淺論濕陷性黃土隧道的施工方法

于 波

1 濕陷性黃土

黃土分類及其對隧道施工的影響:

黃土是在干燥氣候條件下形成的一種具有褐黃、灰黃或黃褐等顏色,并有針狀大孔、垂直節(jié)理發(fā)育的特殊性土。

黃土按其形成的年代可分為,形成于下更新世Q1的午城黃土和中更新世Q2的離石黃土,稱為老黃土。普遍覆蓋在上述黃土上部及河谷階地地帶上更新世Q3的馬蘭黃土及全新世Q′4下部的次生黃土,稱之為新黃土。此外,還有新近堆積黃土,為Q4的最新堆積物,多為近幾十年至近幾百年形成的。

根據(jù)其物理性質(zhì)不同,按塑性指數(shù)(Ip)的大小可分為:黃土質(zhì)粘砂土(1＜Ip≤7),黃土質(zhì)砂黏土(7＜Ip≤17)及黃土質(zhì)黏土(Ip＞17)。

黃土地層對隧道施工的影響主要有:1)黃土節(jié)理:在紅棕色或深褐色的古土壤黃土層,常具有各方向的構(gòu)造節(jié)理,有的原生節(jié)理呈X形,成對出現(xiàn),并有一定延續(xù)性。在隧道開挖時,土體容易順著節(jié)理張松或剪斷。如果這種地層位于坑道頂部,則極易產(chǎn)生“塌頂”;如果位于側(cè)壁,則普遍出現(xiàn)側(cè)壁掉土,若施工時處理不當(dāng),常會引起較大的坍塌。2)黃土沖溝地段:當(dāng)隧道在黃土沖溝或塬邊地段施工時,隧道在較長的范圍內(nèi)沿著沖溝或塬邊平行走向,在覆蓋較薄或偏壓很大的情況下,容易發(fā)生較大的坍塌或滑坡現(xiàn)象。3)黃土溶洞與陷穴:黃土溶洞與陷穴是黃土地區(qū)經(jīng)常見到的不良地質(zhì)現(xiàn)象,隧道若修建在其上方,則有基礎(chǔ)下沉的危害;隧道若修建在其下方,常有發(fā)生冒頂?shù)奈ｋU;隧道若修建在其鄰側(cè),則有可能承受偏壓。4)水對黃土隧道施工的影響:在含有地下水的黃土層中修建隧道,由于黃土在干燥時很堅固,承壓力也較高,施工可順利進(jìn)行。當(dāng)其受水浸濕后,呈不同程度的濕陷性,會突然發(fā)生下沉現(xiàn)象,使開挖后的圍巖迅速喪失自穩(wěn)能力,如果支護(hù)措施滿足不了變化后的情況,極容易造成坍塌。

眾所周知,隧道洞口的施工安全是整體隧道施工安全中的重中之重,而濕陷性黃土往往都是處在隧道的洞口位置,一般隧道的洞口往往還伴隨著淺埋偏壓等情況,因此,根據(jù)實際情況選擇一個實用的施工方法,對保證隧道的施工安全有著不可替代的作用。下面通過忻保高速公路L21標(biāo)的沙塔隧道的右線來談一下濕陷性黃土的施工方法。

2 沙塔隧道的施工方法

2.1 沙塔隧道簡介

沙塔隧道是忻保高速第二十一合同段內(nèi)的單位工程,隧道單線全長 1 027 m,其中左線440 m,右線 587 m,Ⅴ級淺埋段(濕陷性黃土段)長245 m。隧道內(nèi)輪廓按三心圓設(shè)計,橫斷面單洞凈寬10.86 m,洞內(nèi)路面橫坡2%。沙塔隧道洞口仰坡開挖高度約50 m,隧道的中心線處在黃土沖溝內(nèi),頂部埋深約0.5 m～3.0 m。

沙塔隧道為典型的高仰坡、淺埋、偏壓隧道。由于洞頂埋深較淺,黃土沖溝地表水極易滲到隧道開挖斷面內(nèi),含水率達(dá)到了20%,造成開挖時圍巖失穩(wěn),極易造成塌方。

2.2 沙塔隧道原設(shè)計的開挖方法

沙塔隧道原設(shè)計的開挖方法為側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖,如圖1所示。

眾所周知,側(cè)壁導(dǎo)坑法的主要目的就是通過減小開挖面積來控制變形和下沉。但是,這個方法在設(shè)計時忽略了以下幾個方面:

1)側(cè)壁導(dǎo)坑內(nèi)的施工為上下導(dǎo)坑法,由于面積太小,無法預(yù)留核心土。濕陷性黃土由于含水量太大,自穩(wěn)能力太差,隧道極易產(chǎn)生小塌方。2)側(cè)壁導(dǎo)坑內(nèi)的施工面積太小,無法用機(jī)械施工,而且出碴運(yùn)輸太慢,使鋼支撐不能及時封閉,極易造成塌方和隧道拱頂下沉。3)由于分步太多,對隧道的圍巖進(jìn)行了多次擾動,濕陷性黃土含水量又大,圍巖的特性本身就很難穩(wěn)定,再加上多次擾動,圍巖極易失穩(wěn),造成塌方和隧道的收斂與拱頂下沉數(shù)據(jù)加大。4)側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工步驟最后為封閉仰拱,由于封閉仰拱不及時,反而造成隧道下沉和變形。5)隧道下沉大,側(cè)壁的鋼拱架與另外一側(cè)的鋼拱架對接難度大。

在施工時,按照設(shè)計的側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,循環(huán)進(jìn)尺0.75 m,剛剛施工約10 m,隧道的一次支護(hù)混凝土就出現(xiàn)了破壞性裂縫,隧道地表出現(xiàn)裂縫,隧道內(nèi)的下沉和收斂的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范要求。隧道已經(jīng)處在失穩(wěn)狀態(tài),無法進(jìn)行開挖作業(yè)。當(dāng)時采取了停止掘進(jìn),對周邊圍巖進(jìn)行注漿加固和仰拱封閉,調(diào)整支護(hù)參數(shù),調(diào)整開挖方法。

2.3 沙塔隧道調(diào)整后的開挖方法

2.3.1 調(diào)整支護(hù)參數(shù)

原設(shè)計一次支護(hù)支護(hù)參數(shù)為:Ⅰ20a的工字鋼架,間距75 cm,φ22砂漿錨桿,間距75 cm×75 cm。調(diào)整后一次支護(hù)支護(hù)參數(shù)為:Ⅰ20a的工字鋼架,間距60 cm,φ22砂漿錨桿,間距75 cm×60 cm。拱腳部位每邊增加四根φ42鎖腳錨管,長3.5 m。

2.3.2 調(diào)整開挖方法

經(jīng)過討論,最后決定采用環(huán)形導(dǎo)坑短臺階法施工。環(huán)形導(dǎo)坑短臺階法主要有如下優(yōu)點:1)開挖分步少,減少了對圍巖的多次擾動。2)開挖面積大,能采用機(jī)械施工,減少施工時間,鋼拱架能及時封閉,減少圍巖暴露時間。3)一次支護(hù)成環(huán)時間短,利于隧道的穩(wěn)定。4)開挖面積大,但是由于預(yù)留有核心土,掌子面圍巖的暴露面積反而小,利于圍巖穩(wěn)定。5)鋼支撐連接沒有薄弱處。

2.3.3 環(huán)形導(dǎo)坑短臺階法施工

環(huán)形導(dǎo)坑短臺階法施工示意圖如圖2所示。

2.3.4 施工工序說明

短臺階法側(cè)向示意圖如圖3所示。

環(huán)形導(dǎo)坑短臺階法:首先施工拱部,拱部預(yù)留核心土,核心土與拱頂圍巖的距離為1.9 m,人員剛好能在頂部站立,方便施工,兩邊與圍巖的距離為2.0 m,除方便人員的施工外,還由于暴露面積小,不容易塌方,能保證人員的安全。拱部每一循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m;拱部開挖的土方由下導(dǎo)運(yùn)輸出洞,這樣施工作業(yè)面積大,利于機(jī)械施工,減少循環(huán)時間,減少圍巖暴露時間,減小圍巖變形。

拱部每次施工一個循環(huán)的同時,邊墻單邊施工兩個循環(huán),這樣拱部和邊墻距離能保持同步,利于下一道工序的施工。

邊墻開挖達(dá)到8 m后,開始開挖仰拱,仰拱開挖完8 m后,施作二次支護(hù)仰拱和填充,二次支護(hù)仰拱的快速封閉,對隧道的穩(wěn)定起最重要的作用。

2.3.5 核心土安全說明

眾所周知,濕陷性黃土要達(dá)到穩(wěn)定,它的坡度必須達(dá)到1∶1。上導(dǎo)的開挖高度為6 m,如果核心土也剛好預(yù)留6 m,它的坡度就剛好達(dá)到1∶1,這樣上導(dǎo)就不容易坍塌,對于隧道的安全施工有著決定性的作用。

2.3.6 環(huán)形導(dǎo)坑短臺階法施工后的量測結(jié)果

經(jīng)過近一段時間的施工,從施工安全、施工進(jìn)度、施工質(zhì)量上,都達(dá)到了比較滿意的結(jié)果。

3 結(jié)語

通過上一段時間的施工和量測結(jié)果可知,環(huán)形導(dǎo)坑短臺階法比較適合濕陷性黃土的施工。當(dāng)然這是我從自己的實際施工中得到的結(jié)論,僅供大家參考。