軟弱土層隧道施工關(guān)鍵工藝及過(guò)程穩(wěn)定性監(jiān)控要點(diǎn)分析

王 劍

(中交三公局第一工程有限公司，北京 100012)

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軟弱土層隧道施工關(guān)鍵工藝及過(guò)程穩(wěn)定性監(jiān)控要點(diǎn)分析

王 劍

(中交三公局第一工程有限公司，北京 100012)

對(duì)軟弱土層隧道施工關(guān)鍵工藝及注意事項(xiàng)、隧道基底加固、過(guò)程穩(wěn)定性監(jiān)控等方面進(jìn)行詳細(xì)描述，提出應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范軟弱土層隧道施工工序，確保施工質(zhì)量和施工安全。

軟弱土層隧道；工藝；穩(wěn)定性；監(jiān)控

1 現(xiàn)狀及研究意義

軟土地層基本由砂黏土(MI)、粉噴土(MH)和黏土(CH)組成，成分以水云母、蒙德石居多，有機(jī)質(zhì)含量豐富。在我國(guó)，廣泛存在各類(lèi)軟弱地質(zhì)條件區(qū)域，在公路施工建設(shè)過(guò)程中，針對(duì)該類(lèi)地形條件下的隧道工程施工，應(yīng)結(jié)合公路隧道圍巖等級(jí)劃分(I類(lèi)、Ⅱ類(lèi)等)，著力解決施工關(guān)鍵工藝及施工過(guò)程穩(wěn)定性監(jiān)控問(wèn)題。

2 施工前期條件分析

軟弱土層隧道開(kāi)挖前，重點(diǎn)應(yīng)全面進(jìn)行地質(zhì)情況分析，通過(guò)科學(xué)觀(guān)測(cè)、檢測(cè)工作區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件變化情況，為施工方案比選提供翔實(shí)的數(shù)據(jù)支持。主要包括以下幾方面內(nèi)容：第一，巖層性狀分析。結(jié)合地質(zhì)勘察、物理勘探、鉆控觀(guān)測(cè)等資料，判斷地層所屬巖性，以及碎石、黏土、砂礫等各類(lèi)土體成分和含量占比，從而對(duì)巖層結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)性進(jìn)行初步分析。第二，地下水分布狀況勘察。對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤?裂隙存水)來(lái)源、分布位置、涌水流量等方面進(jìn)行全方位勘察，從而為隧道掘進(jìn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的上蓋圍巖破損及滲水等情況提前布置預(yù)防方案。

3 軟弱土層隧道施工關(guān)鍵工藝

軟弱土層隧道施工原則：“布管超前，避免擾動(dòng)，盡早噴錨，加強(qiáng)支護(hù)，嚴(yán)格封閉，勤量多測(cè)”。在工作環(huán)節(jié)的銜接上，應(yīng)盡量做到連續(xù)性施工，避免無(wú)理由怠工、窩工現(xiàn)象的發(fā)生。主要關(guān)鍵步驟如下：第一，邊坡防護(hù)措施。邊坡防護(hù)施工應(yīng)按照分層、分片的步驟進(jìn)行?？捎猛玲攭ζ航Y(jié)合噴射混凝土護(hù)坡防護(hù)，也可采用帶孔鋼管注漿等方式。開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)結(jié)合邊坡穩(wěn)定性、可承受最大變形邊界條件、施工能力綜合確定。一般應(yīng)在前置錨桿出現(xiàn)70%的強(qiáng)度后方可展開(kāi)下一層挖掘。第二，隧道支護(hù)設(shè)計(jì)。針對(duì)軟弱土層的地質(zhì)狀況，特別是洞口區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)支護(hù)措施。可采用的方式有：錨桿、小導(dǎo)管、管棚等超前傘狀支護(hù)方案。第三，隧道開(kāi)挖方案。軟弱土層隧道應(yīng)根據(jù)斷面尺寸、圍巖劃分、埋深等不同情況選擇開(kāi)挖方式。有臺(tái)階法、環(huán)形開(kāi)挖留核心土法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。具體開(kāi)挖方案應(yīng)在嚴(yán)格、充分論證的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況綜合判斷后慎重選擇。目前，應(yīng)減少鉆爆開(kāi)挖方式，在條件允許的情況下，多使用機(jī)械設(shè)備開(kāi)挖。初步可參照以下開(kāi)挖方案：?jiǎn)尉€(xiàn)隧道Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖，適用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法；單線(xiàn)隧道Ⅳ級(jí)圍巖，適用臺(tái)階法；雙線(xiàn)隧道Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖，適用CD法或CRD法；雙線(xiàn)隧道Ⅳ級(jí)圍巖，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。具體步驟：開(kāi)挖前的準(zhǔn)備。先對(duì)拱部采用Ф50超前小導(dǎo)管(洞口淺埋段可采用大管棚)加固圍巖，每循環(huán)施作5 m，開(kāi)挖4 m，小導(dǎo)管有效搭接長(zhǎng)度不少于1 m。根據(jù)隧道開(kāi)挖高度可分成2～3個(gè)臺(tái)階。開(kāi)挖機(jī)械選用懸臂掘進(jìn)機(jī)或風(fēng)鎬開(kāi)挖，人工配合修整周邊及拱腳部位。開(kāi)挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)圍巖條件確定，但最長(zhǎng)不宜超過(guò)1.5 m。需要注意的是，對(duì)墻腳、拱腳部位應(yīng)預(yù)留30 cm，由人工開(kāi)挖，防止此處超挖。開(kāi)挖結(jié)束要初噴混凝土封閉巖面，及時(shí)完成施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，根據(jù)情況加設(shè)臨時(shí)仰拱。當(dāng)下部斷面開(kāi)挖后，盡早將拱架聯(lián)接成整體，打設(shè)鎖腳錨桿。當(dāng)隧底承載力不足時(shí)，要盡快完成地基加固，施作仰拱，封閉成環(huán)。最后根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，適時(shí)施作二次襯砌。特別注意：階段性開(kāi)挖工作一旦結(jié)束，必須采用混凝土噴射等類(lèi)似方式密閉圍巖，襯砌后方，包括上層拱頂應(yīng)保證回填密實(shí)。第四，防水排水措施。施工過(guò)程中，重點(diǎn)應(yīng)在隧道上方、入口處等易出現(xiàn)水毀現(xiàn)象的部位設(shè)置防水排水系統(tǒng)。采取一切措施預(yù)先將可能出現(xiàn)塌陷、脹縫、裂隙的位置封閉，防止洞內(nèi)積水侵犯洞體周?chē)斐赏翆蛹敖Y(jié)構(gòu)坍塌。隧道施工范圍內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)積水面較大、水量集中時(shí)，必須有相應(yīng)排水措施?？赏ㄟ^(guò)井點(diǎn)降水將地下水位降至隧道襯砌底部之下，以防水毀現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，避免造成停工。隧道洞口及仰坡宜利用地形，邊坡較大，平臺(tái)加寬的設(shè)置，更便于排水泄水，加強(qiáng)邊坡保護(hù)。

4 軟弱土層隧道基底加固

隧道開(kāi)挖的同時(shí)，應(yīng)對(duì)地基采取必要的加固措施，以保證其承載能力。地基加固常用方法有灰土擠密樁、樹(shù)根樁、換填、底部注漿和基底夯實(shí)等。隧道仰拱施工前中隔壁、臨時(shí)仰拱等臨時(shí)支護(hù)暫不拆除，待開(kāi)挖到邊墻拱架底腳標(biāo)高，進(jìn)行軟基處理。

4.1 灰土擠密樁加固

灰土擠密樁樁徑為0.5 m，仰拱底部樁按1.2×1.2 m，邊墻底部樁按1.0×1.0 m，梅花形布置，樁長(zhǎng)3～5 m?；彝翑D密樁處理基底布置見(jiàn)圖1。

圖1 灰土擠密樁處理基底示意圖Fig.1 Lime-soil compaction pile processing base diagram

施工方法如下：第一，成樁機(jī)械選擇。根據(jù)隧道內(nèi)對(duì)施工機(jī)械的空間要求，機(jī)械高度不能過(guò)大，而且邊墻底部灰土擠密樁施工難度比較大，采用CHZ強(qiáng)制式?jīng)_擊鉆機(jī)施工本隧道灰土擠密樁，該鉆機(jī)鉆架高度可根據(jù)施工需要調(diào)整。在隧道開(kāi)挖、初期支護(hù)完成后即安排灰土擠密樁施工。第二，測(cè)量放線(xiàn)。按照設(shè)計(jì)放出樁位，并用白灰點(diǎn)標(biāo)注，在適當(dāng)位置布設(shè)護(hù)樁，以備隨時(shí)檢查復(fù)核。第三，樁機(jī)就位。根據(jù)測(cè)放的樁位，樁機(jī)就位，并使樁錘嚴(yán)格對(duì)中，樁孔中心點(diǎn)的偏差不超過(guò)樁距設(shè)計(jì)值的5%。第四，夯擊成孔。嚴(yán)格按照樁機(jī)操作規(guī)程夯擊成孔。成孔施工時(shí)，地基土宜接近最優(yōu)含水量，當(dāng)?shù)陀谧顑?yōu)含水量時(shí)，應(yīng)加水增濕至最優(yōu)含水量。成孔后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行驗(yàn)孔，合格后立即進(jìn)行回填成樁。第五，回填成樁。向孔內(nèi)填料前，孔底必須夯實(shí)。填料及壓實(shí)系數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。基底處理頂面以上應(yīng)預(yù)留0.7～1.0 m厚的土層，待施工結(jié)束后，將表面擠松的土挖除或分層夯壓密實(shí)。第六，質(zhì)量檢驗(yàn)。施工結(jié)束后，對(duì)處理地基的質(zhì)量應(yīng)及時(shí)進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)。一般主要檢查樁和樁間土的干密度、承載力和施工記錄，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行載荷試驗(yàn)或其他原位測(cè)試。

4.2 樹(shù)根樁加固基底

采用樹(shù)根樁加固基底時(shí)，樁徑不小于0.3 m，樁長(zhǎng)根據(jù)情況設(shè)置，但樁底應(yīng)伸入下部穩(wěn)定地層中，樁間距為1.0×1.0 m，按梅花形布置。樹(shù)根樁布置見(jiàn)圖2。

圖2 樹(shù)根樁布置圖Fig.2 Root pile arrangement diagram

樹(shù)根樁施工方法如下：第一，樁孔定位。按設(shè)計(jì)樁位準(zhǔn)確放樣，樁位偏差控制在20 mm以?xún)?nèi)，直樁的垂直度偏差應(yīng)不超過(guò)1%，斜樁的傾斜度應(yīng)按設(shè)計(jì)要求做相應(yīng)調(diào)整。第二，成孔。采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，鉆孔時(shí)加設(shè)套管，鉆孔到設(shè)計(jì)標(biāo)高后清理干凈孔內(nèi)土碴，準(zhǔn)備吊放鋼筋籠。第三，吊放鋼筋籠、安裝導(dǎo)管。清孔后，將事先加工好的鋼筋籠吊入孔內(nèi)，安裝灌注混凝土導(dǎo)管。灌注混凝土導(dǎo)管采用直徑100 mm鋼管，直插孔底。第四，灌注混凝土。采用細(xì)石混凝土，在拌和站集中拌制，混凝土輸送車(chē)運(yùn)輸，人工下料。為確?；炷撩軐?shí)，采用插入式振動(dòng)棒振搗，灌注混凝土導(dǎo)管隨混凝土灌注逐步提升。在混凝土澆筑面距孔口小于2.0 m時(shí)，完全提出導(dǎo)管，混凝土直接入孔，直至混凝土灌注完成。樹(shù)根樁采用跳孔法施工，做好現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收記錄，包括鋼筋籠制作、成孔和注漿等各項(xiàng)工序指標(biāo)。

4.3 換填

換填具有施工簡(jiǎn)單、施工質(zhì)量便于控制的特點(diǎn)，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)隧道應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)換填深度、寬度進(jìn)行計(jì)算，或按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行換填處理。換填施工應(yīng)在隧道開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行，采用分層填料，小型機(jī)具夯實(shí)。換填材料可為三七(或二八)灰土、碎(卵)石或粗砂礫等。軟弱土層隧道基底換填加固處理方法可參考圖3。

圖3 軟弱土層隧道基底換填加固示意圖Fig.3 Schematic diagram of reinforcement of soft soil tunnel base

5 過(guò)程穩(wěn)定性監(jiān)控

第一，隧道施工之前，必須制定完善的監(jiān)控量測(cè)辦法。主要包括以下內(nèi)容：地層地質(zhì)情況；擬開(kāi)挖隧道(表層)有無(wú)干擾物；拱頂、地表下沉監(jiān)測(cè)；凈空收斂情況；斷面量測(cè)；水位變化；襯砌應(yīng)力；鋼拱架受力量測(cè)；錨桿軸力及錨固力量測(cè)；圍巖壓力與接觸壓力量測(cè)；圍巖塑性區(qū)探測(cè)；應(yīng)力造成的圍巖內(nèi)部推移；襯砌結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)載應(yīng)力測(cè)試等。其中收斂量測(cè)采用收斂?jī)x，地表下沉量測(cè)、拱頂沉降量測(cè)和隧道斷面量測(cè)采用全站儀，鋼拱架受力量測(cè)采用鋼弦式測(cè)力計(jì)，錨桿軸力及錨固力量測(cè)量測(cè)分別采用鋼筋計(jì)和拉拔試驗(yàn)，圍巖壓力及接觸力采用土壓力盒進(jìn)行量測(cè)，圍巖塑性區(qū)的量測(cè)采用聲波測(cè)試方法，圍巖內(nèi)部位移量測(cè)采用多點(diǎn)位移計(jì)，襯砌靜力及動(dòng)載應(yīng)力采用壓力盒量測(cè)。

第二，模型計(jì)算。首先，采用三維彈塑性和流變模型數(shù)值計(jì)算軟件，模擬計(jì)算弧形導(dǎo)坑法、環(huán)形導(dǎo)坑法、CD法、CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程，進(jìn)行各施工階段軟弱土層與支護(hù)的靜力計(jì)算，模擬分析大斷面隧道各施工工況的力學(xué)及變形特性。結(jié)合施工圍巖量測(cè)及結(jié)構(gòu)受力測(cè)試結(jié)果，通過(guò)反演分析，研究最優(yōu)施工參數(shù)，保證隧道施工期的安全和穩(wěn)定。其次，根據(jù)軟弱土層隧道特點(diǎn)，結(jié)合施工仿真分析成果，研究圍巖變形控制指標(biāo)，研究新型全站儀圍巖變形監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，研究滿(mǎn)足隧道安全快速掘進(jìn)要求的施工綜合配套技術(shù)和合理工法。最后，對(duì)試驗(yàn)隧道進(jìn)行圍巖量測(cè)和結(jié)構(gòu)受力測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與數(shù)值分析成果相互校核，及時(shí)反饋以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。充分獲取結(jié)構(gòu)受力和巖層變形特征的基礎(chǔ)資料，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方法及工程處理措施的合理性與可靠性。

6 軟弱土層隧道施工強(qiáng)調(diào)事項(xiàng)

第一，施工前應(yīng)注意調(diào)查隧道上方地表沖溝陷穴、溝谷匯水地段和洞口淺埋段季節(jié)性地表水下滲和農(nóng)灌對(duì)隧道的影響，做好相應(yīng)的防排水系統(tǒng)工程，防止地面水下滲，造成隧道塌方。第二，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制施工用水，最好做到無(wú)水開(kāi)挖。同時(shí)，要密切注意洞內(nèi)地下水的情況，做好地下水和施工用水的引排。第三，洞口段開(kāi)挖，要與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)考慮，做好排、截水設(shè)施。隧道洞門(mén)應(yīng)盡量在雨季前完成。第四，開(kāi)挖進(jìn)尺宜控制在1.5 m以?xún)?nèi)，拱腳、墻腳部位應(yīng)預(yù)留30 cm由人工開(kāi)挖，嚴(yán)禁超挖。第五，管棚、錨桿施工宜采用煤礦螺旋干鉆成孔，以維持土體的穩(wěn)定。各種錨桿必須加設(shè)墊板。鋼架架設(shè)后必須設(shè)鎖腳錨管，以控制基腳變形。第六，隧道開(kāi)挖后的變形與穩(wěn)定時(shí)間，與仰拱有著直接關(guān)系，因此，要盡快施作仰拱。仰拱必須全幅整體施工，嚴(yán)禁半幅施工，仰拱填充要與仰拱襯砌分別施工，嚴(yán)禁一次施工。第七，二次襯砌前要認(rèn)真施作防水設(shè)施，做好施工縫、變形縫的防水措施。二襯完成后，對(duì)拱頂及時(shí)進(jìn)行壓漿回填，確保拱墻背部密實(shí)。

7 結(jié)語(yǔ)

軟弱土層隧道施工應(yīng)做好施工前期的情況分析、方案比選工作，施工過(guò)程中應(yīng)注意關(guān)鍵工藝的選擇，盡量完善過(guò)程中的監(jiān)測(cè)工作，以實(shí)現(xiàn)安全、合格施工。

[1] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 高磊，高玉霞.淺談軟基處理中灰土擠密樁施工方法[J].城市建設(shè)理論研究，2012，(22)：89-90.

[4] 謝少權(quán).軟土地層中淺埋暗挖交通隧道施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2004，(02)：65-66.

Analysis on key process and process stability monitoring
of soft soil tunnel construction

WANG Jian

(CCCC Third Highway No.1 Engineering Co., Ltd., Beijing 100012, China)

This paper describes the key technology and precautions of tunnel construction, the reinforcement of tunnel foundation and the monitoring of process stability. It is suggested that the construction process of soft soil tunnel should be strictly regulated to ensure the construction quality and construction safety.

Soft soil tunnel; Process; Stability; Monitoring

2017-03-04

王劍(1980-)，男，碩士研究生，工程師。

U455.4

A

1674-8646(2017)08-0053-03