大斷面超偏壓黃土隧道出口段換拱施工技術(shù)

李明耿

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西太原 030024)

1 工程概況

臨縣隧道進(jìn)口位于興縣康寧鎮(zhèn)楊塔溝內(nèi)，出口位于臨縣白文鎮(zhèn)楊家莊村附近。本隧道起訖里程DK50+535—DK61+167，全長(zhǎng)10 632 m，為單洞雙線隧道。隧道進(jìn)口至DK60+716.45段位于直線上，DK60+716.45至出口段位于R=800 m的曲線上。隧道坡度設(shè)計(jì)為單面坡。

本隧道出口段DK59+615—DK61+167中Ⅳ級(jí)圍巖段長(zhǎng)1 475 m，占95.039%;Ⅴ級(jí)圍巖段長(zhǎng)53 m，占3.415%;明洞長(zhǎng) 24 m，占 1.546%(見(jiàn)表 1)。其中DK60+883—DK60+586段沿山脊邊坡布線，沿線地表多處分布有沖溝陷穴，并且線路左側(cè)有一大沖溝，常年有水，拱頂比溝底最大高9.26 m(DK60+820)。K60+830—K60+586段地表埋深為19.84～64.3 m，最小埋深19.84 m在DK60+760，該處隧道開挖邊線到地表最小臨空面距離為16.15 m。DK60+883—DK60+586段橫斷面線路左側(cè)地面比線路右側(cè)地面低，最大高差為83 m，最大橫坡達(dá)76.6%(DK60+830)，存在嚴(yán)重偏壓現(xiàn)象。

對(duì)于大斷面黃土隧道的施工技術(shù)［1-2］和三臺(tái)階七步施工法［3］都有所報(bào)道，但這些技術(shù)對(duì)于本項(xiàng)目都不適合，結(jié)果導(dǎo)致了變形且侵限不收斂。

2 施工中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案

2.1 洞內(nèi)變形情況

隧道正洞洞身采用三臺(tái)階七步開挖法。施工過(guò)程中隧道出現(xiàn)了嚴(yán)重變形。DK60+800—DK60+980段仰拱填充面產(chǎn)生縱向裂縫，并有錯(cuò)臺(tái)產(chǎn)生，裂縫最大寬度達(dá)30 mm，錯(cuò)臺(tái)最大達(dá)10 mm。DK60+805—DK60+753段初期支護(hù)后的變形表現(xiàn)為拱頂下沉為250～400 mm，水平收斂為223～285 mm，而初期支護(hù)的預(yù)留變形量原設(shè)計(jì)為200 mm，因此該段變形嚴(yán)重侵限，需要進(jìn)行換拱處理。

表1 臨縣隧道出口段圍巖分級(jí)、開挖及襯砌情況

由于DK60+805—DK60+753初期支護(hù)15 d的變形速率還處15～27 mm/d的高位，說(shuō)明了初期支護(hù)的效果非常不佳。因此在換拱時(shí)必須同時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。

2.2 處理措施

根據(jù)專家的分析意見(jiàn)，提出了侵限段的處理方案:先洞外后洞內(nèi)，同時(shí)加強(qiáng)地表及洞內(nèi)的觀測(cè)。具體的處理措施為洞外減壓和洞內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)。

2.2.1 洞外減壓處理

DK60+753—DK60+851段山頂?shù)乇聿扇⌒遁d以減小偏壓對(duì)隧道的壓力，卸載高度15 m，卸載寬度為裂縫往線路右側(cè)外30 m，卸載的土體用于反壓線路左側(cè)深溝。卸載高度每10 m一個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階寬度3 m，坡率按1∶1刷坡。由于線路左側(cè)溝底有滲水現(xiàn)象，因而在溝底施作盲溝以避免溝底積水。盲溝從DK60+650開始往外施作，具體長(zhǎng)度根據(jù)卸載段的長(zhǎng)度確定，保證盲溝長(zhǎng)度大于卸載長(zhǎng)度10 m。對(duì)盲溝處深50 cm和寬5 m的地表土換填沙礫石，并進(jìn)行碾壓，保證碾壓后的換填土表面低于周圍地面線;換填碾壓完成后施作盲溝，盲溝尺寸采用1.2 m(高)×0.4 m(寬)，盲溝底層及上表均覆蓋土工布，防止土體進(jìn)入盲溝影響其透水功能，盲溝采用粒徑＞15 cm的粗圓礫石填筑，粗圓礫石必須保證具備良好的透水性。盲溝頂采取土體反壓，每填筑1 m將其碾壓密實(shí)。

2.2.2 洞內(nèi)換拱及加強(qiáng)支護(hù)處理

為了有效控制換拱后的變形，換拱支護(hù)參數(shù)比原先有所加強(qiáng)，具體的換拱支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 換拱支護(hù)參數(shù)

對(duì)侵限的初期支護(hù)嚴(yán)禁采用爆破拆除，采用人工配合風(fēng)鎬，換拱順序從大里程往小里程進(jìn)行。每次拆除拱架不得超過(guò)一榀，第一次拆除時(shí)須在拆除位置前后各1 m施工超前小導(dǎo)管，保證拆除過(guò)程施工安全，拆除拱架前必須施作長(zhǎng)3 m的超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管搭接長(zhǎng)度1 m以上。以拱架每一分節(jié)為一作業(yè)單元，在每一作業(yè)單元內(nèi)遵循以下原則:破除原混凝土及背后侵限圍巖→拆除原拱架單元→輪廓及位置測(cè)量(以確保拆換后新立的拱架預(yù)留沉降變形量30 cm)→更換新拱架單元→施作超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)片→噴射混凝土封閉→下一工作單元施工。初期支護(hù)厚度為30 cm，同時(shí)在下臺(tái)階將拱腳加寬20 cm形成大拱腳，增加臨時(shí)I20a工字鋼仰拱。對(duì)已施工仰拱段換拱的工字鋼與仰拱工字鋼連接采用仰拱工字鋼頂部焊接I25a工字鋼托梁，換拱工字鋼直接安放在托梁上，焊接牢固。

換拱范圍為DK60+805—DK60+753，為了消除偏壓的影響，其中DK60+778—DK60+771段增設(shè)了管棚，即從DK60+771處開始施工管棚，管棚洞室高度和寬度均比換拱后斷面加大80 cm，以方便管棚施工。

換拱第一階段:上臺(tái)階換拱至DK60+793，開始中臺(tái)階換拱。中臺(tái)階先換線路右側(cè)的鋼架，把線路右側(cè)侵限部分的土體用運(yùn)輸車?yán)龆赐?，左?cè)土體不動(dòng)。當(dāng)中臺(tái)階換完4 m后，再對(duì)線路右側(cè)下臺(tái)階進(jìn)行換拱。右側(cè)中臺(tái)階換拱至DK60+795，下臺(tái)階換拱至DK60+797時(shí)，對(duì)線路左側(cè)的中臺(tái)階開始換拱，換拱順序與右側(cè)一致，并對(duì)線路右側(cè)已換好的中下臺(tái)階進(jìn)行回填，回填土體采用線路左側(cè)的土體。當(dāng)中下臺(tái)階換至與線路右側(cè)里程一致時(shí)，開始施作仰拱，仰拱每次開挖不得超過(guò)2 m，仰拱施工完成后及時(shí)施作DK60+805—DK60+797段二次襯砌。

換拱第二階段:上臺(tái)階換拱至DK60+781，中臺(tái)階換拱至DK60+783，下臺(tái)階換拱至DK60+785，中下臺(tái)階換拱方法與第一階段換拱時(shí)一致，換拱完成及時(shí)施作DK60+797—DK60+785段仰拱與二次襯砌。

換拱第三階段:上臺(tái)階換拱至DK60+771，中下臺(tái)階不換，當(dāng)上臺(tái)階換拱完成后開始施工管棚，DK60+778—DK60+785段做成坡度以方便施工機(jī)械作業(yè)。

換拱第四階段:管棚施工完成后，進(jìn)行中下臺(tái)階換拱，中臺(tái)階換拱至DK60+751，下臺(tái)階換拱至DK60+753，中下臺(tái)階換拱方法與第一階段換拱時(shí)一致，換拱完成及時(shí)施工DK60+785—DK60+753段仰拱與二次襯砌。

2.2.3 監(jiān)控量測(cè)

1)隧道圍巖監(jiān)控量測(cè)方法

換拱施工過(guò)程中加強(qiáng)隧道監(jiān)控觀測(cè)［3-7］，定人、定時(shí)、定點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，按每3 m測(cè)一個(gè)斷面，量測(cè)頻率見(jiàn)表3，監(jiān)控量測(cè)方法及要求見(jiàn)表4。

表3 量測(cè)頻率

2)監(jiān)控量測(cè)管理

觀察及量測(cè)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)修改支護(hù)參數(shù)。一般正常狀態(tài)須同時(shí)滿足以下條件:①凈空變化速度＜0.2 mm/d時(shí)，噴射混凝土表面無(wú)裂縫或僅有少量微裂縫，圍巖基本穩(wěn)定;②位移速度除在最初1～2 d允許有增加外，應(yīng)逐漸減少。當(dāng)凈空變化速度持續(xù)＞1.0 mm/d時(shí)，加強(qiáng)初期支護(hù)。變形管理等級(jí)依照表5執(zhí)行。

表4 監(jiān)控量測(cè)方法及要求

表5 變形管理等級(jí)

3)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

在隧道換拱施工過(guò)程中，山頂?shù)乇斫?jīng)過(guò)卸載，地表裂縫得到了有效控制;洞內(nèi)通過(guò)換拱和加強(qiáng)支護(hù)，在換拱后10 d內(nèi)變形速率快速減小，洞內(nèi)變形也呈現(xiàn)出明顯的收斂趨勢(shì)。

換拱后20 d隧道內(nèi)拱頂下沉值及水平收斂值最大發(fā)生在監(jiān)測(cè)斷面DK60+780，其拱頂下沉最大值為162 mm，斷面收斂最大值為63 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］提供的回歸函數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，選用回歸分析中相關(guān)系數(shù)較大的回歸函數(shù)的極限值作為最終變形量的預(yù)測(cè)值。對(duì)換拱后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到最大變形預(yù)測(cè)值為183 mm，明顯小于變形預(yù)留量30 cm。

通過(guò)分析監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):隨著換拱施工的不斷進(jìn)行，拱頂下沉、斷面收斂和仰拱裂縫均得到控制。

3 結(jié)論

1)通過(guò)洞外地表卸載減壓，洞內(nèi)分階段換拱施工，很好地解決了施工中出現(xiàn)的拱頂下沉、仰拱裂縫、錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題，保證了隧道施工的正常進(jìn)行。

2)在偏壓黃土隧道的施工中，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，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。通過(guò)合理選擇工法、預(yù)支護(hù)類型以及提高初期支護(hù)整體剛度等措施可減少甚至避免此類問(wèn)題的發(fā)生。同時(shí)要適當(dāng)加大開挖預(yù)留變形量，確保黃土隧道支護(hù)穩(wěn)定后不侵限。

［1］ 史趙鵬．偏壓超淺埋大斷面黃土隧道施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2010(5):59-61．

［2］ 李可寧．大斷面黃土隧道施工控制［J］．鐵道建筑，2011(8):53-54．

［3］ 劉偉．大斷面黃土隧道三臺(tái)階七步開挖法施工技術(shù)［J］．中國(guó)鐵路，2010(5):66-69．

［4］ 高建國(guó)．大斷面淺埋黃土隧道設(shè)計(jì)與施工［J］．交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011(1):141-144．

［5］ 宋冶，王新東，王剛，等．客運(yùn)專線大斷面黃土隧道施工監(jiān)控技術(shù)［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(1):52-58．

［6］ 初厚永．大斷面黃土隧道斜井進(jìn)入正洞挑頂施工技術(shù)［J］．鐵道建筑技術(shù)，2010(12):44-49．

［7］ 周亦濤，薛曉輝，王勝濤，等．雙線隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析［J］．國(guó)防交通工程與技術(shù)，2007，5(3):26-28．