復(fù)雜地質(zhì)長大黃土隧道施工技術(shù)研究

劉 偉

1 工程概況

西平鐵路1標(biāo)位于陜西省咸陽市境內(nèi)，黃土隧道大小共3座，其中丁家山隧道長5 774 m，為西平鐵路1標(biāo)最長的黃土隧道，隧道在洞身中部設(shè)斜井一座。丁家山隧道地貌上屬于黃土殘塬區(qū)，主要地層為第四系全新統(tǒng)沖積粘質(zhì)黃土、上更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土。粘質(zhì)黃土以粘粒為主，多孔隙，直立性強(qiáng)，上部具有濕陷性。柱狀節(jié)理發(fā)育，易坍塌、掉塊，成洞性差。

2 具體施工技術(shù)

2.1 洞口開挖及邊仰坡臨時(shí)防護(hù)

黃土隧道施工首先要考慮確保進(jìn)洞施工的安全，因此，洞口開挖邊仰坡坡度的選擇、臨時(shí)防護(hù)及超前支護(hù)參數(shù)的選定相當(dāng)重要。以丁家山隧道出口為例，丁家山隧道出口位于一凸出黃土梁咀上。洞口里程為DK55+679，洞口仰坡坡率為1∶1，采用分級(jí)開挖，每級(jí)邊坡高8 m。經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)地形情況，洞門挖方作業(yè)場地狹小，且高陡，洞口段隧道線路左側(cè)覆蓋土體較薄，局部有松散堆積土，且存在偏壓，影響洞門及洞口段隧道結(jié)構(gòu)安全。依據(jù)實(shí)際地形條件，洞口里程變更為DK55+657，即洞口里程向小里程方向移22 m，洞口仰坡高，仰坡坡率變更為1∶1.25，采用分級(jí)開挖，每級(jí)邊坡高8 m，邊仰坡采用骨架護(hù)坡防護(hù)。

2.2 超前支護(hù)

超前支護(hù)參數(shù)根據(jù)黃土類別的不同進(jìn)行選定，洞口土質(zhì)為松散的新黃土，采用超前大管棚進(jìn)行支護(hù)，洞身地段超前支護(hù)采用φ42超前小導(dǎo)管，而且注漿固結(jié)效果好，其參數(shù):水泥漿水灰比1∶1，最大注漿壓力均為1.0 MPa，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新黃土中漿液擴(kuò)散半徑大于50 cm，老黃土中僅為2 cm。超前大管棚施工時(shí)，其聯(lián)結(jié)部位必須確保有足夠強(qiáng)度及剛度，施工中優(yōu)先考慮絲扣連接，也可以套管焊接，不允許兩鋼管直接對(duì)焊使用。

2.3 洞身開挖

丁家山隧道原設(shè)計(jì)為單一黃土隧道，施工中出現(xiàn)了灰?guī)r地層，并存在大量的土石分界地層?？紤]到黃土隧道的特殊性，結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)際情況，從黃土隧道過渡至石質(zhì)隧道圍巖共出現(xiàn)四種情況:純黃土斷面;土石分界斷面;灰?guī)r斷面;灰?guī)r斷面。根據(jù)以上四種情況開挖方法對(duì)應(yīng)四種方法:上下臺(tái)階預(yù)留核心土法;土石分界施工法;臺(tái)階爆破法;全斷面爆破法。

2.3.1 純黃土斷面

由于黃土隧道屬于軟質(zhì)圍巖，多為Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖，最忌擾動(dòng)，尤其圍巖柱狀節(jié)理發(fā)育時(shí)，極易坍塌、掉塊，成洞性差，故嚴(yán)禁爆破開挖，施工中一般采取短臺(tái)階法、弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土的方式進(jìn)行，核心土的留設(shè)可對(duì)掌子面土體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，從而對(duì)掌子面土體起加固作用，如圖1所示，以丁家山隧道為例，開挖中先以挖掘機(jī)挖除核心土周邊的土體，然后人工修整輪廓線周邊20 cm～30 cm土體，以避免出現(xiàn)大的超欠挖，當(dāng)局部夾含少量鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)、土質(zhì)較為堅(jiān)硬時(shí)，以風(fēng)鎬輔助作業(yè)。

圖1 上下臺(tái)階預(yù)留核心土法

圖2 土石分界斷面示意圖

2.3.2 土石分界施工法

土石分界施工法主要適用于隧道斷面上部為黃土，下部為灰?guī)r地段(見圖2)。上部采用人工配合挖掘機(jī)的方法開挖。下部施工時(shí)采用弱爆破的方法，下部左右兩側(cè)分開爆破，最大程度減小爆破震動(dòng)。上臺(tái)階控制在5 m左右。下部左右兩側(cè)分開爆破的間距控制在2榀拱架間距以內(nèi)。為保證拱頂不易產(chǎn)生失穩(wěn)、坍塌現(xiàn)象，爆破時(shí)嚴(yán)格控制好炮眼的深度、數(shù)目以及裝藥量等。

2.3.3 臺(tái)階爆破法

臺(tái)階爆破法適用于拱部覆蓋層小于10 m的全斷面灰?guī)r地段。

圖3 臺(tái)階法炮眼布置圖

因受強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r地層影響，拱部灰?guī)r覆蓋層穩(wěn)定性較差，采用臺(tái)階法爆破(見圖3)。開挖時(shí)先爆破上臺(tái)階，之后再爆破下臺(tái)階。上下臺(tái)階錯(cuò)開5 m左右。為控制隧道斷面爆破掏槽時(shí)產(chǎn)生的垂直震動(dòng)速度，選擇先引爆掏槽眼，再進(jìn)行上半斷面爆破的方法。下部施工時(shí)采用弱爆破的方法，左右兩側(cè)分開爆破。

2.3.4 全斷面爆破法

全斷面爆破法適用于拱頂覆蓋層大于10 m的灰?guī)r地段。

全斷面爆破法是整個(gè)斷面按設(shè)計(jì)爆破參數(shù)同時(shí)爆破的方法。爆破完成后為消除圍巖應(yīng)力集中和掉塊現(xiàn)象，及時(shí)初噴。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)安裝藥包錨桿。不需要安裝超前支護(hù)和初支鋼架。

2.4 初期支護(hù)

黃土隧道拱部土體自穩(wěn)性差，易坍塌及掉塊，故支護(hù)必須緊跟。根據(jù)“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早成環(huán)”的施工原則，每循環(huán)開挖后應(yīng)立即施作錨噴掛網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，認(rèn)真進(jìn)行初噴作業(yè)，初噴厚度為4 cm，特別對(duì)于黃土隧道施工而言，初噴混凝土能迅速封閉巖面，減少圍巖暴露時(shí)間，又能增強(qiáng)拱圈的自承能力。噴射混凝土?xí)r，分多次復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度，這樣可以保證噴射混凝土的施工質(zhì)量，又能減少回彈，節(jié)約施工成本。

施工中在拱架底部增設(shè)混凝土墊塊塞實(shí)，以避免拱架及初期支護(hù)不必要的沉降;拱架連接螺栓必須上齊并擰緊，騎縫焊接飽滿，并且考慮預(yù)留沉落量及二襯凈空擴(kuò)大量應(yīng)加大拱架圓弧半徑，以確保二襯施工前初期支護(hù)凈空滿足規(guī)范要求。

2.5 落底成環(huán)

當(dāng)掘進(jìn)施工進(jìn)尺達(dá)到5 m～10 m，必須進(jìn)行落底成環(huán)施工。落底成環(huán)施工要謹(jǐn)慎、科學(xué)組織，左右側(cè)錯(cuò)開一定距離分別落底，避免兩側(cè)同時(shí)落底，造成拱架懸空引起大的沉降。拱架落底時(shí)拱架底部要支立牢靠并及時(shí)回填。每次拱架落底不宜太長，洞口段每次1榀～2榀，其他段則按2榀～3榀進(jìn)行控制。以丁家山隧道為例，上導(dǎo)坑、落底成環(huán)及仰拱施工均保持12 m～15 m的間距。

2.6 仰拱及二襯施工控制

仰拱采用挖掘機(jī)開挖，仰拱開挖時(shí)要隨時(shí)注意初支變形情況，距拱腳50 cm左右處采用人工開挖，防止機(jī)械碰撞初支鋼架。仰拱開挖后關(guān)鍵環(huán)節(jié)是“及早閉合成環(huán)”。仰拱混凝土采用全幅整體灌注，利用移動(dòng)棧橋解決洞內(nèi)出土進(jìn)料與仰拱施工之間的干擾問題。在仰拱填充施工完畢后，立即施作拱墻防水和鋼筋綁扎，防水與鋼筋采用移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行，平臺(tái)長度10 m。鋼筋綁扎完畢，檢查合格后，臺(tái)車就位，立設(shè)堵頭模板，灌注混凝土。二次襯砌臺(tái)車距離掌子面距離不得超過70 m。

2.7 通風(fēng)防塵

通風(fēng)防塵的作用是稀釋和排出洞內(nèi)空氣中的粉塵，隧道施工通風(fēng)主要采用長管路獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方案。在隧道進(jìn)出口每個(gè)工點(diǎn)洞口外設(shè)2×55 kW軸流通風(fēng)機(jī)，施工初期采用單機(jī)通風(fēng)，后期采用雙機(jī)通風(fēng)。風(fēng)筒采用φ1 500 mm柔性風(fēng)筒。由于丁家山隧道斜井進(jìn)入正洞后分別向兩個(gè)方向施工，在洞口設(shè)兩臺(tái)2×55 kW軸流通風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒采用φ1 300 mm柔性風(fēng)筒，前期斜井施工時(shí)采用一臺(tái)2×55 kW軸流通風(fēng)機(jī)，進(jìn)入正洞后兩臺(tái)風(fēng)機(jī)分別向兩個(gè)方向進(jìn)行送風(fēng)。同時(shí)采取綜合防塵技術(shù)，洞內(nèi)每天噴霧灑水，可顯著的減少產(chǎn)塵量和防止塵土飛揚(yáng)。實(shí)踐證明，堅(jiān)持適量的灑水，可減少粉塵，確保洞內(nèi)空氣清新，創(chuàng)造良好的勞動(dòng)環(huán)境。

2.8 施工運(yùn)輸

丁家山隧道施工采用無軌運(yùn)輸方案。開挖施工采用挖掘機(jī)或裝載機(jī)配合裝碴，由自卸汽車運(yùn)輸至棄碴場;隧道混凝土襯砌施工采用混凝土攪拌運(yùn)輸車向洞內(nèi)運(yùn)送混凝土。為了加快施工進(jìn)度，保證隧道工期，在隧道內(nèi)每300 m將大避車洞加寬、加大，在避車洞內(nèi)錯(cuò)車，解決了長大單線隧道在洞內(nèi)的錯(cuò)車問題。此處大避車洞及兩側(cè)正洞二襯待開挖貫通后統(tǒng)一施工。

3 施工中的監(jiān)控措施

監(jiān)控量測工作緊跟開挖、支護(hù)作業(yè)。丁家山隧道每組監(jiān)控點(diǎn)共布設(shè)5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，其中拱頂一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，拱腰與拱腳各設(shè)一對(duì)收斂觀測點(diǎn)。布點(diǎn)采用Φ22鋼筋，鋼筋埋入圍巖深度不小于1 m，穿過初期支護(hù)時(shí)用塑料套筒隔絕與初期支護(hù)的所有聯(lián)系。施工中技術(shù)人員每天根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及監(jiān)控點(diǎn)與掌子面關(guān)系，確定監(jiān)控頻率。

4 確保黃土隧道施工安全關(guān)鍵要點(diǎn)

施工安全是隧道施工的靈魂，長大黃土隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，工期壓力大，確保其安全的壓力更加巨大。快速度、高質(zhì)量完成初期支護(hù)和二次襯砌，嚴(yán)格控制步長關(guān)系，確保施工安全，是加快施工進(jìn)度的關(guān)鍵。仰拱距掌子面距離不超過40 m，二襯距掌子面距離不超過70 m，作為一項(xiàng)紀(jì)律嚴(yán)格執(zhí)行。

5 結(jié)語

復(fù)雜地質(zhì)長大黃土隧道施工的首要問題是確保進(jìn)洞安全，而進(jìn)洞后施工安全的關(guān)鍵是早形成封閉環(huán)，成環(huán)方案要切實(shí)可行，并加強(qiáng)洞口地表沉降觀測及洞內(nèi)監(jiān)控量測，取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以便及時(shí)調(diào)整初期支護(hù)參數(shù)和預(yù)留沉降量。嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早成環(huán)”的施工原則，科學(xué)組織施工，能確保長大黃土隧道施工安全。

[1]王曉州.大斷面黃土隧道建設(shè)技術(shù)[M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

[2]杜永昌.高速與客運(yùn)專線鐵路施工工藝手冊[M］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2006.

[3]趙 勇.高速鐵路隧道[M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

[4]于 波.淺論濕陷性黃土隧道的施工方法[J］.山西建筑，2010，36(5):214-215.