淺埋大斷面飽和土隧洞進(jìn)洞技術(shù)研究

□顏志強 □李 峰 □劉康平

（1 中國水利水電第十一工程局有限公司；2 商丘市金龍水利工程有限公司）

1 概述

1.1 工程概況

南水北調(diào)中線一期穿黃工程位于鄭州市以西約30km 處，于孤柏山灣橫穿黃河，穿越黃河采用隧洞方案。穿黃隧洞主洞全長4250m，雙洞平行布置，隧洞軸線間距為28m，采用盾構(gòu)法開挖；穿黃隧洞進(jìn)口段35m 采用礦山法開挖，作為盾構(gòu)機接收洞。穿黃隧洞進(jìn)口段位于邙山南麓，原始地表高程為161.00m，經(jīng)開挖后形成150,140,130,120m 四級馬道，設(shè)計綜合坡比1:2.60，單級邊坡坡度分為1：0.70 和1：1 兩種；高程120m 馬道設(shè)計寬度2.00m，其下洞臉邊坡設(shè)計坡比1:0.50，坡高17.56m。穿黃隧洞進(jìn)口段自高程120m 以下邊坡進(jìn)洞。隧洞斷面為圓形，開挖直徑由13.35m 漸變?yōu)?1.75m，兩洞凈間距14.75m，進(jìn)口底板開挖高程102.44m。

1.2 地質(zhì)情況

1.2.1 工程地質(zhì)地表至高程140.00m 地層為上更新統(tǒng)沖積層alQ3 黃土，淺層黃土具有弱濕陷性，隨深度的增大，濕陷性降低，具中等壓縮，抗剪強度較高，發(fā)育有垂直節(jié)理。

高程140.00～102.20m 地層為上更新統(tǒng)沖積層alQ3 黃土狀粉質(zhì)壤土,其中⑨-1、⑨-2 兩層為飽和軟黃土狀粉質(zhì)壤土，天然狀態(tài)下呈軟塑狀，抗剪強度低。

高程102.20～98.00m 地層為古土壤，其下為中更新統(tǒng)沖、洪積層(al+plQ2)粉質(zhì)壤土及古土壤互層結(jié)構(gòu)。粉質(zhì)壤土天然狀態(tài)下呈可塑至軟塑狀；古土壤層厚一般在4.00～6.00m，呈硬塑狀，強度相對較高，耐水性較好。

1.2.2 水文地質(zhì)

工程區(qū)地下水按其賦存條件及性質(zhì)為孔隙～裂隙水，地下水位142.00m，高出隧洞底板約40m。上更新統(tǒng)沖積層黃土狀粉質(zhì)壤土(alQ3)滲透系數(shù)為1.00 ×10-5cm/s～1.00 ×10-4cm/s，al+plQ2粉質(zhì)壤土層滲透系數(shù)為1.00 ×10-6cm/s～1.00 ×10-5cm/s，al+plQ2古土壤層滲透系數(shù)分為1.00 ×10-7cm/s～1.00 ×10-6cm/s，具弱透水性。

2 隧洞進(jìn)洞面臨的問題及應(yīng)對措施

穿黃隧洞進(jìn)口段進(jìn)洞施工有以下特點：

第一，設(shè)計洞臉邊坡高而且陡；第二，地下水位高于隧洞底板約40.00m，對洞臉邊坡及洞身穩(wěn)定影響較大，且具有埋深大、地層滲透系數(shù)低的特點，降水難度大;第三，洞口段具有淺埋特征。穿黃隧洞進(jìn)口埋深5.00～15.00m，洞口開挖施工對邊坡及洞身變形控制要求高;第四，穿黃隧洞進(jìn)口段尚具有小凈距特點。穿黃隧洞開口斷面140m2，且上下游隧洞凈間距僅約13.75m，<1.50 倍洞徑，屬典型的小凈距隧洞。綜合上述特點，穿黃隧洞進(jìn)口段進(jìn)洞開挖須采取邊坡穩(wěn)定措施，保證邊坡自身穩(wěn)定；同時采取進(jìn)洞工程措施，避免進(jìn)洞開挖擾動邊坡，確保邊坡及洞身穩(wěn)定。

3 邊坡穩(wěn)定措施

采用瑞典條分法對邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，考慮孔隙水壓力ui影響，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)：

由式中看出，影響邊坡穩(wěn)定的因素有土層粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ，坡底腳α 及孔隙水壓力u。因此洞臉邊坡穩(wěn)定首先考慮提高土層粘聚力c、內(nèi)摩擦角，加大坡底腳α（即降坡）并消除孔隙水壓力影響。

3.1 提高土層粘聚力c、內(nèi)摩擦角措施

通過對隧洞范圍內(nèi)邊坡土室內(nèi)試驗，得出土體粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率變化規(guī)律。隨著含水量的增加，粘聚力及內(nèi)摩擦角逐漸減小，當(dāng)土體含水率>25%時，粘聚力為0。各指標(biāo)關(guān)系曲線見圖1、圖2。

降低土體含水率可以提高土層粘聚力c、內(nèi)摩擦角，并可消除孔隙水壓力。由于地下水降深達(dá)40m，地層滲透系數(shù)低，多種地層互層，單一深井降水難以達(dá)到降低土體含水率效果，實踐中采取四種方式進(jìn)行復(fù)合降水。

圖1 粘聚力與含水量的關(guān)系圖

圖2 內(nèi)摩擦角與含水量的關(guān)系圖

3.1.1 普通深井

邊坡開挖前，沿基坑周邊布置群井降水，降水井布置間距20m，井深80m，低于隧洞底板20m 左右。降水隨洞口基坑開挖持續(xù)進(jìn)行，保證了深基坑開挖的干地作業(yè)，但邊坡內(nèi)地下水位在隧洞腰線附近處于停滯狀態(tài)，腰線以下土體含水率在25%以上，擾動后可達(dá)30%左右，處于流塑狀態(tài)，不滿足穿黃隧洞進(jìn)口段進(jìn)洞條件。

3.1.2 水平井

沿穿黃隧洞下半洞開挖線外側(cè)布置水平降水井，水平井深50m，成孔孔徑114mm，孔內(nèi)安裝軟式透水管及鋼花管，孔口密封后使用真空抽水。在左側(cè)隧洞布置18 孔，右側(cè)隧洞布置12 孔。

3.1.3 深井真空復(fù)合降水

采取以上兩種降水方案后，穿黃隧洞進(jìn)口地下水位在隧洞腰線稍下，降水速率較慢。分析認(rèn)為一方面與洞底板為古土壤隔水層有關(guān)，另外隧洞正面及左側(cè)的地下水補給來源未切斷也是重要原因。為此，在隧洞進(jìn)口正面及左側(cè)增設(shè)8 口真空降水井，降水井間距10～14m，井底設(shè)計高程為77m，低于洞底板25m。降水井開孔直徑600mm，井內(nèi)徑273mm，井底為5m 沉淀管，沉淀管至地下水位線之間無砂混凝土濾管，其上為混凝土實管，井口6m 段為鋼管，管口焊接法蘭，下潛水泵，并接SK-18 型真空泵，抽真空輔助降水。

3.1.4 輕型井點

由于工期較緊，穿黃隧洞進(jìn)口段開挖前，底板以上5.00～6.00m 高度土體含水率仍在24%～26%左右，呈軟塑狀。結(jié)合隧洞分層開挖在洞口及洞內(nèi)采用輕型井點輔助降水。

輕型井點降水在上導(dǎo)洞開挖成型后實施，根據(jù)開挖進(jìn)尺向前推進(jìn)。左右導(dǎo)洞外側(cè)各布置一排井點，距邊墻30cm，縱向間距1.00～1.20m。井管采用Φ48mm 鋼管，深度5～6m，外傾15 °，底部3m 鉆花管，花管孔徑8mm，開孔率不低于15%，外包100 目濾網(wǎng)，濾網(wǎng)外側(cè)填中粗砂濾料。輕型井點采用SK-18型真空泵抽水。

輕型井點一般在抽水歷時3d 后，土體含水率可控制在20%左右，土體呈硬塑狀態(tài)，較為穩(wěn)定，可進(jìn)行下一層開挖。穿黃隧洞進(jìn)口隨分層開挖實施了兩級輕型井點降水，有效地控制了土體含水率，保證了邊坡及洞身穩(wěn)定。

3.2 加大坡底腳α（降坡）措施

在洞外降水效果達(dá)不到邊坡穩(wěn)定情況下，采取降坡措施，保證邊坡穩(wěn)定。高程120m 以上邊坡為永久邊坡，隧洞開挖前已實施邊坡防護(hù)；高程120m 以下邊坡為臨時邊坡，采取三種穩(wěn)定措施：將洞頂以上高程120m 馬道預(yù)留寬度由設(shè)計的2.00m 調(diào)整為5.00m 將高程120m 以下洞臉邊坡由設(shè)計坡度1:0.50 調(diào)整為1:1；高程120m 以下洞臉邊坡洞口部位抽槽開挖，兩側(cè)預(yù)留土體暫不開挖，用以穩(wěn)定坡腳，預(yù)留土體頂部平臺寬度8.00m，正面邊坡坡度1:1，洞口兩側(cè)邊坡坡度1：0.60。

經(jīng)采取以上措施，降緩了洞臉高程130m 以下邊坡坡度，并通過洞口明洞、分層開挖措施，保證了邊坡穩(wěn)定。

3.3 地表防水措施

黃土邊坡在降雨等地表水影響下，主要有兩種破壞形式。形式一：地表水長期浸泡下，土的抗剪強度大幅降低，在自重作用下產(chǎn)生滑動造成滑坡，盡管該類滑坡自身規(guī)模不大，但本工程洞臉黃土邊坡高陡特點，局部滑坡可能造成整體邊坡失穩(wěn)；形式二：局部集中水流沖刷造成土體沖切破壞，影響邊坡穩(wěn)定。

針對地表水，防護(hù)措施如下：永久邊坡按設(shè)計型式進(jìn)行防護(hù)；臨時邊坡采取掛網(wǎng)噴錨進(jìn)行防護(hù)。鋼筋網(wǎng)采用Φ8@150×150mm 網(wǎng)片；固定錨桿采用Φ25 鋼筋，L=3.00m，外露20cm，間距200cm×200cm；噴混凝土厚度10cm，強度等級C20；洞頂馬道內(nèi)側(cè)修筑排水溝，馬道及排水溝表面澆筑10cm 厚混凝土硬化處理。

4 洞身穩(wěn)定措施

4.1 洞口明洞+管棚超前支護(hù)措施

穿黃隧洞進(jìn)口段及退水洞進(jìn)口洞口采用明洞+管棚超前支護(hù)結(jié)構(gòu)。

明洞長度3.00m，明洞拱架采用Ⅰ20a 工字鋼，間距0.50m，橫向支撐采用Ⅰ16 工字鋼管，間距1.00～1.05m，橫向支撐間焊接斜支撐以增加穩(wěn)定性。拱架間噴射混凝土封閉，混凝土強度等級為C20，厚度30cm，明洞內(nèi)外側(cè)各掛一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)規(guī)格Φ8@150×150mm。明洞結(jié)合洞身開挖臺階，分層向下施工，直至形成封閉結(jié)構(gòu)。明洞在隧洞襯砌完成、洞外結(jié)構(gòu)施工前隨邊坡二次開挖拆除。

鎖口管棚采用Φ76 鋼管。主要布置在洞頂：穿黃隧洞管棚布置在拱頂圓心角135°范圍內(nèi)，長度15.00m；退水洞進(jìn)口段頂部為平頂，則管棚布置在洞頂，兩側(cè)各超出開挖邊線1.00m，長度10.00m。管棚外露1.00m，焊接在明洞拱架上部。管棚間距15～20cm。鋼管表面梅花形鉆孔，打入后使用1:1 水泥漿注漿，注漿壓力0.30MPa。

4.2 洞身強支護(hù)措施

穿黃隧洞進(jìn)口進(jìn)洞段開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和臺階法混合工法（洞身采用CRD 法）：

先進(jìn)行兩側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖，施做仰拱形成兩側(cè)封閉洞室，在上臺階布置垂直輕型井點輔助進(jìn)行下臺階降水；開挖中洞上臺階，進(jìn)行拱部及仰拱支護(hù)，形成上半洞。根據(jù)下半洞降水情況進(jìn)行左右導(dǎo)坑開挖及中洞下臺階開挖（再次布置輕型井點降水），最后進(jìn)行仰拱開挖封閉。詳見圖3

圖3 穿黃隧洞進(jìn)口段進(jìn)洞開挖支護(hù)示意圖

進(jìn)口第一段開挖完成后，及時進(jìn)行混凝土襯砌（鎖口混凝土），再進(jìn)行洞身段開挖施工

4.3 雙洞間隔施工

針對穿黃隧洞進(jìn)口段雙洞小凈距特點，兩洞開挖施工保持一定的時間間隔。先行開挖左側(cè)隧洞，待左洞第一段內(nèi)襯混凝土施工完成后，再開始右側(cè)隧洞開挖。間隔施工避免了因隧道間距小引起的洞間土體變形對雙洞的影響，對邊坡及洞室穩(wěn)定較為有利。

5 結(jié)語

通過采取降水措施提高土層粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ，消除孔隙水影響，提高邊坡穩(wěn)定性；在底部洞外降水效果較差情況下，采取工程措施，放緩邊坡，保證邊坡穩(wěn)定。采取強支護(hù)等綜合工程措施進(jìn)洞，保證了洞身穩(wěn)定，降低對邊坡穩(wěn)定影響。經(jīng)觀測隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)最大沉降量30mm，洞口邊坡變形量12mm，進(jìn)洞措施安全可靠，造價較低。

[1]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]馬貴生，張延倉.南水北調(diào)中線一期穿黃工程地質(zhì)勘察[J].人民長江,2011(4).