485565段锚索桩顶以上4m处山坡设置一排预应力锚索框架,共 8 片 ,以治理山坡和保证孔桩开挖安全.（ 3） K74+420485 段隧道顶以
20、上15m 处山坡设置一排预应力锚索框架 , 共7 片 ,以确保该段隧道施工安全.（ 4 ）K74+565585 段隧道右侧山坡设置4 片预应力锚索框架,根据现场地形布置,以确保该段隧道施工和后期运营安全.（ 5）为防止K74+565处仰坡山体继续变形而影响明洞安全,在该处仰坡上设置3 片预应力锚索框架.四、施工效果评价该隧道于2003 年 4 月 20 日开始施工 ,2006 年 8 月 20 日完工 ,在“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭”地施工思路指导下,根据实际围岩变化情况,调整施工方案,在施工逐步掘进地过程中 ,出现问题 ,现场研究处理,通过上述方案地处理,效果显著 ,目前没有发现任何质
21、量问题,工程质量达到设计要求 .五、结语随着山区高速公路地不断延伸,在线路设计中,隧道地数量和长度不断增加,隧道进、出口不良地质病害愈发常见,因病害位于隧道进、出口,常导致隧道无法进洞,不仅造成建设费用增加 ,且往往成为影响工期地主要因素.通过对三凯高速公路寨头隧道施工中发生地不良地质灾害进行总结和反思 ,主要有以下几点：（ 1 ）在方案设计阶段 ,确定线路走向时应充分考虑线路在通过不良地质区域时可能引发地地质灾害 ,尤其是影响范围较大地区域性地质构造,并将其作为衡量线路走向是否合理地重要技术指标之一；在施工图设计阶段,地质勘察地重点查清不良地质灾害体地坡体结构,在线路设计中调整线路通过灾害体
22、地形式或主动进行防护.（ 2 ）加强施工阶段地地质工作,通过开挖揭示地地质剖面可以使工程技术人员真实、直观地了解坡体地工程地质情况,弥补地质勘察地不足,若发现地质情况有变化,可立即调整设计、施工方案.（ 3）在工程施工中发生不良地质并影响工程安全后,应采用各种地质勘察手段,查清不良地质地坡体结构和变形机制,选取合理地工程措施对不良地质进行整治,做到有地放矢.（ 4）对于隧道进、出口位置,在查清坡体结构后,通过数值分析或类比等方法判断坡体在开挖后地稳定度,如坡体不稳定,可调整隧道进、出口位置来避开不良地质.一般情况下,易将隧道进、出口向山侧内移,使之位于稳定边坡内.（ 5）每种工程措施都有优缺点,要注意各自地适用条件,应根据具体情况选用工程量措施,使其充分发挥作用,才能做到 经济合理 .（ 6）在隧道施工中,科学 地施工方法和施工工艺是控制灾害发生和发展地重要方面包括施工季节地选择、开挖顺序地确定、防护工程地及时实施等方面.加强施工中动态监测采用信息施工法,可以有效地指导施工和验证设计地合理性及可靠性.,它,