富水黏土地段隧道洞口施工技術(shù)探討

袁 通，王忠培，韋旋馨

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100000；3.廣西樂百高速公司有限公司，廣西 凌云 533100)

0 引言

隧道在黏土地段施工，遇水經(jīng)常會(huì)引發(fā)各種問題。黏土在較長(zhǎng)時(shí)間水的浸泡下，會(huì)發(fā)生力學(xué)參數(shù)變小、承載力降低等情況，進(jìn)而造成地基承載力不足和塌方或滑塌等災(zāi)害。地表發(fā)生突變的縱、橫向位移時(shí)，往往被認(rèn)為是滑坡的前兆。崔玉明等人采用樹根樁加固隧道軟弱基底[1]；鄧榮貴等人采用自錨式加固結(jié)構(gòu)處理隧道洞頂滑坡[2]，但這些只是針對(duì)處理隧道基底軟弱或洞頂潛在滑坡等單一情況下的處治方法。本文介紹了某在建高速公路隧道在富水黏土地段且基底承載力不足情況下洞口推移后采取的一些應(yīng)急處治措施，并分析介紹了后續(xù)施工工序，確保了隧道安全通過此不良地段。

1 工程地質(zhì)概況[3-5]

1.1 地形地貌

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山地貌，地形起伏較大，隧址兩端溝谷較發(fā)育，該隧道穿過東西走向的單一山體，隧道最大埋深約210 m。該隧道洞口位于傾向南的溝谷后緣斜坡上，自然地面坡度25°～40°，洞口植被發(fā)育。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)出露地層主要為第四系坡殘積層(Qdl+el)和三疊系中統(tǒng)板納組中段(T2b2)砂巖。坡殘積層以粉質(zhì)黏土為主，主要分布于隧道洞口，厚度約5.5 m。黏土下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，厚度約50 m，其下為中風(fēng)化砂巖，從地表往下風(fēng)化程度由強(qiáng)到弱。洞口為Ⅴ級(jí)圍巖，未見滑坡、崩塌等不良地質(zhì)作用，自然斜坡穩(wěn)定。隧址區(qū)東側(cè)發(fā)育北東——南西走向的區(qū)域性斷層，斷層自新生代以來未見有活動(dòng)跡象。

1.3 水文地質(zhì)概況

隧址區(qū)溝谷切割斜坡地形，于隧道出口右側(cè)形成一沖溝，如圖1。該地區(qū)5～8月份為雨季，降雨量較大，但由于洞口地勢(shì)較高，無地表積水，大氣降水形成的地表面流往隧址兩端溝谷排泄。地下水主要為賦存于坡殘積粉質(zhì)黏土層孔隙水和賦存于基巖中的裂隙水，經(jīng)鉆孔勘察得穩(wěn)定地下水位埋深28.80～36.20 m。隧道洞口施工期間為雨季過后，地表殘坡積粉質(zhì)黏土層賦水量較大，洞口開挖時(shí)，于套拱右側(cè)起拱線位置處時(shí)有滲水，水量較大，造成隧道洞口基底軟化，經(jīng)推斷，出水點(diǎn)位于上述沖溝位置附近。

圖1 隧道洞口地形圖

2 隧道洞口變形

2.1 洞口施工概況

由于洞口段為小凈距隧道，為減少兩洞開挖時(shí)相互干擾效應(yīng)，施工采用右洞先行、左洞暫時(shí)不動(dòng)的原則施工。套拱施工前，先將右側(cè)積水排水，并于套拱基底處采用碎石盲溝將山體滲水引排至路基邊溝。根據(jù)地基承載力試驗(yàn)，采用片石(厚1.5 m)+碎石(厚0.3 m)換填法進(jìn)行套拱基底換填。

右洞洞口采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖法，并于上、中、下臺(tái)階拱腳部位兩側(cè)各施作2根3.5 m長(zhǎng)A42×4 mm鎖腳小導(dǎo)管。上臺(tái)階開挖高度約3 m，上臺(tái)階拱腳部位采用Ⅰ18工字鋼進(jìn)行橫向支撐，同時(shí)拱頂采用Ⅰ18工字鋼豎向支撐，豎向支撐的工字鋼基底采用寬50 cm、厚1 cm的鋼板墊底，以增大受力面積，減小拱頂沉降。上臺(tái)階鋼拱架拱腳部位采用縱向工字鋼焊接連接，提高初支整體受力性能。待上臺(tái)階進(jìn)尺8 m后，進(jìn)行中臺(tái)階和下臺(tái)階施工。

2.2 洞頂?shù)乇砦灰?/h3>

隧道上臺(tái)階開挖施工時(shí)，洞頂截水溝附近可見斷斷續(xù)續(xù)的裂縫，裂縫只分布于隧道正上方，兩側(cè)未見裂縫發(fā)育。裂縫平均寬3 mm，最大處寬10 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)套拱處布設(shè)的縱向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)反映，此段時(shí)間套拱平均每天縱向位移約0.3～0.5 mm，累計(jì)位移約3 mm。當(dāng)進(jìn)行洞口中、下臺(tái)階開挖時(shí)，套拱縱向位移速率增大，之后趨于平穩(wěn)，累計(jì)位移約9 mm。推測(cè)中、下臺(tái)階開挖時(shí)對(duì)山體坡腳擾動(dòng)增大。當(dāng)施作完中、下臺(tái)階鎖腳小導(dǎo)管后套拱又趨于穩(wěn)定。隨后進(jìn)行洞口第一環(huán)仰拱施工開挖(開挖長(zhǎng)度3 m)，洞頂?shù)乇砹芽p一天內(nèi)出現(xiàn)急劇變寬趨勢(shì)，平均寬度約20 mm，最寬處達(dá)50 mm，裂縫出現(xiàn)“圈椅式”貫通趨勢(shì)，并于主裂縫后緣出現(xiàn)2條斷斷續(xù)續(xù)的細(xì)小裂縫，呈現(xiàn)一定的“牽引式滑動(dòng)”特征。

根據(jù)套拱處布設(shè)的縱向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)反映，洞口第一環(huán)仰拱開挖施工時(shí)，套拱當(dāng)日縱向推動(dòng)位移約8 mm，待洞口第一環(huán)仰拱澆筑完后，位移漸漸趨于穩(wěn)定，總位移約20 mm，見圖2。

圖2 套拱縱向位移曲線圖

2.3 洞內(nèi)初支變形

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)察看，洞內(nèi)初支未出現(xiàn)明顯裂縫，可見拱頂沉降和兩側(cè)收斂較小，洞口段左側(cè)有一部分二次補(bǔ)噴混凝土與初支出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，推測(cè)可能是由于隧道右側(cè)山體較高，存在一定偏壓，再加上隧道基底軟化，產(chǎn)生一定的橫向推移現(xiàn)象，位移方向由右向左。

距套拱3 m位置處，洞內(nèi)布設(shè)有拱頂和周邊位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，拱頂沉降和周邊位移雖未趨于穩(wěn)定，但位移速率均較小，且成遞減趨勢(shì)。拱頂位移速率為0.2～0.6 mm，累計(jì)沉降約40 mm；兩側(cè)收斂速率0.1～0.4 mm，累計(jì)收斂約16 mm，均較小，如圖3和圖4所示。

圖3 洞口初支拱頂沉降曲線圖

圖4 洞口初支周邊收斂曲線圖

3 處治措施

3.1 洞口反壓及地表防滲

為抑制套拱縱向推移，在洞口套拱兩側(cè)，采用塊石堆載反壓，堆載高度至套拱頂，縱向堆載長(zhǎng)度≥10 m。采用“黏土”將地表裂縫填實(shí)，既能封堵縫隙，同時(shí)能起到隔水效果，然后在地表裂縫處抹一層砂漿，上述措施完善后，在洞口地表施蓋一層“彩條布”，防止雨水下滲。

3.2 洞口仰拱施工

洞口第一環(huán)仰拱開挖施工時(shí)，套拱縱向位移加劇，而初支變形較小，可知隧道發(fā)生了整體縱向推移。這是因?yàn)檠龉暗拈_挖，實(shí)質(zhì)上是將邊坡的坡腳挖除，邊坡穩(wěn)定性降低。同時(shí)在富水黏土地質(zhì)條件下，洞頂土體粘聚力、內(nèi)摩擦角較小，邊坡發(fā)生縱向牽引式的滑動(dòng)，由于基地軟弱，抗阻能力較小，下滑力帶動(dòng)隧道初支及套拱一起縱向位移。因此，及時(shí)澆筑隧道仰拱是至關(guān)重要的一步。但由于隧道基底長(zhǎng)時(shí)間浸水造成地基承載力不滿足要求，而基礎(chǔ)換填需1～2 d才能完成，同時(shí)換填開挖造成開挖深度更深，坡體穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。對(duì)此問題，可采用類似“樁基+筏基”綜合地基處理方式解決。采用5根5 m長(zhǎng)縱向鋼拱架墊于仰拱初支鋼拱架之下，然后及時(shí)綁扎仰拱二次鋼筋并一次性泵送混凝土，混凝土內(nèi)摻入少量早強(qiáng)劑，待仰拱達(dá)到一定強(qiáng)度后，在靠近縱向工字鋼兩端，采用4 m長(zhǎng)A108×6 mm注漿鋼管以15°內(nèi)傾角度斜向打入隧道基底，鋼拱架每端各打入2根，然后將鋼管與縱向工字鋼縱向焊接在一起，能起到一定“頂托”并且加固軟弱地基的作用，具體如圖5所示。

圖5 仰拱地基加固示意圖

3.3 后續(xù)施工次序

施工完洞口第一環(huán)3 m長(zhǎng)的仰拱后，加強(qiáng)縱向位移監(jiān)控量測(cè)，待位移穩(wěn)定后，進(jìn)行洞外明洞仰拱施工。明洞仰拱每隔3 m跳格開挖，待澆筑完后再進(jìn)行洞內(nèi)第二環(huán)仰拱施工，施工長(zhǎng)度為3 m。此工序不應(yīng)顛倒，若先施工洞內(nèi)第二環(huán)仰拱，由于洞內(nèi)第二環(huán)仰拱的開挖，可能會(huì)引發(fā)潛在滑動(dòng)面的二次發(fā)育，繞過洞口第一環(huán)仰拱基底從洞外地面剪出，由于此時(shí)洞外仰拱未施作，抗滑阻力全部由洞外地基抗剪強(qiáng)度提供。當(dāng)洞外地基抗剪強(qiáng)度滿足不了阻滑要求時(shí)，進(jìn)而發(fā)生類似“中點(diǎn)圓”型的圓弧滑動(dòng)面破壞。

為避免左洞開挖造成右洞橫向位移加劇，施工完洞內(nèi)仰拱后，于隧道兩側(cè)分別增設(shè)3根6 m長(zhǎng)的A108×6 mm注漿鎖腳鋼管，縱向間距2 m，施工時(shí)需間隔施工。

上述措施施工完后，隧道洞口已基本穩(wěn)定，目前已成功掘進(jìn)110 m進(jìn)入砂巖地段。

4 結(jié)語

(1)隧道洞口施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)和地表觀測(cè)，并及時(shí)施作仰拱，封閉成環(huán)；

(2)富水黏土地段隧道洞口施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)隧道洞口臨時(shí)支撐和鎖腳措施，并于拱腳處采用縱向拱架焊接以提高初支整體受力性能是十分必要的；

(3)當(dāng)洞口段因基礎(chǔ)軟弱而發(fā)生縱向推移時(shí)，可采用“樁筏式”方案快速處理地基，使仰拱盡早封閉成環(huán)。施工完洞口仰拱后，應(yīng)嚴(yán)格遵循先洞外后洞內(nèi)的仰拱開挖施工原則，方能確保隧道穩(wěn)定。

[1]崔玉明，趙芙蓉.神朔鐵路新杏樹峁隧道軟弱基底樹根樁加固施工綜合技術(shù)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2009，7(4)：83-84，129.

[2]鄧榮貴，尹 靜，鐘志彬，等.滑坡區(qū)隧道自錨式新型加固結(jié)構(gòu)理論研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34(7)：1315-1324.

[3]JTG C20-2011，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[4]GB500221-2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

[5]工程地質(zhì)手冊(cè)編寫委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.