淺談膨脹土超淺埋、大斷面隧道進(jìn)洞施工關(guān)鍵技術(shù)

唐應(yīng)鵬 劉代賢

【摘 要】蒙華鐵路紅土嶺隧道出口段采取洞口排水及黏土層封閉、加強(qiáng)地表及洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)、采用長大管棚超前支護(hù)、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱開挖、鋼格柵柔性支護(hù)，及時(shí)形成洞口鎖口圈等一系列工藝方法，確保膨脹土超淺埋大斷面隧道安全進(jìn)洞，可為類似隧道施工提供借鑒。

【Abstract】 A series of technological methods are adopted in the exit section of the Hongtuling tunnel of the Inner Mongolia-Jiangxi railway， such as the drainage at the entrance of the tunnel and closure of the clay layer， strengthening the monitoring and measurement of the surface and the inside of the tunnel， adopting long pipe shed advanced support， three-step temporary inverted arch excavation， flexible steel grille support， timely forming the entrance lock ring and so on， so as the safe entry of super shallow buried and large section tunnel with expansive soil， which can provide reference for the similar tunnel construction.

【關(guān)鍵詞】膨脹土；超淺埋大斷面隧道；進(jìn)洞施工；關(guān)鍵技術(shù)

【Keywords】expansive soil； super shallow buried and large section tunnel； tunnel-entering construction； key technology

【中圖分類號(hào)】U455 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）09-0163-03

1 引言

紅土嶺隧道位于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣師崗鎮(zhèn)境內(nèi)，為蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道單洞雙線隧道，全長2995m，開挖直徑12m，隧道設(shè)進(jìn)出口兩個(gè)工作面同時(shí)掘進(jìn)。隧道出口采用正切Ⅱ式洞門，外接路塹，洞頂為弱膨脹土，具有遇水膨脹、失水收縮的特點(diǎn)，最小埋深僅3.93m，圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，變形控制和施工難度極大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。為此，選擇合理的進(jìn)洞方案，對(duì)膨脹土進(jìn)行隔水封閉，采取切實(shí)可行的超前支護(hù)、開挖方法、初期支護(hù)等措施，是隧道安全進(jìn)洞的重要技術(shù)保障。

2 進(jìn)洞方案的選擇

方案比選階段，主要提出了兩種方案，一是洞口段暗挖法改明洞或暗墻明挖，二是超長大管棚超前支護(hù)。

2.1 暗挖改明洞或暗墻明拱

洞口段暗挖法改明洞或暗墻明拱，即延長現(xiàn)有明洞長度，可以解決沉降甚至開挖冒頂?shù)碾y題。由于洞口上方均為基本農(nóng)田，改明洞開挖會(huì)擴(kuò)大原始地貌擾動(dòng)范圍，不符合“少刷坡、早進(jìn)洞”的要求，同時(shí)，會(huì)增加紅線征地，開挖后的邊坡臨時(shí)支護(hù)及明洞再回填處理均會(huì)產(chǎn)生較大成本，雖然在技術(shù)上可行，但經(jīng)濟(jì)上不合理。同期考慮到的暗墻明拱法，盡管可以較明洞開挖減少部分地表擾動(dòng)和征地，但仍然在經(jīng)濟(jì)上不合理，且洞口有一定偏壓，封頂之后的拱腳開挖亦存在較大施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 超長大管棚超前支護(hù)

超長大管棚超前支護(hù)，即在洞口邊仰坡臨時(shí)網(wǎng)噴的基礎(chǔ)上，設(shè)置導(dǎo)向墻，采用長55m，直徑108mm的管棚進(jìn)行超前支護(hù)。由于洞口為具有弱膨脹性的黏性土，水平鉆孔過長后，鉆孔角度和方位的控制異常困難，鉆孔偏斜加之鉆孔被擠壓變形，會(huì)造成鋼管下設(shè)困難，甚至部分管棚侵限或管棚冒頂，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的超前加固目的。

2.3 超前支護(hù)與初期支護(hù)優(yōu)化

遵循少刷坡、技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的原則，對(duì)管棚方案進(jìn)行優(yōu)化，將55m長管棚縮短，采用42根108mm，長33m的管棚，大大減少鉆孔偏斜的風(fēng)險(xiǎn)。加大預(yù)留沉降變形量至30cm，改變?cè)O(shè)計(jì)型鋼支撐，采用H230格柵鋼架進(jìn)行柔性支護(hù)，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法短進(jìn)尺，快封閉，待洞口形成1-2倍洞徑鎖扣圈后，根據(jù)開挖掌子面圍巖情況，實(shí)時(shí)采取在洞身段設(shè)置10m長108mm管棚，按有效長度6m循環(huán)漸進(jìn)，安全通過V級(jí)圍巖淺埋段。

3 方案的實(shí)施

3.1 洞口排水系統(tǒng)及黏土層的封閉

完善洞口排水系統(tǒng)，對(duì)黏土層進(jìn)行封閉，防止雨水滲入弱膨脹性黏土層。洞口施工首先施工截水天溝，由于洞頂有一緩坡平臺(tái)，在洞頂平緩地段與山坡坡腳交界處增設(shè)一條漿砌片石臨時(shí)排水溝，與設(shè)計(jì)天溝連通。天溝末端設(shè)集水坑，采用機(jī)械抽排入當(dāng)?shù)厮怠?/p>

對(duì)洞頂溝、坑等凹處進(jìn)行回填夯實(shí)，紅線范圍內(nèi)平緩地段采用5cm厚M10水泥砂漿進(jìn)行封閉，平臺(tái)后矮邊坡進(jìn)行臨時(shí)噴射混凝土封閉。隧道出口進(jìn)洞段臨時(shí)邊仰坡、出口明挖段邊坡均采用噴錨（網(wǎng)）加固，錨桿采用φ22砂漿錨桿，L=4m，間距1.5×1.5m，梅花型布置。噴射混凝土采用10cm厚C25網(wǎng)噴混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ8，網(wǎng)格間距25×25cm。沿?fù)鯄?m寬度范圍內(nèi)邊仰坡采用M10漿砌片石護(hù)坡，厚30cm。

3.2 長管棚與導(dǎo)向墻施作

超前支護(hù)采用“導(dǎo)向墻+超前長大管棚”。導(dǎo)向墻采用C30混凝土，在開挖輪廓線以外拱部150°范圍內(nèi)施作，斷面尺寸為1.0×1.0m，導(dǎo)向墻內(nèi)埋設(shè)2榀I18工字鋼架支撐，導(dǎo)向墻兩拱腳在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，擴(kuò)大60cm，以避免或減小由于地基沉降而造成導(dǎo)向墻失穩(wěn)。導(dǎo)向墻完成后，在拱圈及空口周邊采用10cm厚C25噴射混凝土對(duì)周圍仰坡面進(jìn)行封閉，以防止注漿時(shí)向開挖面跑漿。

隧道頂部設(shè)42根長33m大管棚，導(dǎo)向墻澆筑前，在工字鋼架外緣設(shè)φ140壁厚5mm導(dǎo)向鋼管，采用φ12加勁箍筋固定導(dǎo)向管，導(dǎo)向鋼管及加勁箍筋與鋼架焊接，防止?jié)仓炷習(xí)r產(chǎn)生位移，以此保證管棚鉆孔孔向準(zhǔn)確。

在膨脹土地層采用普通鉆桿鉆孔施工時(shí)，返碴困難、卡鉆，鉆孔施工效率非常低，通過探索，采用對(duì)螺旋鉆桿、鉆頭進(jìn)行改進(jìn)。在鉆頭上加焊薄鋼板，將通氣、通水孔正面遮擋，采用側(cè)面通氣通水，確保鉆進(jìn)時(shí)不堵孔；將鉆桿的螺旋片切割掉1/3，確保返渣有充分的通道。徹底解決的堵孔和不返碴難題，工效大大提高。

管棚環(huán)向間距40cm。采用直徑Φ108mm，壁厚6mm熱軋無縫鋼管，鋼管上鉆注漿孔，孔徑10～16mm，孔間距15cm，呈梅花形布置，尾部留110cm不鉆孔的止?jié){段。鋼管軸線與襯砌外緣夾角1°～3°；注漿采用水灰比為1：1（重量比）水泥漿液，注漿壓力0.5～2MPa。

3.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測(cè)

3.3.1 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道開挖前，根據(jù)邊仰坡開挖情況，結(jié)合管棚鉆孔施工，對(duì)洞口30m范圍內(nèi)圍巖情況已較充分了解，在開挖之前，進(jìn)一步采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過多方位印證和掌握了進(jìn)洞地質(zhì)條件與預(yù)判基本一致，洞頂淺埋弱膨脹土，洞身下部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖。

3.3.2 重視監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)工作納入工序管理，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳入監(jiān)控量測(cè)管理系統(tǒng)，建立預(yù)警預(yù)報(bào)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，必須根據(jù)預(yù)警機(jī)制采取相應(yīng)措施，查明原因。設(shè)置地表沉降觀測(cè)、洞內(nèi)拱頂下沉和水平收斂觀測(cè)點(diǎn)，及時(shí)了解和掌握隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，保障施工安全，為調(diào)整施工方法，指導(dǎo)二襯施作時(shí)機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

3.3.2.1地表沉降測(cè)點(diǎn)

①在隧道開挖前布設(shè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，橫向間距為2～5m，在隧道中線附近測(cè)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)加密。

②隧道中線兩側(cè)監(jiān)測(cè)范圍不應(yīng)小于隧道埋深+隧道寬度。

③基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在隧道施工影響范圍以外穩(wěn)定處，并設(shè)置復(fù)核性測(cè)點(diǎn)，保證其數(shù)據(jù)可靠性。

當(dāng)變形處于初期勻速變形階段和平穩(wěn)發(fā)展階段時(shí)，隧道處于相對(duì)安全的狀態(tài)；圍巖變形過程中，在圍巖不失穩(wěn)的正常情況下，在量測(cè)斷面附近進(jìn)行開挖施工時(shí)，受施工擾動(dòng)，存在一定的變形加速現(xiàn)象，屬于正常加速，其余變形加速屬于異常加速。異常加速是圍巖失穩(wěn)的征兆，隧道施工安全存在威脅，應(yīng)進(jìn)行預(yù)警。

3.3.2.2 拱頂下沉和水平收斂測(cè)點(diǎn)

在開挖支護(hù)過程中，洞口段在洞內(nèi)拱頂布設(shè)1個(gè)工點(diǎn)下沉檢測(cè)點(diǎn)，拱墻布設(shè)兩條水平收斂觀測(cè)線，洞內(nèi)觀測(cè)斷面與地表沉降觀測(cè)點(diǎn)在同一樁號(hào)。初支與圍巖密貼，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在格柵鋼架、柵格等初期支護(hù)上。測(cè)點(diǎn)在初支支護(hù)后立即埋設(shè)，初始讀數(shù)在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)12h內(nèi)讀取。

3.4 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法

3.4.1 調(diào)整預(yù)留沉降量

紅土嶺隧道出口段圍巖為Ⅴ級(jí)，洞口33m長管棚施工完成后，隧道按新奧法原理設(shè)計(jì)與施工采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，設(shè)計(jì)V級(jí)圍巖預(yù)留沉降量8-12cm，施工階段洞口30m調(diào)整為30cm，以防止變形較大后初支侵入隧道設(shè)計(jì)凈空。

3.4.2 機(jī)械開挖設(shè)備改進(jìn)

進(jìn)洞30m主要為弱膨脹土和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖，采用機(jī)械開挖的方式，避免爆破引起圍巖失穩(wěn)，常規(guī)挖機(jī)和開挖設(shè)備在隧道周邊較困難，需要采用人工，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工效率低，在此基礎(chǔ)上，改裝一種新型隧道土質(zhì)區(qū)域開挖輔助設(shè)備，在挖機(jī)斗背面兩側(cè)按照開挖鋼叉，確保周邊和拱頂開挖到位。

3.4.3 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工工序

①先施作超前支護(hù)（管棚）；開挖拱頂；施作上臺(tái)階周邊的初期支護(hù)，并設(shè)鎖腳鋼管；施作上臺(tái)階臨時(shí)仰拱，鋪設(shè)H230格柵鋼架，噴23cm厚混凝土；封閉掌子面8cm；復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

②在滯后于上臺(tái)階一段距離（不大于10m）后，開挖中臺(tái)階；臺(tái)階周邊初噴混凝土，施作中臺(tái)階臨時(shí)仰拱，及掌子面封閉。

③在滯后于中臺(tái)階一段距離（不大于15m）后，開挖下臺(tái)階；初期支護(hù)并設(shè)鎖腳鋼管。

3.5 初期支護(hù)

初期支護(hù)在開挖后立即施作，以保護(hù)圍巖的自然承載力。初期支護(hù)由噴射混凝土、錨桿（管）、鋼筋網(wǎng)和格柵鋼架等組成，各部分聯(lián)合受力。將原設(shè)計(jì)I22工字鋼型鋼支撐改為H230格柵鋼筋，以適應(yīng)圍巖變形，充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性支護(hù)作用。

格柵鋼架采用H230格柵鋼架，每榀間距0.6m。拱墻采用φ22砂漿錨桿，錨桿長3.5m，間距1.0m×0.8m；鋼筋網(wǎng)采用φ8，網(wǎng)眼間距20×20cm；濕噴機(jī)械手噴射C25噴射混凝土。

完善洞內(nèi)臨時(shí)防排水系統(tǒng)，嚴(yán)禁積水浸泡拱（墻）腳及在施工現(xiàn)場(chǎng)漫流，防止基底承載力降低。

3.6 短進(jìn)尺，及時(shí)封閉成環(huán)，形成鎖口圈

3.6.1開挖進(jìn)尺控制

臺(tái)階開挖循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和初期支護(hù)格柵鋼架間距合理確定，上臺(tái)階每循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺不應(yīng)大于0.6m，邊墻每循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺不得大于1.2m，仰拱每循環(huán)開挖進(jìn)尺不得大于3m。

3.6.2 臺(tái)階高度、長度控制

應(yīng)根據(jù)圍巖條件，合理確定臺(tái)階長度和高度。各部臺(tái)階長度不宜過長，上臺(tái)階長度不得大于5m。中臺(tái)階長度不得大于15m。下臺(tái)階開挖左、右側(cè)應(yīng)錯(cuò)開3m拱架的距離。

3.6.3 及時(shí)封閉成環(huán)

初期支護(hù)仰拱設(shè)置格柵鋼架地段應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)，仰拱緊跟下臺(tái)階施工（特殊情況仰拱距離掌子面的極限距離：三臺(tái)階施工時(shí)按2倍洞徑控制，兩臺(tái)階施工時(shí)按1倍洞徑控制）。

3.6.4 盡早形成洞口鎖口圈

紅土嶺隧道出口為Vc級(jí)圍巖，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。為保證施工質(zhì)量安全，進(jìn)洞后應(yīng)及時(shí)形成鎖口圈（鎖口圈長度不得小于1倍洞徑）。

進(jìn)洞12m（紅土嶺隧道出口Vc類圍巖開挖洞徑為11.52m）內(nèi)按上臺(tái)階3m、中臺(tái)階4m開挖，當(dāng)中臺(tái)階形成4m的臺(tái)階后下臺(tái)階即可開挖，下臺(tái)階開挖后及時(shí)封閉成環(huán)。最終形成上臺(tái)階3m，中臺(tái)階4m，下臺(tái)階5m的格局，確保進(jìn)洞12m范圍內(nèi)能以最快的速度封閉成環(huán)，形成鎖口圈。

4 總結(jié)

紅土嶺隧道出口段進(jìn)洞前，施作洞頂排水系統(tǒng)，封閉黏土層，防止雨水滲入，避免了膨脹土軟化變形；加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地表沉降觀測(cè)和洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)，為施工決策提供了科學(xué)依據(jù)。采用“導(dǎo)向墻+超長管棚注漿”加強(qiáng)超前支護(hù)，順利成拱；采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行開挖，格柵鋼架小間距進(jìn)行柔性初期支護(hù)，并及時(shí)封閉成環(huán)，盡早形成洞口鎖口圈，實(shí)現(xiàn)了施工安全；適當(dāng)加大預(yù)留變形量，確保了初支斷面不侵限。實(shí)踐證明，采取上述措施和工法，能夠?qū)崿F(xiàn)膨脹土地層超淺埋、大斷面隧道順利進(jìn)洞。

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