偏壓超淺埋大斷面黃土隧道施工技術(shù)

史趙鵬

(中鐵十二局集團(tuán) 第二工程有限公司，太原 030032)

1 工程概況

鄭西鐵路客運(yùn)專(zhuān)線坳渠隧道全長(zhǎng)276 m，隧道按客運(yùn)專(zhuān)線雙線350 km/h設(shè)計(jì)。隧道襯砌內(nèi)輪廓最大跨度13.3 m，最大高度11.18 m，隧道內(nèi)凈空面積(軌頂面以上)為100 m2，開(kāi)挖斷面為164 m2。地層巖性為Q2老黃土夾砂卵礫石透鏡體及古土壤層，局部含上層滯水，具有膨脹性，上伏第四系上更新統(tǒng)Q3黏質(zhì)黃土。進(jìn)口段78 m范圍內(nèi)覆蓋層厚僅為3～6 m超淺埋，同時(shí)山體偏壓，為超淺埋偏壓隧道。

2 施工方案

針對(duì)進(jìn)口段超淺埋的特點(diǎn)，原設(shè)計(jì)為明挖后施作明洞襯砌，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘并約請(qǐng)專(zhuān)家論證，確定為明洞暗作的施工方案?？傮w施工方案為從出口向進(jìn)口方向采用“三臺(tái)階七步流水作業(yè)法”施作(圖1)，嚴(yán)格遵循“先預(yù)報(bào)、管超前、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則，當(dāng)施作至淺埋段時(shí)停止掘進(jìn)。同時(shí)從進(jìn)口提前施作大管棚后，從進(jìn)口向出口方向采用“三臺(tái)階七步流水作業(yè)法”單工序施工。

圖1 三臺(tái)階七步流水作業(yè)施工工序(單位:m)

2.1 洞口邊、仰坡開(kāi)挖

根據(jù)設(shè)計(jì)邊坡、仰坡開(kāi)挖邊線測(cè)量放樣，安排人工配合挖掘機(jī)分層自上而下開(kāi)挖，隨挖隨支，分層高度為2 m。開(kāi)挖邊、仰坡時(shí)，人工用坡度尺控制坡比，分層支護(hù)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行，挖至上臺(tái)階高度時(shí)，預(yù)留管棚機(jī)作業(yè)平臺(tái)，準(zhǔn)備施作超前長(zhǎng)管棚。

2.2 大管棚施工

管棚長(zhǎng)度為60 m，由φ108 mm的無(wú)縫鋼管組成，環(huán)向間距 40 cm(見(jiàn)圖 2)，共 46根，布管范圍夾角135°，每根鋼管長(zhǎng)6 m，壁厚6 mm。鋼管的外插角為1°～3°，采用自進(jìn)式管棚機(jī)施工，管棚機(jī)型號(hào)為北京中易恒通HTG-100型鉆機(jī)，鋼管接長(zhǎng)采用內(nèi)接絲，通過(guò)15～20 cm長(zhǎng)的內(nèi)接管車(chē)絲及無(wú)縫鋼管內(nèi)孔車(chē)絲，將6 m長(zhǎng)的無(wú)縫鋼管連接起來(lái)，保證兩根鋼管連接處維持在一個(gè)面上(即保證連接處的平整度)。安裝好有孔鋼花管后即對(duì)孔內(nèi)注漿，漿液由ZJ-400高速制漿機(jī)拌制。注漿后再施工無(wú)孔鋼管，無(wú)孔鋼管可以作為檢查管，檢查注漿質(zhì)量。采用注漿機(jī)將砂漿注入管棚鋼管內(nèi)，初壓 0.5～1.0 MPa，終壓2 MPa，持壓 15 min后停止注漿。注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍，若注漿量超限，未達(dá)到壓力要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，直至符合注漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確保鉆孔周?chē)鷰r體與鋼管周?chē)紫毒蓾{液充填，方可終止注漿。注漿時(shí)先灌注“單”號(hào)孔，再灌注“雙”號(hào)孔，注漿工藝示意于圖3。

圖2 大管棚施工橫斷面(單位:m)

圖3 注漿工藝示意

2.3 套拱施工

管棚施工結(jié)束后，沿管棚輪廓線在其下方安設(shè)I25工字鋼架。工字鋼架與管棚外露部分用鋼筋連接牢固，在管棚外輪廓鋪設(shè)外模，進(jìn)行混凝土導(dǎo)向墻施工，為暗洞施工創(chuàng)造條件。

2.4 開(kāi)挖及初期支護(hù)

采用“三臺(tái)階七步流水作業(yè)法”單工序施工，將開(kāi)挖斷面分為上、中、下及底部四個(gè)部分逐級(jí)掘進(jìn)施工。上部宜超前中部3～5 m，中部超前下部3～5 m，下部超前底部10 m以?xún)?nèi)。為方便機(jī)械作業(yè)，上部開(kāi)挖高度控制在4.5 m，中部臺(tái)階高度也控制在4.5 m，下部臺(tái)階控制在3.38 m。

嚴(yán)格實(shí)行單工序作業(yè)，開(kāi)挖上導(dǎo)時(shí)停止中下導(dǎo)及底部施工，開(kāi)挖中導(dǎo)或下導(dǎo)時(shí)每次只進(jìn)行單側(cè)開(kāi)挖，同時(shí)停止上或中下導(dǎo)另一側(cè)及底部施工，其它工序類(lèi)似。開(kāi)挖時(shí)每一循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度控制在0.6 m。

為保證安全，開(kāi)挖前拱部施作φ42 mm超前小導(dǎo)管對(duì)擬開(kāi)挖土體進(jìn)行注漿預(yù)加固，待漿液達(dá)到一定強(qiáng)度后，采用挖掘機(jī)開(kāi)挖，預(yù)留一定厚度由人工持風(fēng)鎬修邊到位。

每一臺(tái)階開(kāi)挖完成后，及時(shí)噴射4 cm厚微纖維混凝土對(duì)圍巖進(jìn)行封閉，施作系統(tǒng)錨桿，設(shè)立型鋼鋼架及鎖腳錨桿，最后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，分層復(fù)噴微纖維混凝土到設(shè)計(jì)厚度，完成一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)。

2.5 仰拱施工

下導(dǎo)初期支護(hù)完成后，根據(jù)黃土隧道地表沉降觀測(cè)及洞內(nèi)圍巖量測(cè)數(shù)據(jù)獲知:在仰拱施作之前，拱頂下沉速度與隧道周邊變形速率較大，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);待仰拱初支完成后，拱頂下沉速度與隧道周邊變形速率趨于緩和;待仰拱完成后，拱頂下沉與水平收斂基本停止。故仰拱宜盡量緊跟開(kāi)挖面施工，以有效地控制其變形，洞口段仰拱與掌子面距離控制在10～15 m以?xún)?nèi)，一次開(kāi)挖長(zhǎng)度控制在3 m以?xún)?nèi)，可分兩次開(kāi)挖待仰拱初支達(dá)到5 m長(zhǎng)度時(shí)，采用棧橋進(jìn)行全幅一次性施工仰拱填充。

2.6 二襯施工

隧道襯砌要遵循“仰拱超前、襯砌緊跟、墻拱整體襯砌”的原則，仰拱施作完成后，襯砌與掌子面距離控制在50 m以?xún)?nèi)，利用多功能作業(yè)平臺(tái)人工鋪設(shè)防水板、綁扎鋼筋后，采用液壓整體式襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行二次襯砌(采用拱墻一次整體灌筑施工)。混凝土在洞外采用自動(dòng)計(jì)量拌合站集中拌合，混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)運(yùn)至洞內(nèi)，混凝土輸送泵泵送入模?；炷翝仓笥覍?duì)稱(chēng)進(jìn)行，防止鋼模臺(tái)車(chē)偏移。

3 施工中出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)策

3.1 施工中出現(xiàn)的問(wèn)題

隧道套拱施工完畢后，即開(kāi)始進(jìn)行上導(dǎo)掘進(jìn)，當(dāng)上導(dǎo)掘進(jìn)5 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)地表開(kāi)始出現(xiàn)5 mm左右環(huán)向裂縫，當(dāng)上導(dǎo)掘進(jìn)至10 m時(shí)，中導(dǎo)跟進(jìn)至5 m，地表裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展至2 cm，同時(shí)在洞頂線路方向右側(cè)距中線4～6 m范圍出現(xiàn)3條縱向裂縫，裂縫最大寬度達(dá)到3 cm。同時(shí)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地表沉降最大值為106 mm，拱頂沉降最大值為228 mm。根據(jù)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示，施工段地表裂縫擴(kuò)展與拱頂下沉具有加劇的趨勢(shì)，因此決定立即停止掌子面掘進(jìn)。

3.2 原因分析

初步分析引起該段沉降及裂縫較大的原因主要有:

1)該段覆蓋層厚度為3～6 m，全部為第四系粉質(zhì)黃土，地質(zhì)條件較差，對(duì)大跨度隧道難以形成成拱效應(yīng)，雖然施作了大管棚，但初期支護(hù)難以完全承受上部荷載;

2)山體存在嚴(yán)重偏壓，致使洞身存在偏壓現(xiàn)象;

3)施工時(shí)未嚴(yán)格按照單工序施工，施工中導(dǎo)時(shí)未按照單邊開(kāi)挖的原則，而是交錯(cuò)開(kāi)挖了兩側(cè)中導(dǎo);

4)施工中仰拱未能及時(shí)閉合;

5)施工過(guò)程因下雨造成部分雨水下滲。

3.3 采取的主要對(duì)策

1)進(jìn)一步減小拱架間距，將拱架間距由原設(shè)計(jì)0.6 m縮小至0.4 m，同時(shí)針對(duì)拱頂下沉量較大，采取抬高鋼架，預(yù)留沉降量調(diào)整為25 cm的措施，確保二次襯砌厚度。

2)增加鎖腳錨管數(shù)量與長(zhǎng)度，數(shù)量由原設(shè)計(jì)4根增加為8根，長(zhǎng)度由4 m增加至6 m，以增加初期支護(hù)的剛度。

3)擴(kuò)大拱腳基礎(chǔ)，增設(shè)支撐墊板來(lái)增強(qiáng)拱腳承載力，減小拱頂下沉，提高鋼架支承能力。

4)對(duì)洞頂部分土方進(jìn)行減載，對(duì)線路右側(cè)進(jìn)行反壓回填，防止洞頂山體向右側(cè)位移。

5)對(duì)洞頂裂縫進(jìn)行注漿及堵塞處理，并在洞頂覆蓋彩條布，以防止雨水下滲。

6)嚴(yán)格按照單工序作業(yè)，停止掌子面施工，將開(kāi)挖掌子面采用掛網(wǎng)噴射混凝土封閉，立即進(jìn)行封閉仰拱施工。

7)必要時(shí)增設(shè)臨時(shí)仰拱進(jìn)行封閉，根據(jù)量測(cè)值加設(shè)工字鋼橫撐。

采取上述處理措施后，洞內(nèi)及地表沉降變形趨于穩(wěn)定，確保了隧道的安全與正常施工。

4 體會(huì)

通過(guò)該偏壓超淺埋大斷面黃土隧道洞口段的施工，主要體會(huì)及結(jié)論如下:

1)洞口段雖然設(shè)計(jì)有大管棚，具有良好的拱梁效應(yīng)，但對(duì)超淺埋偏壓隧道作用有限，對(duì)沉降與變形仍要引起高度重視。

2)地表沉降觀測(cè)與圍巖量測(cè)是隧道施工的重要工序，也是施工現(xiàn)場(chǎng)判定圍巖是否穩(wěn)定的依據(jù)之一，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)資料采取相應(yīng)的工程措施。從洞口段隧道監(jiān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，洞內(nèi)沉降值遠(yuǎn)大于地表沉降值，洞內(nèi)沉降值上導(dǎo)開(kāi)挖時(shí)較小，隨著中下導(dǎo)的開(kāi)挖數(shù)值逐漸變大，到仰拱初支封閉后沉降值變小，仰拱填充施作完畢后，沉降趨于停止。所以盡早進(jìn)行仰拱封閉是控制變形的一道關(guān)鍵工序。

3)淺埋隧道圍巖及初期支護(hù)變形過(guò)大或變形不收斂，又難以及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，可提前施作二次襯砌，以改善施工階段結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，此時(shí)二次襯砌應(yīng)予以加強(qiáng)。

4)“三臺(tái)階七步流水作業(yè)法”應(yīng)用于大斷面淺埋黃土隧道有其獨(dú)特之處，始終要堅(jiān)持“先預(yù)報(bào)、管超前、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。對(duì)淺埋洞口段一定要堅(jiān)持單工序作業(yè)，根據(jù)地質(zhì)變化合理選擇預(yù)留沉落量，增加鎖腳錨管、擴(kuò)大拱腳基礎(chǔ)、增設(shè)支撐墊板，同時(shí)以仰拱初噴混凝土增強(qiáng)地基承載力來(lái)減小圍巖松弛、收斂變形。

5)對(duì)淺埋黃土隧道，要特別注意地表水下滲，影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。采取回填夯實(shí)、封閉等改變地表水徑流條件等工程措施，避免地表水下滲影響結(jié)構(gòu)安全。

6)對(duì)淺埋、偏壓、黃土等特殊地質(zhì)隧道，施工方案的確定一定要邀請(qǐng)專(zhuān)家進(jìn)行可行性論證，以確保方案的安全性與有效性。

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