寶蘭鐵路蘇家川大斷面黃土隧道三臺階施工變形控制技術(shù)

席 浩 ，李緒干，時 堅 ，侯 奇

(中國水利水電第四工程局有限公司，青海西寧 8 10007)

0 引言

近年來，由于西北部黃土地區(qū)高速鐵路的大量建設(shè)，大斷面黃土隧道的施工變形控制技術(shù)越來越受到重視。既有的工程實踐及研究成果證明，施工工法的選擇是黃土隧道變形控制的重點。在相關(guān)研究中，彭剛［1］通過不同工法施工過程的數(shù)值模擬分析，得出Ⅴ級圍巖地段在無水地層條件下，大斷面隧道可以采用臺階法施工，且CD法和CRD法更安全;扈世民等［2］通過大斷面黃土隧道變形特征分析，得出圍巖拱部豎向位移弱化較慢、邊墻水平位移弱化較快、水平收斂普遍小于拱頂沉降的規(guī)律;張英才等［3］、石磊等［4］對大斷面黃土隧道的不同開挖工法進行了詳細的對比分析，并得出選擇的基本原則;王新東［5］對淺埋大斷面黃土隧道安全快速施工方案進行了探討，提出了基于淺埋大斷面黃土隧道的變形特性，并結(jié)合傳統(tǒng)礦山法、新意法、預(yù)切槽法等施工方法的技術(shù)特點，提出了淺埋、大斷面黃土隧道不同工況下安全、快速的施工方案。

圍巖與初期支護的接觸和作用效果，是變形控制的另一重要因素。就此，周燁等［6］對大斷面黃土隧道初期支護合理施作時機進行了詳細闡述;李健等［7］對大斷面黃土隧道初期支護與圍巖相互作用機制進行了系統(tǒng)地研究。此外，預(yù)留變形量和仰拱封閉距離的控制也是變形控制的主要內(nèi)容之一?，F(xiàn)行TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［8］規(guī)定，對于一般圍巖條件下，采用工程類比法確定，當無類比資料時，可參照附表參數(shù)，此規(guī)范內(nèi)容的適用范圍卻非常有限;趙東平等［9］統(tǒng)計分析了大斷面黃土隧道初期支護變形量，研究了大斷面黃土隧道變形規(guī)律及預(yù)留變形量合理取值范圍。另外，李健等［10］對淺埋大跨黃土隧道優(yōu)化施工進行了研究，李健等［11］對淺性大跨黃土隧道長大管棚的受力機制進行了研究。

雖然以上相關(guān)研究為大斷面黃土隧道施工提供了一定技術(shù)支撐，但由于黃土自身的特殊性和復(fù)雜性，土質(zhì)及形成時期不同的濕陷性黃土的力學(xué)性質(zhì)相差較大，而且目前對于第三紀砂質(zhì)黃土的具體研究較少。因此，有必要依托寶蘭高速鐵路蘇家川隧道，針對第三紀砂質(zhì)黃土地層條件的大斷面黃土隧道施工變形控制技術(shù)作進一步的研究。

1 工程概況

蘇家川隧道地處黃土高原西北部，東河左岸，黃土梁峁區(qū)，地面高程1 940～2 000 m，相對高差20～60 m，在水流切割侵蝕作用下沖溝發(fā)育，溝深坡陡。設(shè)計為淺埋新黃土隧道，隧洞洞身通過地層主要為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、礫砂、上第三系泥巖。隧道進、出口均為東河支溝，平時干涸無水，僅在暴雨季節(jié)溝中有季節(jié)性流水，水量一般不大。

蘇家川隧道設(shè)計軌面以上凈空橫斷面面積為100 m2。暗挖隧道均采用復(fù)合式襯砌，初步設(shè)計考慮洞口、淺埋、偏壓、深埋等不同情況分別采用三臺階七步法、三臺階臨時仰拱法及三臺階臨時橫撐法施工。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查、鉆探及物探資料，隧道進出口地段圍巖主要由砂質(zhì)黃土組成，圍巖級別為Ⅴ級，工程性質(zhì)差，施工開挖洞壁易垮塌。DK929+511～+561基地黃土具有濕陷性，黃土含砂量大，變形及塌方控制相當困難。

在隧道實施中，需要在全面、深入地掌握區(qū)域內(nèi)黃土的特性及蘇家川隧道工程的黃土特性的基礎(chǔ)上，充分借鑒已取得的新技術(shù)及經(jīng)驗教訓(xùn)，通過認真研究地表、洞周及土體的變形特性，分析支護結(jié)構(gòu)變形及力學(xué)行為隨時間和空間的變化規(guī)律，探明不同開挖步序?qū)Τ两底冃魏头€(wěn)定性的影響，總結(jié)不同初期支護封閉時機對沉降變形及穩(wěn)定性的影響，進而采取適宜的施工技術(shù)措施，確保隧道施工安全順利進行。

2 大斷面黃土隧道施工變形規(guī)律

根據(jù)以往的大斷面黃土隧道的工程實例分析，通過現(xiàn)場量測采用三臺階法施工時隧道圍巖變形，得出隧道變形的空間曲線與時態(tài)曲線。從時間上看，隧道開挖斷面封閉后1周沉降及收斂已基本穩(wěn)定，封閉后的變形量所占比例都不大，一般情況拱頂沉降占總沉降＜5%，拱腳水平收斂占總收斂＜5%。說明仰拱及時封閉對隧道沉降、變形的控制效果非常明顯。

為進一步研究隧道變形空間曲線規(guī)律，劃定合理的仰拱封閉步距，在有效控制隧道施工變形，保證安全的基礎(chǔ)上，最大限度發(fā)揮現(xiàn)場組織工效。結(jié)合蘇家川隧道的施工實例，運用midas數(shù)值模擬軟件對隧道現(xiàn)場的具體情況進行三維數(shù)值建模分析。在三維模型計算過程中，模擬現(xiàn)場所采用的三臺階臨時仰拱開挖工法，并擬定3種封閉距離，即30 m，35 m和45 m的3種不同工況進行對比分析。隧道模型網(wǎng)格圖和隧道開挖步序圖如圖1和圖2所示。

圖1 隧道三維模型網(wǎng)格圖Fig．1 3D model of tunnel

圖2 隧道模型開挖步序圖Fig．2 Excavation sequence of tunnel

3種不同工況的隧道模型中間斷面拱頂沉降隨施工步序進行的變化規(guī)律如圖3所示。

3種不同仰拱封閉距離施工工況下，隧道最大拱頂沉降和凈空收斂統(tǒng)計計算結(jié)果見表1。

圖3 拱頂沉降與施工步序關(guān)系曲線Fig．3 Crown settlement Vs constrution step

表1 不同初期支護封閉距離計算結(jié)果比較Table 1 Displacement calculated under different distances between tunnel face and primary support closing position

根據(jù)計算結(jié)果可知:仰拱封閉距離由30 m增加到35 m時，沉降和拱腳水平收斂增加6%左右;而仰拱封閉距離由35 m增加到45 m時，沉降增加25%左右，拱腳水平收斂增加30%左右。因此，仰拱封閉距掌子面的距離越大，隧道沉降變形就越大，而且成指數(shù)增加。施工組織安排應(yīng)圍繞這一關(guān)鍵，盡可能縮短仰拱封閉距離。通過數(shù)值模擬的結(jié)果分析，并根據(jù)蘇家川隧道的地質(zhì)及現(xiàn)場試驗情況，對于第三紀砂質(zhì)黃土，仰拱封閉距離由30 m增加到35 m時，沉降和拱腳水平收斂，增幅較小;而仰拱封閉距離由35 m增加到45 m時，增幅較大。所以，出于提供足夠的作業(yè)空間和有效控制隧道變形量的綜合考慮，仰拱的最合理封閉距離為35 m左右。

3 大斷面黃土隧道變形控制技術(shù)

3．1 施工工法

蘇家川黃土隧道設(shè)計圍巖Ⅴ級，以第三紀砂質(zhì)黃土為主，施工工法采用較為安全的三臺階臨時仰拱工法，人工配合挖掘機進行開挖，無軌運輸出渣。通過合理控制各步開挖步距，并采用注漿小導(dǎo)管超前支護和鎖腳錨桿加固等施工變形控制技術(shù)，以保證隧道開挖施工的安全。

在開挖過程中，盡量減少挖掘機對隧道邊沿的開挖，應(yīng)采用人工風(fēng)鎬對隧道周邊進行修整，減少對圍巖的擾動，避免側(cè)壁或拱頂?shù)魤K。拱腳、墻角應(yīng)預(yù)留30 cm人工開挖，嚴禁超挖，以保證拱腳自穩(wěn)能力。

三臺階臨時仰拱法工序平面如圖4所示。三臺階臨時仰拱法工序縱斷面如圖5所示。

1)開挖1部臺階。施作1部臨時仰拱和洞身結(jié)構(gòu)的初期支護，即初噴4 cm厚混凝土，架立鋼架。鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

2)上臺階施工至適當距離后，開挖2部臺階，接長鋼架，施作洞身結(jié)構(gòu)的初期支護。

3)開挖3部臺階，及時封閉初期支護，灌注該段的Ⅳ部仰拱。灌注該段的Ⅴ部隧底填充。

4)利用襯砌模板臺車一次性灌注Ⅵ部二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)。

圖4 三臺階臨時仰拱法工序平面圖Fig．4 Cross-section of tunnel showing construction sequence of top heading and two-bench method with temporary invert

圖5 三臺階臨時仰拱法工序縱斷面圖Fig．5 Longitudinal profile of tunnel showing construction sequence of top heading and two-bench method with temporary invert

3．2 控制變形技術(shù)措施

3．2．1 合理選定開挖進尺

開挖進尺的大小對大斷面黃土隧道施工變形的影響很大。隨著開挖進尺的減小，減小土體一次暴露的長度，減少一次開挖量和出渣量，縮短開挖與支護的銜接時間，實現(xiàn)早支護，對控制變形是十分有效的。

蘇家川隧道的三臺階臨時仰拱法的開挖進尺確定為上臺階0．6 m，中臺階、下臺階1．2 m為一個進尺循環(huán)，3～4循環(huán)/d，以此來有效地控制因進尺過長而引起的土體變形。

3．2．2 控制掌子面的穩(wěn)定

在軟弱地層隧道施工中，掌子面的穩(wěn)定性十分重要，特別是對大跨隧道，掌子面的穩(wěn)定是最關(guān)鍵的。軟弱地層隧道施工發(fā)生的坍塌現(xiàn)象大多數(shù)是由掌子面的失穩(wěn)引起的。掌子面穩(wěn)定性降低的原因，在多數(shù)情況下，可考慮以下幾點:因黏聚力不足而崩塌、因地下水而崩塌、因強度不足產(chǎn)生大變形而崩塌。針對富水黃土隧道施工情況，穩(wěn)定掌子面的措施主要有:預(yù)留核心土、盡早封閉開挖面及超前小導(dǎo)管。

為了充分利用掌子面的空間支護效應(yīng)，預(yù)留核心土是穩(wěn)定掌子面比較有效的方法，是弧形導(dǎo)坑開挖的關(guān)鍵。在鄭西鐵路隧道試驗的基礎(chǔ)上，考慮核心土的設(shè)置為:上臺階核心土長與上臺階長度相同，即3～5 m，高度為1．5～2．5 m，頂面寬度為上臺階開挖寬度的1/3～1/2，即3～5 m;中、下臺階核心土長與臺階長度同，即4～6 m，高度與臺階高度同，寬度為臺階寬度的1/3～1/2。

從開挖效率上看，直接落底能提供較大開挖空間，且開挖效率更高。從掌子面穩(wěn)定性方面看，鄭西鐵路淺埋砂質(zhì)新黃土的成功經(jīng)驗表明，上臺階預(yù)留3～5 m長核心土能滿足掌子面穩(wěn)定性的控制要求。因此，從開挖效率考慮，在地質(zhì)條件較好的情況下可考慮不留中臺階核心土。

3．2．3 及時初噴封閉圍巖

在富水黃土隧道中，開挖后立即初噴3～5 cm混凝土，覆蓋開挖面，以減少圍巖暴露時間，防止開挖面松弛，提高開挖面的自穩(wěn)性。噴混凝土不是作為軸力構(gòu)件發(fā)揮作用的，而是防止土體剝離，防止富水黃土的地下水滲出，防止地下水滲出后開挖面的泥化。此外，通過觀察噴射表面是否有龜裂發(fā)生，還可以獲得有無崩塌發(fā)生的信息。

從測試及施工情況看，黃土隧道開挖后1～2 h是關(guān)鍵觀察點。因此，必須考慮噴混凝土工序前移的可行性，即移至出渣前進行，開挖后立即進行初噴，然后再架設(shè)鋼架、出渣。目前一般在開挖后至少5～6 h后才能噴混凝土，這對第三紀砂質(zhì)新黃土隧道初期位移的控制不利。

3．2．4 超前支護技術(shù)

為保證施工安全，正洞采用超前小導(dǎo)管進行超前支護。小導(dǎo)管采用外徑42 mm、壁厚3．5 mm熱軋無縫鋼管制作，單根長3．5 m。采用YT-28風(fēng)動鑿巖機鉆孔，安裝超前小導(dǎo)管并與鋼架焊接固定，小導(dǎo)管外插角符合設(shè)計，用注漿泵進行注漿作業(yè)，注入水灰質(zhì)量比為 1∶1 的水泥漿，注漿壓力為0．5 ～1．5 MPa。

3．2．5 控制拱腳變形技術(shù)

鎖腳錨桿的承載效果與打入角度有很大關(guān)系，即與水平夾角越大越好，這與一般巖石隧道垂直于巖面打入鎖腳錨桿有很大不同。而且從拱腳斜向下打入，即可穩(wěn)定拱腳又可對下層開挖起到超前支護的作用。因此對于黃土隧道，拱腳處鎖腳錨桿應(yīng)盡量貼著拱部輪廓大角度斜向下打入。鎖腳錨桿采用長而粗的鋼管可增加錨桿與土體間的摩擦面，更有利于發(fā)揮承載作用。

蘇家川隧道采用長度4 m、直徑42 mm的鎖腳錨管，在鋼架拱腳以上30 cm處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30°設(shè)置，并與鋼架牢固焊接。

3．2．6 快速封閉仰拱

根據(jù)蘇家川隧道現(xiàn)場施工中的70個斷面的實測監(jiān)測結(jié)果分析，蘇家川隧道現(xiàn)場施工拱頂?shù)淖畲蟪两抵蹬c封閉距離，統(tǒng)計如圖6所示。

圖6 拱頂沉降與仰拱封閉距離關(guān)系圖Fig．6 Crown settlement Vs distance between tunnel face and invert closing position

從圖6可以看出，蘇家川隧道現(xiàn)場施工量測結(jié)果中，有95%的斷面仰拱封閉距離都為25～32 m，有70%的斷面仰拱封閉距離為25～30 m。

3．3 實施效果

通過采用合理的變形控制技術(shù)，從圖6可以看出，拱頂最大沉降值隨著埋深的不同有所變化，但都成功地控制在30～160 mm，達到了大斷面黃土隧道施工變形控制的技術(shù)要求。

4 大斷面黃土隧道預(yù)留變形量

在大斷面濕陷性黃土的隧道中，隧道的初期支護的預(yù)留變形量也是一個至關(guān)重要的施工技術(shù)指標。施作初期支護和二次襯砌過程中的預(yù)留變形量，將影響二次襯砌結(jié)構(gòu)的最終結(jié)構(gòu)的受力連續(xù)性和結(jié)構(gòu)的使用耐久性問題。

由于隧道支護與黃土地層相互作用關(guān)系的復(fù)雜性以及與隧道初期支護變形相關(guān)因素的不確定性，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)或多或少會有一定程度的離散性。為考慮這些綜合因素的影響，確定最終的合理預(yù)留變形量，以保證率大于80%為研究的基準。

在寶蘭鐵路黃土隧道中，以第三紀砂質(zhì)新黃土為主的Ⅴ級圍巖區(qū)段內(nèi)，共收集到了包括蘇家川隧道、西坡隧道等，共計210個斷面的隧道拱頂最大沉降和水平收斂的實測數(shù)據(jù)。

由于蘇家川隧道采用三臺階臨時仰拱工法開挖，中臺階開挖時采用左右交錯2～3 m開挖，所以監(jiān)測點布在中臺階的外側(cè)的周邊收斂監(jiān)測點，測量值普遍偏小，不具有參考價值?？紤]到所有量測數(shù)據(jù)中拱頂下沉均大于相應(yīng)斷面的水平收斂，且Ⅴ級圍巖條件下的水平收斂的量測值，由于受開挖工法的影響較大，未能反映水平位移情況，所以這里不再作單獨研究。綜合以上分析，最終的預(yù)留變形量的合理值直接由隧道斷面的拱頂沉降最大值來確定，當給定的預(yù)留變形量對應(yīng)保證率大于80%時，則認為該預(yù)留變形是適合的。

寶蘭鐵路隧道現(xiàn)場的210個實測斷面的拱頂最大沉降值及拱頂沉降實測值與斷面埋深之間的關(guān)系如圖7和圖8所示。

圖7 拱頂沉降與斷面埋深關(guān)系圖Fig．7 Crown settlement Vs tunnel depth

圖8 拱頂沉降與監(jiān)測斷面序號圖Fig．8 Crown settlement VS monitoring cross-section number

由圖7可知，拱頂沉降總體來看和隧道的埋深的相關(guān)性不是十分明顯。由圖8可知，當設(shè)計預(yù)留變形量分別取100 mm，120 mm和140 mm時，其保證率分別為59．65%，85．37%和98．6%?？紤]現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)的離散性，同時兼顧較高的保證率，第三紀砂質(zhì)新黃土區(qū)段隧道Ⅴ級圍巖設(shè)計預(yù)留變形量取值范圍可取120～160 mm。

5 結(jié)論與討論

1)通過數(shù)值軟件對仰拱封閉距離30 m，35 m和45 m模擬和與寶蘭鐵路蘇家川隧道施工中實測數(shù)據(jù)的對比分析，在第三紀砂質(zhì)新黃土的地質(zhì)條件下，綜合考慮隧道變形量的控制和足夠的作業(yè)空間等因素，得出仰拱的最佳封閉步距為35m以內(nèi)。

2)采用三臺階臨時仰拱工法，開挖步距上臺階0．6 m，中臺階、下臺階1．2 m，并輔以注漿小導(dǎo)管超前支護和鎖腳錨桿加固等施工變形控制技術(shù)，達到了很好的變形控制效果，最大沉降控制在50～160 mm。

3)在第三紀砂質(zhì)新黃土的地質(zhì)條件下，考慮現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)的離散性，并兼顧較高保證率，建議在大斷面隧道V級圍巖范圍內(nèi)，隧道開挖預(yù)留變形量可取用120～160 mm。

4)隧道的埋深變化對大斷面黃土隧道施工變形控制是不容忽視的因素之一。由于不同地質(zhì)條件及施工工法選擇變化，必然產(chǎn)生黃土質(zhì)隧道圍巖自身不同的作用機制，其受埋深影響程度亦會出現(xiàn)明顯變化，需在后續(xù)類似隧道設(shè)計、施工中更加關(guān)注。

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