侯 明
(中鐵十九局集團第二工程有限公司,遼寧遼陽 111000)
某隧道穿越典型的黃土高塬溝壑地貌,施工難度較大,左洞起訖樁號ZK0+751—ZK2+856,長2105 m,其中淺埋段進口端172 m,出口端211 m;右洞起訖樁號K0+755—K2+837,長2082 m,其中淺埋段進口端226 m,出口端367 m。
隧道穿越地形總體為北西—南東向的黃土塬,頂部為較平坦的黃土塬,植被較稀少,隧址兩側(cè)為黃土沖溝,地形起伏大。隧道進出口均遍布黃土沖溝,洞口均位于沖溝岸坡,地形呈陡坡狀,溝谷長度較小,谷坡較陡,局部較寬,整體呈爪狀,地形地質(zhì)情況復雜。銀川端入口地形為緩坡低階地,坡度不大,埋深不超20 m,K0+933—K1+005 段有地表沖溝,埋深不超50 m。沖溝斷面為V 字形,其走向近于北東~南西向,地勢呈現(xiàn)中間高,四周低的總趨勢,但是南北地勢較之于東西則更低,兩側(cè)還有緩坡臺階的地形特點,因此地勢起伏相對較大,其內(nèi)側(cè)壁多處坍塌致排水不暢,溝底部植被茂盛。隧道進、出口淺埋段為第四系中更新統(tǒng)黃土,含多層古土壤層,潮濕,可塑—硬塑,有大孔隙與裂隙,黃土豎向節(jié)理發(fā)育,受長時間地表降水、地下水補給作用,含水率較大,有明顯滲水現(xiàn)象,土體所滲地下水為古土壤上層滯水,為地表水下滲遇古土壤層后滯留所致。
施工階段,隧道進口段開挖后,土體含水量較勘察階段有較大差距,經(jīng)實驗室測定近25%,勘察時最高為12%。經(jīng)分析,主要原因在于勘察時為干旱季節(jié),降水量小,施工時為雨季汛期,且本年度降水量較往年明顯增多,地表排水不徹底,隧道洞口及沖溝淺埋段濕陷性黃土特性明顯,遇水易崩解。隧道施工中,相繼出現(xiàn)洞口淺埋段拱頂沉降過大,地表出現(xiàn)開裂,沖溝陷穴等次生地質(zhì)災害嚴重發(fā)育。因隧道開挖過程中形成較大洞室,受其影響滯水沿裂隙滲入洞室內(nèi),掌子面開挖時,很容易因其穩(wěn)定性不良出現(xiàn)崩塌掉塊現(xiàn)象,不僅如此,邊墻、拱頂、拱腰不同位置普遍出現(xiàn)滲漏水,多處出露股狀明水;已施工初襯大面積滴滲水,部分地段較嚴重,呈線狀股狀水流出;且洞內(nèi)滲水多處散流,引排水不及時,出現(xiàn)浸泡拱腳,致使仰拱基底土體含水量加大,承載力下降。
該隧道在設計上對開挖方法進行了研究和探討,在淺埋段采用CD 法開挖,深埋段則使用環(huán)形導坑預留核心土法開挖,緊急停車帶則采用雙側(cè)壁導坑法進行工程開挖。經(jīng)多次組織專家現(xiàn)場討論分析,為確保隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,順利進洞并安全穿越?jīng)_溝淺埋段,結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì),決定采取以下措施[1-2]:對進洞口設計變更優(yōu)化,改變洞門形式;加長洞口路塹開挖段,明暗洞樁號隨之調(diào)整,將暗洞縮短、明洞增長;加強洞口地表引排水措施,使之形成流暢的排水系統(tǒng),做好邊仰坡臨時防護;洞口淺埋段采用CD 法施工,并加設臨時仰拱支撐,仰拱基底需加固及引排水處理(增設水泥旋噴樁加固,仰拱基底設30 cm 厚碎石墊層),對地表沖溝陷穴段落同時進行隧外地表處理及隧內(nèi)調(diào)整加強洞內(nèi)支護參數(shù)等措施。
對左、右線隧道頂?shù)刭|(zhì)勘探鉆孔采用先吊入混凝土球然后回灌1 m 厚M7.5 水泥砂漿進行封閉,確保地表水不進入孔內(nèi)滲入隧洞內(nèi)。
3.2.1 洞口兩側(cè)地表沖溝處理
對沖溝進行清表,清表厚度30 cm。沖溝回填處理在洞門開挖之前并結(jié)合截水溝施做,為保證工程質(zhì)量,用水泥混合土作為回填材料,配比嚴格把控,逐層夯實,壓實度則必須在90%以上,回填頂標高在隧道拱頂標高上2 m 位置。其上覆蓋種植土并植草綠化,暗洞開挖需要水泥混合土抗壓強度達到2.0 MPa時,才開始施工。
3.2.2 洞頂沖溝處理
清理溝壁危險土體,并疏浚沖溝,人工開挖基底深0.5 m(松散層較厚區(qū)域適當調(diào)大挖深),將表層松散的土層清出棄放至棄土場,運用夯實機具夯實基底。沖溝疏浚、基底夯實處理后采用三七灰土換填,換填厚度50 cm;繼續(xù)回填三七灰土1.5 m厚,灰土攤鋪分段、分層進行,壓實度不小于90%。換填三七灰土且夯實處理后,表層鋪設50 cm 厚黏土隔水層,并預留排水溝的鋪設空間?;靥钔量v坡坡率按原沖溝溝底自然坡度進行順直,且不小于5%,回填橫坡按設計坡率5% 施作。局部原地表縱坡坡率小于5%的段落,依據(jù)實際地形適當調(diào)整清表土層厚度,保證沖溝處置后,回填土表面平整,溝內(nèi)水流引排順暢。
隧道影響范圍內(nèi)陷穴采用夯填土回填,頂部采用C15 混凝土封閉做隔水處理,并做好周邊截排水措施引離地表水。
沖溝段下方洞內(nèi)調(diào)整加強襯砌參數(shù),同時運用Φ108 mm 注管棚循環(huán)穿越,每環(huán)30 m 共3 環(huán),防止掌子面上方軟弱圍巖坍塌掉塊;加強洞內(nèi)引排水措施,加密引排橫向排水管,應用砂礫過水墊層,設計在仰拱下,采用多級集中抽水的方式完成引排。
獨立封閉成環(huán)的時間短,早期結(jié)構(gòu)件跨度小,因支護的剛度大,施工時保持隧道整體穩(wěn)定,下沉較小,為了抑制形變的產(chǎn)生,用中隔墻增強結(jié)構(gòu)的剛度[3]。然而因為導坑斷面過于狹小,為了保證不對土層產(chǎn)生破壞,用人工開挖,即便是使用機械也只能是小型機械,加之工序復雜,施工進度較臺階法慢;拆除臨時支護時初期支護發(fā)生受力轉(zhuǎn)換,易造成較大變形,存在不安全因素[4-5]。
CD 法施工必須保證導坑工作面的縱向間距,這在施工中需要得到嚴格的把控;中隔墻的受力轉(zhuǎn)換復雜,在拆除前需對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行判定來確定拆除時間[6-7]。因CD 工法的復雜性,初支閉合時間較長,拆除中隔壁時的不穩(wěn)定性產(chǎn)生較大安全隱患,實際施工中易發(fā)生臨時支撐變形致使導坑坍塌侵限現(xiàn)象,要嚴格施工工序控制措施。
監(jiān)控量測是整個施工過程中非常重要的部分,在該隧道的施工中發(fā)揮了巨大的指導作用。采用具有相關(guān)資質(zhì)的第三方檢測單位負責數(shù)據(jù)收集整理,施工單位負責測點埋設與日常保護[8]。對地表下沉、拱頂沉降和周邊收斂情況進行監(jiān)測,以斷面間距10 m為標準,所有測點保持在同一斷面,洞內(nèi)測點埋入圍巖深度不小于20 cm,地表觀測點混凝土包裹。實際應用情況:受黃土豎向節(jié)理發(fā)育特性,黃土隧道以拱頂沉降變化為主,周邊收斂變化不大,特殊地段如偏壓地段、片幫地段周邊收斂也需高度重視;經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,拱頂沉降量基本在15 cm 以內(nèi);水平收斂在5 cm 以內(nèi),設計預留變形20 cm,滿足施工需要。在實際監(jiān)控中,發(fā)現(xiàn)同等地層下仰拱距掌子面超過20 m 后拱頂沉降速率明顯變大,故建議黃土隧道施工中,仰拱與上臺階步的距離應該不超過20 m。
隧道淺埋段施工段落長,CD 法各部獨立封閉成環(huán)的時間短,結(jié)構(gòu)受力小,施工時隧道整體下沉較小,降低了施工安全風險;利用現(xiàn)有機械設備通過工序循環(huán)有序銜接月進尺可達30 m,進度較慢但基本滿足淺埋段施工要求;通過監(jiān)控量測變形速率的變化可隨時調(diào)整各個導坑的開挖進尺,及時增加臨時支護,有效控制圍巖變形。在該隧道洞口淺埋段設計優(yōu)化及地表沖溝淺埋段處治后,實際成效顯著,開挖后掌子面未出現(xiàn)崩塌、掉塊,土體含水量也有效降低,初支滴滲水明顯減少,拱頂沉降在設計范圍內(nèi),基底承載力提高,整體施工安全風險變低,工人的施工效率也大幅改善。
(1)水對黃土隧道施工的影響很大,及時引排是關(guān)鍵,嚴禁散排,同時加強防排水施工質(zhì)量,有效降低施工病害,尤其是縱向盲管與橫向盲管三通連接質(zhì)量、防水板接縫焊接質(zhì)量、縱向盲管土工布防水板包裹質(zhì)量、仰拱與二襯結(jié)合部清理質(zhì)量是防排水檢查的重點,確保排水系統(tǒng)完整流暢。
(2)監(jiān)控量測是黃土隧道施工的關(guān)鍵工序,拱頂沉降數(shù)據(jù)對工序的指導意義重大,安全步距控制、開挖進尺控制、臨時加強處理等均與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)息息相關(guān)。仰拱距上臺階步距是控制圍巖變形保證初期支護穩(wěn)定的重要控制手段,結(jié)合實際控制在20 m 為宜。當監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生變化時要適當?shù)恼{(diào)整,如在收斂較大的時候要進行臨時仰拱。