風(fēng)積沙圍巖隧道施工新技術(shù)研究

王朝杰

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊050011）

1 工程概況

某高速公路分離式特長隧道，隧道右幅K176+890～K181+300，長4 410m，左幅L4K176+824～L4K181+270，長4 446m。隧道地處冀西北山地區(qū)，屬壩上壩下過渡型山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形起伏。區(qū)域最大凍土深度為1.6m。隧道出口位于山體斜坡，自然斜坡西南傾，坡度為6°左右，表層風(fēng)積砂覆蓋，下伏角礫、碎石，層厚5.0～32.0m，風(fēng)積砂工程性質(zhì)較差，邊坡穩(wěn)定性較差。

2 工程及水文地質(zhì)

該隧道出口根據(jù)地面調(diào)查、鉆探、物探勘察成果，各地層根據(jù)巖性特點(diǎn)、成因時(shí)代及風(fēng)化程度自上而下依次為：（1）粉土層：黃灰色，中密，稍濕，土質(zhì)不均，切面粗糙，含植物根系；（2）粉砂：褐黃色，中密，潮濕，砂質(zhì)較純，主要成分以石英長石為主，磨圓度較好，含少量粉粒；（3）中砂層：褐黃色，密實(shí)，濕，砂質(zhì)不純凈，主要成分以石英長石為主，含少量圓礫。在勘探深度范圍內(nèi)，未見到地下水。

受地形條件及路線總體平縱線形限制，該隧道埋深較淺，隧道出口洞頂覆蓋層及洞身大部分為風(fēng)積粉細(xì)沙地層，其粒度成分以細(xì)砂（0.075～0.25mm）為主，極細(xì)砂（0.01～0.075mm）次之，中砂（0.25～0.25）較少，不均勻系數(shù)Cu=3.4，沙層重度17.2kN/m3，變形模量20.6MPa，泊松比0.4，內(nèi)摩擦角29°，黏聚力極低。綜合風(fēng)積沙地層工程地質(zhì)特征，因顆粒單一，黏聚力低，級(jí)配不良，壓縮性小，穩(wěn)定性差，開挖易坍塌，施工難度很大。

3 施工技術(shù)難點(diǎn)

（1）出口處風(fēng)積砂段隧道埋深約5～25m，地處風(fēng)積沙地層，采用淺埋暗挖法施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制初期支護(hù)拱頂下沉變形，密切監(jiān)視地表沉降，確保施工期間拱頂及掌子面安全。

（2）風(fēng)積沙圍巖具有顆粒單一，粘聚力低，抗剪強(qiáng)度較低等特質(zhì)，開挖極易坍塌，因此，洞室開挖時(shí)必須采取強(qiáng)支護(hù)措施來保證施工安全。

（3）該隧道穿越風(fēng)積砂段長度較長，采用水平旋噴樁施工時(shí)左右幅需各打設(shè)6環(huán)，每環(huán)之間的搭接位置與該位置初期支護(hù)鋼架沖突，水平旋噴樁的仰角選取亦是水平旋噴樁施工的關(guān)鍵技術(shù)。

（4）淺埋暗挖隧道施工工序多，初期支護(hù)接頭截面亦較多，故必須處理好初期支護(hù)形成過程中受力體系轉(zhuǎn)換時(shí)帶來的不利影響，保證鋼拱架焊接質(zhì)量和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止地表過大沉降。

4 風(fēng)積沙地層圍巖壓力分析

新奧法利用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)等柔性支護(hù)手段，根據(jù)圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)支護(hù)，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，是一種把設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)相結(jié)合的科學(xué)的隧道建筑方法。新奧法的核心是根據(jù)圍巖的性質(zhì)允許圍巖有一定的變形，以減少作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力，提高工作效率。風(fēng)積沙與一般巖石地層不同，其圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，開挖后若不支護(hù)會(huì)立即產(chǎn)生坍塌，若圍巖自穩(wěn)時(shí)間比支護(hù)施工時(shí)間短，支護(hù)結(jié)構(gòu)要承受較大松散圍巖壓力，在這種地層中合適的支護(hù)時(shí)間已無意義，須采用合理的預(yù)加固措施，提前加固風(fēng)積沙地層，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，且開挖后立即支護(hù)，才能保證施工安全。

5 施工方案比選

隧道施工中，開挖方法是影響圍巖穩(wěn)定的重要因素。因此在選擇開挖方法時(shí)，應(yīng)對(duì)隧道斷面大小、圍巖的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、支護(hù)條件、工期要求、經(jīng)濟(jì)造價(jià)等相關(guān)因素進(jìn)行綜合分析，采用合適的開挖方法。目前我國淺埋暗挖隧道施工多采用CRD 法、臺(tái)階預(yù)留核心土法等，下面對(duì)各種方法進(jìn)行比選。

（1）CRD法

CRD法（見圖1）在控制地表沉降方面效果顯著，但其施工工序復(fù)雜，限制了大型機(jī)械使用，工作效率低，工藝轉(zhuǎn)換難度大，造價(jià)高，施工進(jìn)度緩慢，大量拆除工作限制了二襯跟進(jìn)時(shí)間?？紤]風(fēng)積沙圍巖自穩(wěn)能力差，松散圍巖壓力較一般隧道大的多，二襯是主要承載體，其跟進(jìn)的快慢是保證施工成敗的關(guān)鍵因素，故CRD 工法不適合風(fēng)積沙地層。

圖1 CRD法

（2）臺(tái)階留核心土法

該方法（見圖2）是該隧道初期施工中采用的方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況來看，當(dāng)挖到第二臺(tái)階時(shí)，即洞身最大跨度處由于初期支護(hù)不能及時(shí)封閉成環(huán)，拱頂沉降較大，鋼拱架變形大，初噴混凝土出現(xiàn)個(gè)別裂縫，隨著第三、第四臺(tái)階的開挖，臨空面增大，局部拱腳變形侵占了隧道凈空，不得不進(jìn)行換拱處理。

圖2 四臺(tái)階留核心土法

（3）三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法

為克服臺(tái)階留核心土法的不足，控制拱頂變形，保證初期支護(hù)穩(wěn)定性，施工中改為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。將整個(gè)洞身斷面分為三個(gè)臺(tái)階，在第二臺(tái)階位置設(shè)置臨時(shí)仰拱，封閉初期支護(hù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)資料，適當(dāng)增加臨時(shí)豎撐控制初期支護(hù)拱頂下沉。該方法成功穿越了風(fēng)積沙段，保證了工程質(zhì)量，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。該方法的施工現(xiàn)場(chǎng)如圖3、圖4 所示。

圖3 臨時(shí)仰拱現(xiàn)場(chǎng)施工圖

圖4 臨時(shí)豎撐現(xiàn)場(chǎng)施工圖

6 施工工藝

6.1 水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)

風(fēng)積沙圍巖的粘聚力低，自穩(wěn)時(shí)間短，天然狀態(tài)下無法開挖，須采用超前預(yù)支護(hù)體系加固沙層，為后續(xù)施工提供足夠的空間和時(shí)間。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐對(duì)比，密排超前小導(dǎo)管和自進(jìn)式大管棚固沙效果較差，施工開挖過程中產(chǎn)生較嚴(yán)重的露沙現(xiàn)象，而水平旋噴樁以其特有的加固攪拌方法取得了良好的固沙效果。

水平旋噴樁預(yù)支護(hù)是在洞內(nèi)開挖面前方，利用水平旋噴機(jī)沿開挖輪廓按間距40cm、長20m 鉆孔，鉆至設(shè)計(jì)深度后用高壓泵輸送高壓漿液，鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊后退，漿液從鉆頭處噴嘴中高速射出，射流切割下的沙體與漿液在射流的攪拌作用下混合，最后凝固成直徑大于60cm 的旋噴柱體。環(huán)向相鄰柱體之間相互咬合20cm，在開挖面上方形成整體性較好的旋噴拱架，固結(jié)體周圍沙層的物理力學(xué)性能也有顯著改善。開挖后預(yù)支護(hù)拱就會(huì)立即發(fā)揮作用，抑制圍巖變形，承擔(dān)沙層壓力，保證洞室穩(wěn)定，防止漏沙、坍塌。

左線風(fēng)積沙層全長90m，水平旋噴樁共分6個(gè)循環(huán)施工，前5個(gè)循環(huán)水平旋噴樁長度為20m，最后1循環(huán)水平旋噴樁長度為15m，前后相鄰兩個(gè)循環(huán)旋噴樁相互搭接5m。每環(huán)55根，左幅水平旋噴樁共計(jì)6 325m。

右線風(fēng)積沙層全長91m，水平旋噴樁共分6個(gè)循環(huán)施工，前5個(gè)循環(huán)水平旋噴樁長度為20m，最后1循環(huán)水平旋噴樁長度為16m，前后相鄰兩個(gè)循環(huán)旋噴樁相互搭接5m。每環(huán)55根，右幅水平旋噴樁共計(jì)6 380m。第一環(huán)水平旋噴樁角度為6%，第二環(huán)開始每環(huán)角度調(diào)整為10%。

水平高壓旋噴注漿技術(shù)的特點(diǎn)有：

（1）在隧道開挖前，于掌子面前方構(gòu)筑拱形剛性體，減輕傳到掌子面和支護(hù)上的荷載，控制開挖引起的變形；

（2）因旋噴使地層變成高強(qiáng)度的改良體，支撐上部荷載，控制不良地層的坍塌現(xiàn)象；

（3）因采用了專門的機(jī)械設(shè)備和高壓噴射裝置，且能夠控制噴射壓力，使樁體強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。施工效果見圖5、圖6。

圖5 樁體咬合效果圖

圖6 旋噴樁試壓效果圖

6.2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工

隧道風(fēng)積沙段圍巖采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖，具體施工順序見圖7。

圖7 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工方案示意圖（單位：cm）

（1） 上臺(tái)階施工

上臺(tái)階需在超前支護(hù)體系達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行施工，開挖高度為2.4m，人工配合小型機(jī)械施工。施工進(jìn)尺為50cm，每開挖一個(gè)循環(huán)，立即素噴10cm 厚C20 早強(qiáng)混凝土，封閉開挖面，安裝I22b 工字鋼拱架，并采用Φ50 鎖腳鋼管鎖緊鋼拱架，每側(cè)拱腳設(shè)2根，長度不小于4.5m。每兩榀鋼拱架間采用Φ22縱向連接鋼筋連成整體，環(huán)向間距1.0m，掛雙層Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)眼間距10cm，預(yù)留1個(gè)網(wǎng)眼尺寸與下一循環(huán)焊接。上臺(tái)階施工兩側(cè)需始終錯(cuò)開，保證同一斷面鋼拱架在拱腳處暴露的開挖面僅限于一側(cè)。開挖進(jìn)尺應(yīng)穿過掌子面潛在滑移面，控制在5～10m之間。

（2） 中臺(tái)階施工

上臺(tái)階開挖到設(shè)計(jì)深度后停止施工，噴混凝土封閉掌子面或采用沙袋等材料堆砌。中臺(tái)階施工先開挖兩側(cè)土體，預(yù)留中間核心土高2.6m，寬4.6m，兩側(cè)始終錯(cuò)開，保證同一斷面鋼拱架交錯(cuò)落底。邊墻每次進(jìn)尺50cm，開挖后及時(shí)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴素混凝土封閉開挖面，后迅速施作鋼架初期支護(hù)。需特別注意上中臺(tái)階接茬處，應(yīng)采用連接鋼板和高強(qiáng)螺栓連接，必要時(shí)進(jìn)行三面騎縫焊接。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料顯示，在中臺(tái)階開挖過程中，初期支護(hù)拱頂沉降量會(huì)迅速增大，這主要是因?yàn)檫厜﹂_挖時(shí)上臺(tái)階拱腳會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)懸空現(xiàn)象，為此，在上下級(jí)臺(tái)階的接頭部位，加上鋼架之間連接鋼板的尺寸，以增加型鋼拱架的受力面積，增強(qiáng)其受力的整體性。中臺(tái)階開挖跨度大是承上啟下的關(guān)鍵步驟，待核心土留置3～5m 長時(shí)逐步清除，增設(shè)I16臨時(shí)仰拱，縱向間距50cm，兩端與主洞鋼拱架焊接牢靠，并應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)增設(shè)豎撐，控制拱頂變形。

（3）下臺(tái)階施工

在中臺(tái)階進(jìn)尺5m 后，停止開挖，噴混凝土封閉掌子面，開挖下臺(tái)階土體。下臺(tái)階采用掏槽法施工，在滿足操作空間的前提下，邊墻開挖寬度盡可能窄，以0.5～1.0m 為宜，預(yù)留核心土。鋼拱架落底時(shí)，應(yīng)增設(shè)槽鋼墊塊，防止拱架產(chǎn)生整體下沉。

（4）仰拱施工

側(cè)墻初期支護(hù)施工完成后，要及時(shí)左右錯(cuò)位跳挖仰拱，每次循環(huán)進(jìn)尺100cm，進(jìn)行2 榀鋼拱架的施工，底部拱架與邊墻拱架接頭部位采用高強(qiáng)螺栓連接。拱架安裝好后應(yīng)及時(shí)噴射混凝土封閉覆蓋，使初期支護(hù)盡早閉合成環(huán)，形成穩(wěn)定的受力體系。

（5） 二襯施工

風(fēng)積沙地層結(jié)構(gòu)松散圍巖壓力大，初期支護(hù)不足以承擔(dān)全部地層壓力，必須盡早施作二次襯砌，防止初期支護(hù)因較大變形而開裂剝落。一般情況下二襯模筑長度為10～12m，施工中根據(jù)初支收斂變形情況，一次拆除臨時(shí)仰拱長度控制在5～6m。

7 結(jié)語

風(fēng)積沙地層自穩(wěn)能力差，施工擾動(dòng)程度大，若不及時(shí)支護(hù)則易塌方。在風(fēng)積沙地層施工中，有效的超前支護(hù)是決定隧道能否安全開挖的前提，及時(shí)的初期支護(hù)是安全施工的有力保證，二次襯砌的施作時(shí)間是控制圍巖變形的關(guān)鍵因素。貫徹“快挖、快支、快封閉”原則，隨挖隨支，二襯緊跟，施工結(jié)構(gòu)體系緊湊轉(zhuǎn)換，緊密銜接，及時(shí)控制圍巖變形，確保洞室穩(wěn)定。