淺析富水地層公路隧道淺埋暗挖施工技術(shù)

張躍軍

(山西交通建設(shè)監(jiān)理咨詢集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012)

0 前 言

公路隧道建設(shè)項(xiàng)目日益增多，人們對公路隧道施工提出了高質(zhì)量要求。但據(jù)實(shí)際調(diào)查可知，公路隧道在施工的過程中往往需要穿越富水與隧道覆蓋地層相對較淺的地段，給隧道施工帶來許多阻礙。為解決該問題，公路隧道淺埋暗挖施工技術(shù)隨之應(yīng)運(yùn)而生，且在不斷推廣與應(yīng)用中得到了人們的高度重視。本文首先將對淺埋暗挖施工方法的前提進(jìn)行分析，其次分析了施工技術(shù)與安全防護(hù)，最后通過實(shí)例對整體內(nèi)容進(jìn)行論證，以期為該類工程施工提供可參考的價(jià)值。

1 淺埋暗挖施工方法的前提

淺埋暗挖施工方法指的是以加固、處理軟弱地層為前提，利用足夠剛性且符合襯砌為基本支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種用于軟土地層近地表隧道的暗挖施工方案。在公路隧道淺埋暗挖施工中，該施工技術(shù)應(yīng)用前所需要具備的前提可體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，應(yīng)用此施工技術(shù)時(shí)不能進(jìn)行帶水作業(yè)；另一方面，開挖面必須具有較強(qiáng)的自立性與穩(wěn)定性。只有具備這兩大前提，才能為后續(xù)工程的有效開展奠定良好基礎(chǔ)。

2 施工技術(shù)分析

在公路隧道淺埋暗挖施工技術(shù)的分析上，本文從地層超前加固、隧道開挖與初期支護(hù)、二次襯砌以及注意事項(xiàng)這四個(gè)方面對其進(jìn)行闡述。

1)地層超前加固。對軟弱土層進(jìn)行加固作為淺埋暗挖施工技術(shù)實(shí)施不可忽視的重要前提?；诖?，在施工中，地層超前加固隨之顯得尤為重要，其加固好壞對工程最終質(zhì)量更是有著直接影響。從富水地層的公路隧道淺埋暗挖施工現(xiàn)狀可知，止水與巖層是超前加固主要存在的地方，一般情況下，采用人工引導(dǎo)自流與機(jī)器排水這兩種措施對地表水進(jìn)行處理，針對地下水的處理主要采用的是水泵排水。也就是基于涌水量的測算對排水方法與設(shè)備進(jìn)行選取。理論公式法與數(shù)值計(jì)算法是涌水量測算中主要應(yīng)用到的方法。當(dāng)前主要采用的是半經(jīng)驗(yàn)半理論公式法，這是一種基于法國水利學(xué)者提出的理論。半經(jīng)驗(yàn)半理論公式法主要適用于隧道埋深在地下水位70 m，含水體系數(shù)在0.005～6.50 m/d的計(jì)算。除此之外，針對施工中地層淺薄的處理，施工人員可采用沉孔注漿的方式進(jìn)行加固，通過混凝土漿的注入，提高圍巖自身承受力，保證隧道開挖施工安全，最大限度減少塌方出現(xiàn)的概率。

2)隧道開挖與初期支護(hù)。在開挖施工中，開挖方式選擇往往對高效開展開挖與支護(hù)工作有著一定影響。根據(jù)土層穩(wěn)定性與隧道斷面大小的不同，可采用的方法有：臺階法、中洞法以及側(cè)壁導(dǎo)坑法等。其中，臺階法的特點(diǎn)主要在于拱角應(yīng)力大、接觸面積較小，拱部容易坍塌。主要適用于小斷面、大沉降量、短工期以及低造價(jià)的施工中。中洞法的特點(diǎn)在于斷面分割、可以有效控制沉降量，主要適用于加大斷面、小沉降量、較長工期以及較高造價(jià)的施工中。側(cè)壁導(dǎo)坑法的特點(diǎn)在于能夠利用側(cè)壁導(dǎo)坑縮短開挖時(shí)間，主要適用于中斷面、大沉降量、長工期以及高造價(jià)施工中。因此，在實(shí)際公路隧道開挖中，施工人員可根據(jù)工程實(shí)際情況采取合理的開挖方法，同時(shí)也可采用幾種方式相結(jié)合的形式進(jìn)行施工。另外，在初期支護(hù)時(shí)采用鋼筋格柵，或者是鋼筋網(wǎng)等進(jìn)行支護(hù)。為了在最大程度減少初期支護(hù)的變形量與沉降量，要從剛度與強(qiáng)度這兩個(gè)方面出發(fā)，對鋼筋格柵進(jìn)行選擇。

3)二次襯砌。通常情況下應(yīng)采用荷載結(jié)構(gòu)法對隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。通過該原理可知，隧道開挖之后的主要作用為對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，襯砌需要承受地層壓力等荷載作用。在實(shí)際施工中，首先需要對二次襯砌進(jìn)行混凝土施工前對水泥、拌制以及養(yǎng)護(hù)用水等材料進(jìn)行仔細(xì)檢查。其次，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對二次襯砌施工存在的問題進(jìn)行調(diào)整，避免侵限情況發(fā)生。最后，在混凝土生產(chǎn)作業(yè)中，應(yīng)采用帶有自動(dòng)計(jì)量裝置的新型拌和站，進(jìn)而保證二次襯砌施工順利進(jìn)行，讓施工質(zhì)量得以提升。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某公路隧道工程所在地區(qū)年均降雨量為1 300～2 500 mm，相對濕度為76%～85%。從外形上看，該隧道工程地面起伏較大，整個(gè)工程呈北面較緩，南面較陡M形狀。隧道上方有一條河溝，河溝常年都有水，隧道下穿河溝段長約為60 m，平均埋深大約在16 m，平均最小埋深度約4 m。通過對該隧道的勘察判斷可知，該隧道在地下水下方，施工地點(diǎn)地表水滲透較大，屬于淺埋暗挖富水大跨度公路隧道。

3.2 施工方法比選

針對該工程的施工方法比選，本文將從計(jì)算模型與參數(shù)、計(jì)算結(jié)構(gòu)分析這兩個(gè)方面對其進(jìn)行闡述。根據(jù)有關(guān)勘測報(bào)告可知，該工程隧道上腹為砂層地段，非常容易產(chǎn)生泥流與流砂等事故；施工工作面暴露時(shí)間較長，有容易失去穩(wěn)定性的特點(diǎn)，而且很容易形成流塑狀，對施工安全與進(jìn)度造成不良影響，嚴(yán)重的話還會導(dǎo)致施工地層較大范圍下降，從而給工程施工埋下較大的安全隱患?；诖?，經(jīng)過施工單位商討后，通過對超前支護(hù)臺階法與單側(cè)壁導(dǎo)坑法這兩種施工方法進(jìn)行比選，并從中選取最合適的施工方法。

1)超前支護(hù)臺階法。在施工期間，將上臺階開挖長度設(shè)定為2 m，下臺采用50%～60%倍洞徑。開展初期支護(hù)和超前支護(hù)施工期間，超前支護(hù)角度控制在6°、長為4.5 m。

2)單側(cè)壁導(dǎo)坑超前支護(hù)法。施工過程中應(yīng)用φ 50×5 mm雙層超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，長度控制在5 m，搭接長度為1.5 m，一、二層導(dǎo)管角度分別為：6°、25°。在現(xiàn)行導(dǎo)坑開挖開展中，需將循環(huán)進(jìn)尺長度控制在4 m，然后在開挖后行上導(dǎo)坑、后行下導(dǎo)坑，最后把原來初期支護(hù)錨桿長度從3.5 m變?yōu)? m。在該隧道項(xiàng)目的數(shù)值計(jì)算期間，本文將采用Mohr-coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行。根據(jù)數(shù)值計(jì)算采用Mohr-coulomb準(zhǔn)則，假設(shè)在初期支護(hù)中只需要考慮地表層以及支護(hù)結(jié)構(gòu)，具體的計(jì)算參數(shù)可見表1。

表1 隧道圍巖計(jì)算參數(shù)

通過對兩種方法的比選可知，超前支護(hù)臺階法與單側(cè)壁導(dǎo)坑同臺階法在地表沉降規(guī)律、塑性區(qū)形等方面較為相似，但不可否認(rèn)兩者之間仍存在有一定差異。主要為：采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工時(shí)，無論是施工期間的地表沉降現(xiàn)象，還是施工期間的地形變化程度均小于超前支護(hù)臺階法。據(jù)計(jì)算，單側(cè)壁導(dǎo)坑法的地表沉降與地層變形量是超前支護(hù)臺階法的65%左右，這一數(shù)據(jù)無疑表明，對于該工程而言單側(cè)壁導(dǎo)坑法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對工程地表變形的有效控制，提高拱頂?shù)姆€(wěn)定性，而且能夠在最大限度上避免公路隧道拱頂出現(xiàn)受拉破壞的情況。除此之外，即使在較小的塑性區(qū)范圍中，該方法也有利于對地層塑性破壞的控制。雖然該方法的應(yīng)用能帶來很多優(yōu)勢，但在使用單側(cè)壁導(dǎo)坑這一方法時(shí)需注意，開挖可能會對地表沉降造成負(fù)面影響?？傊?，就本文所研究的工程項(xiàng)目而言，雖然單側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠?qū)崿F(xiàn)對圍巖變形情況的高效控制，但由于該方法在本工程的應(yīng)用，不僅讓施工變得十分負(fù)載，而且中間隔壁節(jié)點(diǎn)處不利于隧道防水?；诖?，最后針對隧道富水淺埋段選擇了超前支護(hù)臺階施工法。

3.3 富水地層公路隧道淺埋暗挖施工技術(shù)

根據(jù)本工程隧道地表沉降槽示意圖可以看出，無論有沒有地下水，地表沉降槽曲線形狀大體相同，見圖1。

圖1 隧道地表沉降槽示意圖

當(dāng)前，導(dǎo)致地層出現(xiàn)沉降的原因主要為施工引起的應(yīng)力釋放。相對施工區(qū)域沒有地下水的情況，有水情況的施工地表沉降更大，造成該情況出現(xiàn)的原因主要源于隧道開挖期間引發(fā)的地下水在地層中下降，有效應(yīng)力提升，孔隙水壓減小進(jìn)而導(dǎo)致的地表沉降。對此，在淺埋暗挖富水段隧道施工的時(shí)候，需要對地下水影響加以重視。通過對不考慮地下水情況的對比分析結(jié)果可知，固然地下水不會對地表以及拱頂沉降等造成影響，但也不可否認(rèn)在有地下水的情況下，地表與拱頂沉降程度將變得更大，主要集中在了隧道上地表25 m范圍內(nèi)。除此之外，開挖部位還會對地表沉降造成影響，其中影響最大的莫過于上臺階，所以在施工中應(yīng)將上臺階視為關(guān)注重點(diǎn)。當(dāng)完成下臺階施工后，施工人員需要針對可能造成的拱頂沉降增大情況，在開挖后及時(shí)采用注漿回填方式解決。另外，在此次隧道施工中，為保證數(shù)值計(jì)算之后的準(zhǔn)確性、可靠性，施工人員需要對隧道地表沉降、水平收斂等進(jìn)行全方面的監(jiān)控。

通過對計(jì)算結(jié)果的分析可知，在考慮地下水可能帶來的影響基礎(chǔ)上，地表沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果大致相近，地下水會對隧道施工安全帶來直接影響，因此，施工人員需要對其加以重視。而在不考慮地下水帶來影響的基礎(chǔ)上，拱頂沉降與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)更接近，之所以會這樣，其原因主要在于監(jiān)測過程中存在檢測不及時(shí)、數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象。從總體上看，該工程監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的取向大致相同，主要可體現(xiàn)在，伴隨著隧道埋深的增大，拱頂、地表沉降比值均會發(fā)生增加，開挖隧道造成地變層變形逐步遞減地向上傳遞。

4 結(jié)束語

總而言之，伴隨著我國新時(shí)代社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路隧道建設(shè)質(zhì)量隨之成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)。通過上述對該方面內(nèi)容的深入研究可知，富水區(qū)淺埋隧道施工技術(shù)與安全防護(hù)是基于隧道施工技術(shù)并結(jié)合了施工地區(qū)特殊地質(zhì)等條件最終形成的一種施工技術(shù)。在公路隧道淺埋暗挖施工中，除了需要重視初期支護(hù)作用外，還應(yīng)重視根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合理的施工方法，只有這樣，才能在保證整體施工質(zhì)量的同時(shí)，讓淺埋暗挖施工技術(shù)在今后得到更好的推廣，并在實(shí)際施工中發(fā)揮自身最大的作用。

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