黃土隧道施工過程控制要點

楊雷

(中鐵十五局集團二公司,河南焦作 454150)

黃土隧道施工過程控制要點

楊雷

(中鐵十五局集團二公司,河南焦作 454150)

黃土隧道施工監(jiān)控量測應以控制變形為重點,控制變形的重點是施工的規(guī)范化及科學的監(jiān)控量測手段運用,本文以包西鐵路(陜西段) BXS-1標鄧家樓一、二號隧道施工為背景,針對黃土隧道“管超前、短進尺、強支護、嚴制水、實回填、早封閉、勤量測”的施工原則進行了相應的分析,對黃土隧道施工具有一定的指導意義。

黃土隧道 施工 要點

1 工程背景

包西鐵路通道(陜西段)BXS-1標鄧家樓一、二號隧道位于陜北黃土高原梁峁溝壑區(qū)，均為單線隧道，3‰的單面上坡，其中鄧家樓一號隧道起訖里程為IIDK344+690-IIDK345+480，全長790米， IV級圍巖長度520m，V級圍巖長度270m，砂質(zhì)黃土全線通過。鄧家樓二號隧道起訖里程為IIDK345+548-IIDK345+865，全長317米，IV級圍巖長度120m，V級圍巖長度197m，砂質(zhì)黃土全線通過。隧道涉及地層為第四季全新統(tǒng)沖擊砂質(zhì)黃土、細砂，上更新統(tǒng)風積砂質(zhì)黃土、沖擊細砂，中更新統(tǒng)風積砂質(zhì)黃土及三疊系上統(tǒng)砂巖加頁巖。兩隧道進出口及淺埋沖溝處均不同程度的存在溜塌體物質(zhì)、陷穴、細砂等不良地質(zhì)情況。根據(jù)鉆探取樣試驗結果工點內(nèi)特殊巖土為非自重性濕陷性黃土，濕陷等級為I級。

圖1

圖2

2 規(guī)范施工過程控制

針對黃土隧道易變形等特殊的性質(zhì)，必須強化施工過程管理，嚴格按照“管超前、短進尺、強支護、嚴制水、實回填、早封閉、勤量測”的施工控制原則；按照設計做好初期支護，穩(wěn)中求快，不盲目搶進度，才能保證隧道安全貫通及運營期間結構安全。

2.1 進洞準備及地表處理

(1)隧道黃土地層洞口段具濕陷性，刷坡進洞前挖除陷穴表土、夯實后采用三七灰土及時封閉處理，并做好地表水引排設施，防止地基濕陷對隧道產(chǎn)生危害。防排水施工遵循“防、堵、截、排”結合的原則。(2)進洞應盡量維持原始地形、地貌，保護生態(tài)環(huán)境，減少刷坡工程量，減少地質(zhì)擾動。該隧道進出口偏壓山體采用樁板墻處理，為保證山體穩(wěn)定，樁板墻采用跳挖方式，采用人工挖孔，樁板墻護壁結構應加強處理，可采用網(wǎng)噴方式施工樁板墻護壁，樁板墻與大管棚同時施作，洞口段大管棚主要加固洞口，根據(jù)“早進洞、晚出洞”的原則，確保進洞安全。在完成洞身混凝土襯砌20m后，退出初砌臺車及早施作隧道洞門，確保邊坡穩(wěn)定和美觀的要求。(3)由于隧道進出口地基位于濕陷性黃土層，隧道與路基過渡段要采用三七灰土換填，在施工開挖至換填底時，要對基底做濕陷性和承載力試驗，用于調(diào)整換填深度(如圖1)。

2.2 嚴格開挖方式

圖3

(1)考慮到兩隧道地質(zhì)巖性相近，均為砂質(zhì)黃土全線通過，洞身開挖采用人工配合挖掘機開挖，開挖過程中嚴格三臺階預留核心土的開挖方式，隨挖隨支，及時噴錨，約束圍巖早期變形。每臺階錯開長度如圖1所示，但仰拱距離掌子面不宜超過20m。其中上臺階采用預留核心土開挖，中下臺階采用左右跳馬口開挖，在跳馬口開挖下臺階時，提前在拱架拱腰處加設臨時鋼橫撐，再開挖下臺階，馬口錯開距離為3-5m。開挖過程每循環(huán)做好掌子面的動態(tài)觀察，出現(xiàn)流砂層或其他不良地質(zhì)情況。(2)下臺階噴混凝土強度達到70%以上時，開挖仰拱，完成仰拱砼施工；仰拱每循環(huán)開挖長度不得超過3m，墻腳、拱腳等隅角處應預留60～70cm人工開挖，嚴禁機械超挖。其目的是防止機械開挖不易控制，誤碰鋼拱架，極易造成鋼拱架失穩(wěn)，進而造成坍塌事故。及時施作仰拱，形成封閉受力結構（如圖2）。

2.3 開挖注意事項

(1)淺埋段有超前小導管支護時，首先利用上一循環(huán)架立的鋼架施作，上臺階施工鋼架時，應將拱腳系統(tǒng)錨桿緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設，錨桿與鋼架牢固 焊接，兼起鎖腳作用；(2)下臺階應在上臺階噴混凝土強度達到70%以上時開挖，當巖體不穩(wěn)定時，應縮短進尺，及時施作初期支護和仰拱；(3)各步臺階一次開挖長度一般不應超過1倍洞徑，確保開挖、支護質(zhì)量及施工安全。下臺階開挖后應及時完成初期支護；(4)上臺階開挖超前一個循環(huán)后，上下臺階可同時開挖；(5)按規(guī)范及標準圖要求，施工中根據(jù)監(jiān)控量測結果，掌握圍巖和支護的變形情況，調(diào)整預留變形量和支護參數(shù)，及時完成二次襯砌，確保施工安全；(6)完善洞內(nèi)防排水系統(tǒng)，防止積水浸泡墻腳基礎。

2.4 強化初期支護

(1)黃土隧道局部含砂量較高，受力敏感性強，應盡量減少圍巖暴露時間。

黃土隧道初期支護應采取“寧強勿弱”的原則，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測情況計設計要求，及時增強支護方式。鋼拱架應嚴格按照設計要求進行加工，拱部范圍內(nèi)嚴禁搭接。拱腳部分連接采用1.5cm鋼板，并保證接頭部分連接水平、焊縫密實。每榀鋼架在加工場進行試拼，合格后用紅油漆對各單元進行標識，使用之前運至現(xiàn)場，各單元之間、每榀之間連接必須牢固。鋼架在初噴混凝土后及時架設，鋼架與圍巖面密貼，應與混凝土形成一體，鋼架與圍巖間的間隙采用噴混凝土充填密實，鋼架應全部被噴混凝土覆蓋，開挖下 臺階時，詳細察看上臺階鋼架，鎖腳錨桿不穩(wěn)定時，及時增設6m長鎖腳錨管，防止拱部下沉變形。

(2)針對黃土隧道拱架基底不穩(wěn)定，為確保拱架穩(wěn)定，開挖時在拱腳位置預留30cm，人工進行清理。該隧道下臺階拱架拱腳接長80cm，深入至仰拱以下，每臺階鋼架拱腳設置5cm厚砼預制塊，確保支架落地牢固。每榀完成后及時采用臨時橫撐封閉成環(huán)。

(3)隧道拱墻設置鋼筋網(wǎng)片，施工過程中要求網(wǎng)片焊接到鋼架的外側與初噴砼密貼，并鉆設錨桿，錨桿一定要垂直巖面，加設墊板，并保證95%設計量以上的錨固長度，墊板要與基面密貼，完成之后再進行砼的復噴作業(yè)。根據(jù)黃土隧道特性，在不減少錨桿總根數(shù)的情況下，根據(jù)鋼架間距調(diào)整錨桿間距，并使錨桿與鋼架牢固焊接，增強初期支護的整體性。在噴射鋼架背后砼的時候噴槍一定要保證一定的角度，確保鋼架背后砼密實。

現(xiàn)場質(zhì)檢工程師在拱架安裝過程中嚴格控制腳底砼墊塊的安放是否平穩(wěn)牢固，拱架連接鋼板、連接鋼筋焊接是否合格，拱架平面位置、間距、垂直度是否符合設計要求。

3 全面的監(jiān)控量測手段

3.1 編制監(jiān)控量測方案

監(jiān)控量測作為施工組織的核心內(nèi)容之一，置于動態(tài)管理體系之中，其目的在于監(jiān)測圍巖變形和壓力情況，驗證支護襯砌的設計效果。開工前依據(jù)設計文獻編制、報批監(jiān)控量測實施細則，施工中應按照實施細則有條不紊的組織實施。項目部應配備專職監(jiān)控量測人員和必要的監(jiān)控量測工具，實施人員應對數(shù)據(jù)分析、處理具有較深入的理解。負責及時準確的將監(jiān)控量測信息指導施工，確保施工安全及隧道結構的永久穩(wěn)定性。

3.2 監(jiān)控量測項目具體實施

鄧家樓一、二號隧道均為黃土隧道，除正常的每循環(huán)開挖地質(zhì)素描外，加強監(jiān)控量測尤為必要，必測項目分為：拱頂下沉、凈空變化、隧道淺埋設段地表沉降、圍巖內(nèi)部位移、洞內(nèi)洞外觀察。

拱頂下沉、凈空變化監(jiān)控量測點應布置在同一斷面上，根據(jù)三臺階的開挖方式布置點位，上臺階布置三點，中下臺階各兩點。根據(jù)圍巖性質(zhì)來確定每組斷面距離，V級圍巖每5m/斷面，IV級圍巖每10m/斷面，頻率為2次/天，點位標識清晰、規(guī)范，并要及時更新。隧道淺埋 段地表沉降觀測點應在隧道開挖前就予以布設且點位應與洞內(nèi)測點盡量在同一斷面，以便數(shù)據(jù)相互驗證。測點橫向間距2～5m，隧道中線位置適當加密。

洞內(nèi)洞外觀察分為掌子面觀察、已施工區(qū)間觀察、洞口及洞身淺埋段觀察等。掌子面開挖應在每開挖循環(huán)都要進行，主要觀察圍巖是否穩(wěn)定、是否有新的節(jié)理發(fā)育。黃土隧道圍巖垂直節(jié)理的存在時導致隧道拱頂坍塌的關鍵因素，節(jié)理在坑道頂部時，極易產(chǎn)生“塌頂”；如果位于側壁，則極易出現(xiàn)掉土、片幫，施工中若處理不當，常會出現(xiàn)較大的坍塌。在施工過程中要特別注意觀察垂直節(jié)理的發(fā)育。洞外主要觀察地表是否有異常情況發(fā)生，邊仰坡是否穩(wěn)定等。通過對量測結果整理與分析，及時安排施作仰拱及二次襯砌時間，是控制圍巖變形、避免隧道坍塌事故發(fā)生、保證隧道施工安全的重要一環(huán)（如圖3）。

3.3 異常結果處理

(1)施工監(jiān)控過程如果遇到：隧道開挖后，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、圍巖級別比設計參數(shù)有明顯差別；噴射混凝土層裂較多、裂縫大且不斷發(fā)展；位移速率長期無明顯下降，實測位移值已接近規(guī)定范圍，位移量可能超過預留變形量等情況應立即采取補強措施，改變施工方法和設計參數(shù)。(2)如果遇到基底下沉現(xiàn)象，應盡快將仰拱進行封閉，如果仍然出現(xiàn)下沉跡象，可在邊角處架設錨桿，復噴混凝土并在基底鉆孔注漿加固、換填或樁基。(3)監(jiān)控項目顯示圍巖壓力引起，必須采取補強措施加固圍巖。并在下一循環(huán)改變設計參數(shù)，加強監(jiān)控頻率，及時提請設計變更。(4)監(jiān)控過程中出現(xiàn)突然性不穩(wěn)定因素，如伴有響聲及新生裂縫，應立即封閉所有工作面，委派專職觀察員對初期支護進行監(jiān)控。加強支護和采取可能的搶救性措施。

4 強制性安全保證

(1)嚴格執(zhí)行施工過程控制，規(guī)范化的施工管理是安全最基本的保證。針對黃土隧道圍巖不穩(wěn)定、易變形的性質(zhì)，安全距離堅決不能超標，必須按照雙20m的硬性標準來控制黃土隧道施工，即二襯距離仰拱斷面20m、仰拱斷面距離掌子面20m。

(2)現(xiàn)場救援應定期演練，積極自救，隧道開工前必須根據(jù)設計要求及現(xiàn)場實際情況做好隧道的風險評估，針對風險評估情況編制控制方案及應急預案，并做好相應的工前教育及必要的演練。 使得應急反應行動按計劃有序地進行，防止因應急反應行動組織不力或現(xiàn)場救援工作無序和混亂延誤事故的應急救援，有效避免或降低人員傷亡和財產(chǎn)損失，幫助實現(xiàn)應急反應行動的有序、快速、高效。

(3)隧道掌子面至二襯必須設置救援逃生通道，以備意外坍塌事故發(fā)生后，生還人員逃生之用。通道采用Φ=550鋼管，壁厚10mm，管節(jié)節(jié)長3m，管節(jié)之間采用法蘭盤螺栓連接，鋼管采用鋼支架支撐。

(4)應急物資就近設置，標示清晰。建議應急物資進洞，就近放置在已經(jīng)施工完襯砌地段，同時避免對正常施工和應急救援造成干擾。應急物資應以輕便、易于實施為主，特別要備圓木，方便調(diào)整長度，作為豎撐、橫撐等。

5 結語

安全、優(yōu)質(zhì)的完成黃土隧道的施工，規(guī)范過程的控制是關鍵，科學正確的監(jiān)控量測是指導規(guī)范施工的手段。通過在鄧家樓一、二號隧道施工過程中的應用，黃土隧道施工安全、質(zhì)量、進度等都能滿足設計要求。

[1]《鐵路隧道工程施工技術指南》(TZ204-2008).

[2]《高速與客運專線鐵路施工工藝手冊》(科學技術文獻出版社2006年9月).

[3]《包西鐵路通道大保當至張橋段施工圖》(施隧01、02鐵一院2008 年7月).