無工作室超前大管棚及三洞五步法在膨脹土隧道中的應(yīng)用

劉硯亮

摘要：膨脹土具有“浸水膨脹，失水收縮”特性，膨脹土圍巖將對(duì)隧道的穩(wěn)定和安全產(chǎn)生影響，因此應(yīng)改善膨脹土隧道的施工技術(shù)。結(jié)合太興鐵路專線小河溝膨脹土隧道施工實(shí)踐， 提出了無工作室超前大管棚過塌方段技術(shù)及“三洞五步法”施工開挖技術(shù)，并通過數(shù)值模擬及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)說明兩種技術(shù)的可行性，這對(duì)維護(hù)圍巖穩(wěn)定、支護(hù)結(jié)構(gòu)安全、保證施工順利進(jìn)行以及縮短工期和節(jié)約投資等都有著極其重要的意義，對(duì)于同類隧道的施工具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：膨脹土隧道；塌方段；無工作室超前大管棚；三洞五步法

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

Application of Non-cavern Advance Large Pipe Roof and Three-hole Five Step Excavation Method in Expansive Soil Tunnel

Liu Yan Liang

(China Railway 14th Bureau Group, Jinan，Shandong 250061，China)

Abstract：Expansive soil is swelling when soaking and shrinkage when losing water, then expansive soil will affect the stability and safety of tunnel, so we must improve the construction technology of expansive soil tunnels. Combined with the construction practice of Xiaohegou tunnel in TAIXING railway, the non-cavern advance large pipe roof is introduced into the collapse of tunnel and the “Three-hole Five-step Excavation Method” is also represented. In addition, the numerical simulation and monitoring are used to support the effectiveness of these technologies. This excavation method is of practical significance for keeping tunnel stability, shortening the construction period and investments. This study is also very significant for construction of simple tunnels.

Key words：expansive soil tunnel; the collapse of tunnel; the non-cavern advance large pipe roof; Three-hole Five-step Excavation Method

0 引言

若干年來，民間一直流傳著許多對(duì)于膨脹土的形象比喻和稱呼。例如，南方諸省廣為流傳的“晴天一把刀，雨天一團(tuán)糟”和“天晴張大嘴，雨后吐黃水”，則可以說是對(duì)膨脹土強(qiáng)度特性和脹縮特性規(guī)律的高度概括和逼真寫照[1]。膨脹土隧道施工開挖初期易開裂變形，隨時(shí)間推移圍巖會(huì)大量向隧道內(nèi)塑性擠出或底板大量隆起，使隧道初期支護(hù)或襯砌發(fā)生嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生坍塌冒頂。我國在膨脹土(巖)中修建了不少鐵路、公路隧道，如襄渝線的董家溝隧道、七里溝隧道、梅七線的崔家溝隧道、隴海線的吳莊隧道。由于對(duì)膨脹土變形破壞機(jī)理缺乏深刻認(rèn)識(shí)，施工過程中不能有意識(shí)地促使膨脹土從綜合機(jī)制向單一機(jī)制轉(zhuǎn)化，常使之狀態(tài)惡化，加速物化膨脹效應(yīng)，致使施工受到影響或投入運(yùn)營后因病害而停運(yùn)。雖然膨脹土隧道施工已經(jīng)引起了國內(nèi)專家的關(guān)注，但總體上講，我國膨脹土隧道施工技術(shù)水平與世界先進(jìn)國家尚有很大的差距，還沒有成熟的膨脹土隧道施工方法指導(dǎo)施工，施工方法落后單調(diào)，缺乏應(yīng)變能力，施工常出現(xiàn)反復(fù)，嚴(yán)重影響工程的按時(shí)竣工和正常運(yùn)行，甚至帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。

小河溝隧道是太興鐵路線上第一長大特殊膨脹性土質(zhì)隧道，其起止里程為DK73+754～DK75+557，全長1803m，隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，表層土體（由細(xì)膩的膠體顆粒組成）豎向節(jié)理和斜交剪切裂隙密集發(fā)育，斷口面光滑，隧道縱斷面圖如圖1所示。

圖1 小河溝隧道縱斷面圖

Fig. 1 Longitude section of Xiaohegou tunnel

隧道施工初期膨脹土體多表現(xiàn)為強(qiáng)脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性、強(qiáng)度衰減、遇水崩解、風(fēng)化特性。隨雨季期強(qiáng)降水，致使膨脹土體吸水至充填土體裂隙，土體膨脹變形，襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，尤其是洞口段拱腳處滲漏水嚴(yán)重。洞身膨脹土圍巖接近甚至超過塑限，部分土體呈硬塑狀，大部分呈軟塑狀，局部流塑狀，穩(wěn)定性差，極易坍塌掉塊。針對(duì)這種圍巖變形大，施工難度高的膨脹土質(zhì)隧道，施工過程稍有不慎，會(huì)嚴(yán)重危及施工安全。

本文以小河溝膨脹土隧道為工程背景，經(jīng)過對(duì)其施工技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得出了一套適用于膨脹土隧道塌方段施工技術(shù)及隧道開挖支護(hù)方法。實(shí)踐證明，采取的施工技術(shù)措施是科學(xué)合理的，確保了隧道在安全有序的環(huán)境下施工。

隧道塌方概述

DK75+193～DK75+262.72011年7月31日凌晨，小河溝隧道DK75+193～DK75+262.7段山體發(fā)生坍陷、滑移，坍陷深度達(dá)5米以上。山體滑移情況如圖2所示。DK75+180～DK75+247段山體（圖2黃圓圈部分）由線路左側(cè)向右前方（DK75+247～DK75+252段）坍陷滑移，同時(shí)DK75+252～DK75+265段山體（圖2紅圓圈部分）向右后方（DK75+247～DK75+252段）坍陷。圖2中黑色箭線為左線中心線。

坍陷后山體形成大量斷裂、陷坑，滑移體呈持續(xù)沉降變化，土體涌入隧道造成隧道塌方（圖3）。

圖2 山體塌陷、滑移情況

Fig. 2The collapse of mountain

圖3 土體涌入后洞內(nèi)情況

Fig. 3The tunnel after influx of soil

無工作室超前大管棚過塌方段技術(shù)

2.1 超前管棚方案的確定

由于DK75+193～DK75+262.7段山體發(fā)生滑移，所以導(dǎo)致隧道圍巖整體受到擾動(dòng)，為了安全通過塌方段，采用超前大管棚技術(shù)。為減少安裝超前大管棚對(duì)圍巖的再次擾動(dòng)，應(yīng)用無工作室超前大管棚技術(shù)，這樣既節(jié)省了施工空間又減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，如圖4所示。

拱部120°范圍內(nèi)設(shè)Φ108超前管棚支護(hù)，每環(huán)長15m，環(huán)向間距0.4m，縱向搭接長度3m，外插角1～3°，注1：1的水泥漿。

圖4 無工作室超前大管棚的安裝

Fig.4 The install of non-cavern advance large pipe roof

2.2 數(shù)值模擬

應(yīng)用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)超前大管棚支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，理論驗(yàn)算支護(hù)效果。

（1）模型參數(shù)

模型尺寸為長×寬×高=110m×96m×20m，隧道拱頂埋深33m。初次支護(hù)噴射混凝土厚30cm，采用shell單元模擬，錨桿采用cable計(jì)算單元模擬，計(jì)算模型如圖4所示.

圖5 數(shù)值計(jì)算模型

Fig. 5The model of numerical calculation

（2）管棚加固區(qū)模擬

注漿完成后，長管棚與注漿加固圈在拱頂形成了穩(wěn)固可靠的固結(jié)殼。在模擬計(jì)算中，為了考慮這種殼效應(yīng)，通過提高管棚與加固圍巖形成的厚筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，其注漿厚度計(jì)算同公式（1）[2]。

(1)

式中：D——注漿厚筒的厚度，m；

R——漿液的擴(kuò)散半徑，m；

S——相鄰兩注漿孔的間距，m。

計(jì)算后所得管棚加固區(qū)的有效厚度為60cm，其參數(shù)如表1所示，管棚加固區(qū)模擬圖如圖5所示。

表1加固區(qū)力學(xué)參數(shù)

Table 1 Mechanical parameters of reinforcement area

圖5 管棚加固區(qū)

Fig.5 Reinforcement area of large pipe roof

（3）計(jì)算結(jié)果

管棚變形受力變形圖如圖6、圖7所示，由圖可見管棚和管棚加固的區(qū)域的最大最大應(yīng)力并不是發(fā)生在掌子面上，而是發(fā)生在掌子面前方未開挖階段，距掌子面4到5米的范圍內(nèi)，這充分證明了管棚對(duì)掌子面前方土體的加固作用，保證掌子面前方土體的穩(wěn)定性。

圖6管棚受力變形圖

Fig.6 The deformation of large pipe roof

圖7管棚加固區(qū)域z向應(yīng)力圖

Fig.7 The z-direction stress of reinforcement area

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算表明應(yīng)用超前大管棚技術(shù)可以順利通過膨脹土隧道塌方地段。

三洞五步開挖支護(hù)工法

隧道安全快速施工的前提是保證其緊鄰圍巖的穩(wěn)定，而圍巖的失穩(wěn)破壞往往是由于圍巖應(yīng)力和變形調(diào)整導(dǎo)致的結(jié)果，堅(jiān)硬圍巖由于強(qiáng)度高、變形小、穩(wěn)定性好，對(duì)施工的影響小，因此在堅(jiān)硬圍巖隧道施工中更多考慮的是如何方便施工、如何高效的發(fā)揮機(jī)械的效能，在臺(tái)階高度、長度的選取等決策中主要考慮的是方便開挖、出渣和支護(hù)[4]。膨脹土隧道, 特別是地下水發(fā)育地區(qū)或季節(jié)性降水量較大區(qū)域的膨脹土隧道，應(yīng)使隧道襯砌盡早形成環(huán)向受力。隧道襯砌環(huán)向受力的形成是膨脹土隧道施工安全的重要保證[4-6]。

膨脹土圍巖由于節(jié)理密集、增濕脹縮變形大、遇水崩解、穩(wěn)定性差，開挖過程極易出現(xiàn)塌方等失穩(wěn)現(xiàn)象，要實(shí)現(xiàn)膨脹土圍巖隧道的安全快速施工，則必須更多地考慮施工過程中土體增濕圍巖受力的調(diào)整以及圍巖的變形規(guī)律，以確保圍巖穩(wěn)定。

根據(jù)膨脹土圍巖變形的特征及其場(chǎng)地地質(zhì)情況，合理選擇開挖分部和開挖進(jìn)尺，適時(shí)安排開挖和支護(hù)的各個(gè)工序，是膨脹土圍巖隧道安全快速施工的理論基礎(chǔ)。小河溝膨脹土隧道原來采用預(yù)留核心土三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行施工，實(shí)踐證明該施工工法與膨脹土隧道的變形特征不相符合，無法保證隧道開挖時(shí)圍巖的穩(wěn)定。因此，結(jié)合場(chǎng)地膨脹土圍巖的理化特性，采用三洞五步開挖法進(jìn)行施工。具體施工流程如圖7。

圖8 膨脹土隧道三洞五步開挖法施工工序簡(jiǎn)圖

Fig. 8 The construction process diagram of the Three-hole Five-step Excavation Method

其詳細(xì)施工順序?yàn)椋?/p>

（1）上部弧形導(dǎo)坑①部開挖，在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行，環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核心土長度宜為3～5米，寬度宜為隧道開挖寬度的6m。開挖后立即初噴3～5cm砼。及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù),并架設(shè)上臺(tái)階臨時(shí)仰拱I20a鋼架，噴22cm厚混凝土。

（2）開挖左側(cè)中、下臺(tái)階③、④：開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，最大不得超過0.5m，中、下臺(tái)階錯(cuò)開2～3m。開挖后及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，并架立中臺(tái)階左半幅臨時(shí)仰拱，復(fù)噴砼至設(shè)計(jì)厚度。

（3）開挖右側(cè)中、下臺(tái)階⑤、⑥ ：按照開挖左側(cè)中、下臺(tái)階的方法進(jìn)行開挖右側(cè)中、下臺(tái)階，開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，最大不得超過0.5m，中、下臺(tái)階錯(cuò)開2～3m，開挖后及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，并架立中臺(tái)階右半幅臨時(shí)仰拱鋼架，復(fù)噴砼至設(shè)計(jì)厚度。

（4）開挖隧底⑦ ：每循環(huán)開挖進(jìn)尺長度宜為2～3m，開挖后及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)，并及時(shí)施作仰拱。

（5）開挖核心土②。

支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

4.1 支護(hù)參數(shù)

初支鋼架采用I22型鋼、主筋Φ32格柵鋼架兩種，間距50cm，交錯(cuò)設(shè)置。鋼筋網(wǎng)采用φ8鋼筋，網(wǎng)格間距20×20cm。噴C25混凝土，厚度35cm。鎖腳錨管采用Φ60無縫鋼管，L≥4.5m，拱腳向上30cm，向下傾角35°打設(shè)，每處2根。型鋼、格柵鋼架邊墻部位徑向注漿采用φ42無縫鋼管或φ32自進(jìn)式中空注漿錨管，管長=5m，環(huán)、縱向間距1×0.5m，梅花形布置，注漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)量確定。

超前小導(dǎo)管采用Φ42無縫鋼管，環(huán)向間距40cm，縱向3m一環(huán)在拱部布設(shè)，小導(dǎo)管單根長4.5m，外插角5～10度，注漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)量確定。

臨時(shí)仰拱采用I20a型鋼，采用C25砼素噴，噴射厚度為22cm，臨時(shí)仰拱之間采用鋼板連接，鋼板尺寸240mm×240mm×15m。

4.2保證大鎖腳的安裝質(zhì)量

為保證隧道安全施工，防止圍巖失穩(wěn)破壞，在臺(tái)階之間轉(zhuǎn)換時(shí)必須保證鎖腳的安裝質(zhì)量

4.3調(diào)整圍巖預(yù)留變形

隧道內(nèi)的預(yù)留變形量是指圍巖荷載引起的下沉量或變形量，也指比設(shè)計(jì)位置預(yù)先提高的量。預(yù)留變形量的大小，受地質(zhì)、開挖方式、支護(hù)構(gòu)造和材質(zhì)、開挖之后到襯砌之前經(jīng)過的時(shí)間等因素控制，所以宜結(jié)合實(shí)際情況，采用適合于現(xiàn)場(chǎng)條件的最小預(yù)留變形量。隧道總變形以預(yù)留變形量控制為主，同時(shí)加強(qiáng)肉眼觀測(cè)，確保洞內(nèi)施工安全。

考慮到膨脹土體吸濕后其體積的變化與土體內(nèi)部吸力的喪失、襯砌結(jié)構(gòu)的受力變化，施工場(chǎng)地的預(yù)留變形量不能只是針對(duì)鋼支撐做保險(xiǎn)計(jì)算，在襯砌施工時(shí)，為防備模板與襯砌結(jié)構(gòu)的整體下沉或內(nèi)擠，需要將預(yù)留量做適當(dāng)放大。

4.4強(qiáng)化工序流程銜接

膨脹土隧道施工過程中, 應(yīng)做好各工序間的有效銜接工作。開挖完成后宜及時(shí)組織鋼架、超前支護(hù)、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨管施工，避免因膨脹土圍巖暴露時(shí)間過長或浸水膨脹而導(dǎo)致變形過大，增加治理的難度與費(fèi)用。同時(shí)，考慮到膨脹土圍巖的變形是隨時(shí)間變化的一個(gè)過程，膨脹應(yīng)力是這種變化的根本原因，施工過程宜加強(qiáng)工序的有效銜接，縮短土體增濕膨脹變形破壞所需時(shí)間，即要突出體現(xiàn)一“快”字，規(guī)范施工管理，強(qiáng)化流程銜接。

4.5加強(qiáng)圍巖變形監(jiān)控

監(jiān)測(cè)量測(cè)是“新奧法”施工的核心技術(shù)之一，尤其是在軟弱圍巖及特殊性土施工地段，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)視圍巖變化狀態(tài)，了解初期支護(hù)受力情況，確保施工安全，同時(shí)掌握圍巖變形規(guī)律，確認(rèn)或修改支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)與施工順序，合理安排施工工藝。

圖8、9分別是采用三臺(tái)階七步開挖法和三洞五步法開挖隧道時(shí)的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，圖中表明按照三臺(tái)階七步開挖法施工時(shí)拱頂下沉最大能達(dá)到380mm,而采用三洞五步法施工時(shí)拱頂下沉最大才130mm，這說明了我們所采取的支護(hù)參數(shù)和創(chuàng)新性施工工藝是科學(xué)合理的。

圖9 隧道洞內(nèi)改進(jìn)工法前監(jiān)控量測(cè)

Fig.9The monitoring results before changing construction technology

圖10 隧道洞內(nèi)改進(jìn)工法后監(jiān)控量測(cè)

Fig.10The monitoring results after changing construction technology

結(jié)論

膨脹土“浸水膨脹，失水收縮”的特性，給膨脹土隧道的施工帶來了巨大的安全難題，尤其在膨脹土隧道關(guān)鍵段的施工，必須改善施工技術(shù)，加強(qiáng)支護(hù)對(duì)策。

（1）對(duì)于膨脹土隧道塌方段，建議采用無工作室超前大管棚技術(shù)，既節(jié)省了工作空間減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)又對(duì)前方土體進(jìn)行支護(hù)，防止塌方產(chǎn)生。

（2）實(shí)踐證明，采用三臺(tái)階七步開挖法不能保證隧道的安全施工，因此，結(jié)合場(chǎng)地膨脹土圍巖的理化特性，采用三洞五步開挖法進(jìn)行施工。

（3）施工中應(yīng)加強(qiáng)圍巖含水量檢測(cè)，防止含水量過大，另外調(diào)整圍巖預(yù)留變形量，確保洞內(nèi)施工安全。

總而言之，膨脹土為我國較特有的土質(zhì)，工程中有著廣泛的地質(zhì)災(zāi)害[7]。為了保證隧道結(jié)構(gòu)的使用性能，在施工期間需要注意對(duì)“關(guān)鍵段位置”問題的處理，通過合理的施工技術(shù)與快速支護(hù)方案來增強(qiáng)隧道的使用性能。

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