濕陷性黃土地區(qū)小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究

孫虎平 郭琦 秦亮

1.西安市政設(shè)計研究院有限公司 710000

2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 710055

3.中國中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司 重慶401123

引言

濕陷性黃土分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土，是一種具有特殊性質(zhì)的土質(zhì)，當(dāng)其在壓力作用下受水浸濕后，強(qiáng)度迅速降低，并產(chǎn)生較大的位移［1］。我國大西北黃土高原地區(qū)，隧道經(jīng)常處于黃土地層，同時部分地區(qū)受地理條件限制，無法實現(xiàn)大間距分離，因此需設(shè)計一些小凈距隧道來解決空間斷面布置不足的問題［2］。但軟弱地層小凈距隧道在施工過程中最容易產(chǎn)生地基承載力不足、中間巖體破壞以及隧道坍塌冒頂?shù)任：?，若處治不?dāng)，運營期間最容易造成隧道整體深陷，帶動初支二襯不同程度破壞以及扭曲、錯動，導(dǎo)致支護(hù)侵限，嚴(yán)重影響行車安全，社會影響巨大。

張建［3］依托柳泉3＃隧道，采用GTS-NX有限元軟件，結(jié)果說明大管棚配合水平旋噴樁具有良好的超前支護(hù)效果。該方案在工程中效果甚好，實現(xiàn)了國內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)最短凈距隧道。劉航雨［4］依托青島地鐵8 號線膠州灣海底隧道工程，運用三維有限差分模型，分析了圍巖力學(xué)參數(shù)對小凈距隧道初期支護(hù)受力影響。李磊［5］研究了隧道間距對初期支護(hù)的影響，提出調(diào)整先后行隧道的施工工序可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。吳昊［6］依據(jù)新奧法理論，進(jìn)行小凈距隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計計算工作，運用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，從受力角度優(yōu)化隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計值。上述研究對于濕陷性黃土地區(qū)小凈距隧道支護(hù)起到了良好的借鑒意義。

本文以某隧道工程為依托，開展了適用于濕陷性黃土地區(qū)小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵工法與建造技術(shù)研究，可為同類型小凈距隧道支護(hù)技術(shù)提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道情況

位于西寧市鳳凰山快速路的植物園隧道長1415m，為分離式雙洞雙向六車道，全隧均為V級圍巖，內(nèi)輪廓凈寬15.2m，凈高7.96m，如圖1所示。隧道地處園林景區(qū)，因此區(qū)域施工環(huán)境保護(hù)意識及觀念極強(qiáng)。

圖1 雙洞截面尺寸（單位：cm）Fig.1 Section size of double hole（unit：cm）

1.2 隧道特點

偏壓：隧道位于西寧盆地的中南部低山區(qū)域，隧道進(jìn)口場地區(qū)域地形狹小，隧道走向與山體斜交為斜坡地形，坡面傾斜度為15°～30°左右，洞口存在較大的偏壓。淺埋：隧道進(jìn)口黃土段埋深2.8m～16m之間，下穿植物園內(nèi)西山林場且地表建筑物較多，施工安全風(fēng)險極高，困難大。

大跨：最大開挖高度11.98m，開挖寬度17.4m，是國內(nèi)目前跨徑最大的黃土隧道。圖2是隧道設(shè)計開挖斷面。

圖2 隧道設(shè)計開挖斷面（單位：cm）Fig.2 Design excavation section of tunnel（unit：cm）

1.3 地質(zhì)情況

隧道西高東低，進(jìn)口端所穿越地層為濕陷性黃土（洞口560m范圍）屬軟質(zhì)巖，強(qiáng)度較低，整體性及自穩(wěn)能力差。土質(zhì)松軟呈黃色粉狀形，遇水濕陷，雨后雨水滲透力較強(qiáng)。洞口段黃土如圖3所示。

圖3 洞口段黃土Fig.3 Loess in the entrance section

2 風(fēng)險控制分析

結(jié)合現(xiàn)場實際地形、地質(zhì)以及埋深情況，以及當(dāng)?shù)卣爸参飯@內(nèi)對地表植被保護(hù)的強(qiáng)烈需要，綜合各方面因素，為確保隧道在施工過程中能夠安全、有序、順利的推進(jìn)，同時確保洞內(nèi)所有施工作業(yè)人員及設(shè)備的安全，針對隧道進(jìn)口端采用了較為保守的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。對于陷性黃土地區(qū)小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，存在的風(fēng)險控制點主要表現(xiàn)為初期支護(hù)變形侵限風(fēng)險與淺埋偏壓段防坍塌風(fēng)險兩方面。

2.1 初期支護(hù)變形侵限風(fēng)險

由于本隧道綜合了黃土、大跨、淺埋、偏壓以及小凈距等5 種劣勢環(huán)境因素，致使隧道在施工過程中安全風(fēng)險極高。為了減少安全風(fēng)險，及早發(fā)現(xiàn)安全隱患并排除，防止隧道在開挖過程中土體產(chǎn)生松弛、掉塊、變形、塌方及冒頂現(xiàn)象發(fā)生，同時確保洞內(nèi)作業(yè)人員、設(shè)備機(jī)具的安全和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，提前預(yù)知洞內(nèi)各作業(yè)面變形情況，及時做到人員疏散、設(shè)備撤離，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，監(jiān)控量測工作起到了十分關(guān)鍵的作用，作為重點工序考慮。

2.2 淺埋偏壓段防坍塌風(fēng)險

由于本隧道圍巖自身的特殊性及所處地區(qū)的特殊性，需要提高軟弱圍巖隧道施工水平，提前做好預(yù)防隧道變形、塌方及冒頂事件發(fā)生，尤其是預(yù)防關(guān)門塌方事件，確保施工安全，其核心是抓住軟弱圍巖隧道工程特點，嚴(yán)格落實好“三超前、四到位、一強(qiáng)化”施工技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，三超前：超前預(yù)報、超前加固、超前支護(hù)；四到位：工法選擇到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位、襯砌跟進(jìn)到位；一強(qiáng)化：強(qiáng)化量測。

3 施工方法

傳統(tǒng)的設(shè)計中，僅限于單洞的穩(wěn)定性，而未考慮長遠(yuǎn)的小凈距隧道整體的穩(wěn)定性。在濕陷性黃土地層中，一是圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量較其他地層大，需嚴(yán)格控制其沉降變形；二是黃土地基軟弱并具濕陷性，需加固地基并消除濕陷性，在處理過程中會再次擾動土層，加劇圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形；三是因為左中右側(cè)壁開挖支護(hù)施工周期長，每個部位的錯開間距相對較大，不能滿足盡快成環(huán)，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的需要，非常容易導(dǎo)致初支由于時間延續(xù)長短的不同而產(chǎn)生不同程度的沉降，最終導(dǎo)致初支不同部位不同程度的侵限、開裂和對接上誤差的積累，產(chǎn)生換拱，危及安全，致使初支結(jié)構(gòu)不能盡可能地發(fā)揮原有的結(jié)構(gòu)整體可靠性能。

針對實際施工現(xiàn)場的風(fēng)險控制點和傳統(tǒng)設(shè)計的局限性，本文建立了適用于濕陷性黃土地區(qū)小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工方法。

3.1 基礎(chǔ)原理

通過將大洞分解化分為若干個小洞進(jìn)行分步施工，降低安全風(fēng)險，同時通過工程鎖腳錨桿、臨時支護(hù)、臨時仰拱和高壓旋噴樁嚴(yán)格控制隧道施工過程中的沉降量，通過對拉錨桿確保中間巖柱的穩(wěn)定和兩條分離式隧道整體的穩(wěn)定性。

該方法通過合理分配施工先后順序，同時利用地下工程的空間效應(yīng)和時間效應(yīng)，結(jié)合施工步距整體把控施工節(jié)奏，規(guī)避了安全風(fēng)險，有效降低軟弱圍巖沉降變形，可成功規(guī)避由于沉降變形而引起的初支開裂、扭曲，二次襯砌開裂等問題。

基于此，先分部開挖側(cè)導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞，隨后施工初期支護(hù)、仰拱底部的高壓旋噴樁和中間巖柱的對拉錨桿達(dá)到及時成環(huán)穩(wěn)定效果。再施工排水盲管和復(fù)合式防水板，最后及時澆筑仰拱及拱墻部分的混凝土形成二次襯砌等工藝，可成功解決軟弱隧道的大變形、坍塌風(fēng)險高的難題。

3.2 施工工法

圖4 為小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面。

圖4 小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面Fig.4 Support structure section of small clear distance tunnel

具體的施工步驟為：

步驟一：先根據(jù)圍巖整體性和完整性進(jìn)行判斷分析，確定開挖支護(hù)順序，一般先選擇圍巖較差的單洞單側(cè)導(dǎo)洞進(jìn)行洞身開挖支護(hù)，相對較好的一側(cè)暫后開挖支護(hù)；

步驟二：首先施作9 部位的超前小導(dǎo)管，開挖左洞9 部位，施作初期支護(hù)、臨時支護(hù)和臨時仰拱，加打鎖腳錨桿；再開挖左洞10 部位，施作初期支護(hù)、臨時支護(hù)、永久性仰拱和該部位的高壓旋噴樁；

步驟三：然后再施作11 部位的超前小導(dǎo)管，開挖左洞11 部位，施作初期支護(hù)、臨時支護(hù)和臨時仰拱，加打鎖腳錨桿；再開挖左洞12 部位，施作初期支護(hù)、臨時支護(hù)、永久性仰拱和該部位的高壓旋噴樁；

步驟四：最后施作13 部位的超前小導(dǎo)管，開挖左洞13 部位，施作初期支護(hù)后，再開挖左洞14 部位，施作初期支護(hù)、永久性仰拱和該部位的高壓旋噴樁；

步驟五：左洞和右洞應(yīng)錯開一定距離（保證左洞初期支護(hù)未成環(huán)穩(wěn)定前右洞不能進(jìn)行開挖作業(yè)）。在左洞初期支護(hù)全部成環(huán)后且在右洞正式開挖施工前，先拆除左洞臨時支護(hù)和臨時仰拱，然后在左洞右側(cè)（兩隧道接近面?zhèn)龋┦┳黝A(yù)應(yīng)力對接錨桿并注漿錨固，待右洞開挖支護(hù)至相應(yīng)位置后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉錨固；

步驟六：在初期支護(hù)成環(huán)完成且達(dá)到穩(wěn)定后，拆除臨時仰拱和臨時支護(hù)，整體式施作仰拱混凝土和填充混凝土，然后在拱墻及邊墻部位安裝環(huán)向、縱向排水盲管和鋪設(shè)復(fù)合式防水板（16部位），最后澆筑二次襯砌鋼筋混凝土（2 部位）；

步驟七：左洞和右洞分別整體澆筑二次襯砌混凝土。

3.3 施工過程監(jiān)測控制

淺埋黃土段隧道拱頂下沉是施工過程中必須控制的因素，因此，需要在洞內(nèi)變形樁布設(shè)測點用以監(jiān)測隧道拱頂沉降量。圖5 是側(cè)壁測點布置。圖6 是三臺階法施工單側(cè)壁沉降變形情況。

圖5 側(cè)壁測點布置Fig.5 Arrangement of monitoring points on the side wall

圖6 單側(cè)壁沉降變形情況Fig.6 Settlement and deformation of single wall

過程變化情況：采用三臺階法施工時拱頂沉降有三次突變，分別為上、中、下臺階開挖安裝拱架時所發(fā)生的變形，變化幅度較為明顯。其中上臺階開挖后單日最大沉降量速率為23mm；中臺階開挖后單日最大沉降量速率為17mm；下臺階開挖完成并成環(huán)后單日最大沉降量為14mm；累計平均沉降量為178mm，可滿足設(shè)計預(yù)留變形量要求。上中臺階施工完成后沉降速度呈遞減狀態(tài)，但仍一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，待下臺階仰拱初支封閉成環(huán)后，整體側(cè)壁襯砌支護(hù)趨于穩(wěn)定。

時間延續(xù)情況：中臺階開挖發(fā)生在上臺階完成后第6 天（持續(xù)時間為6 天），下臺階開挖發(fā)生在中臺階完成后第10 天（持續(xù)時間為4 天），等仰拱封閉成環(huán)后（即下臺階接拱完成）通過3～4天左右的沉降減速后，時間宜控制在10～12 天為宜，雙側(cè)壁單導(dǎo)坑初支快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。從時間上來看，單側(cè)導(dǎo)坑三臺階上臺階開挖至下臺階仰拱封閉成環(huán)穩(wěn)定時長為16 天左右。

分析控制結(jié)論：黃土段雙側(cè)壁單導(dǎo)坑在施工時為控制隧道沉降變形，需加快速初支成環(huán)速度，縮短成環(huán)時間，同時結(jié)合地層巖土情況嚴(yán)格控制臺階長度，確保上、中、下臺階均處于4m左右，對沉降及收斂控制均十分有利，能確保施工安全，避免由于變形過大而造成不必要的侵限處理或塌方處理。

3.4 防排水設(shè)計

隧道的防排水遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則。設(shè)計中采用的措施要求達(dá)到：排水通暢，防水可靠，施工方便，保證運營期間隧道內(nèi)不滲不漏，達(dá)到基本干燥要求，保證襯砌結(jié)構(gòu)和洞內(nèi)設(shè)備的正常使用以及行車的安全。隧道排水設(shè)計如圖7 所示，主要包括以下四個方面。圖8 為止水帶構(gòu)造細(xì)節(jié)。

圖7 隧道洞內(nèi)綜合排水設(shè)計（單位：cm）Fig.7 Integrated drainage design in tunnel（unit：cm）

圖8 襯砌施工縫、沉降縫止水帶構(gòu)造Fig.8 Construction of water resistance belt for construction and settlement joints

（1）洞外排水：洞頂沿地表設(shè)截排水溝，將地表水引入路基邊溝或洞門外端自然溝谷，以此形成完善的洞外排水系統(tǒng)。

（2）襯砌防水：隧道明洞段采用粘土隔水層和防水板加土工布為防水措施用以防止地表水滲漏；暗洞隧道段采用1.5mm 厚EVA／ECB 防水板＋土工布為防水措施。

（3）襯砌排水：設(shè)置環(huán)向排水半管，將排水半管的水引入襯砌兩側(cè)墻腳外側(cè)的縱向排水花管中，縱向排水管中的水經(jīng)橫向排水管引入中心排水管，然后通過隧道口外的保溫出水口排出洞外。

（4）路面基層排水：在路面下設(shè)置20cm 厚C15 混凝土，在路面板接縫處設(shè)置盲溝，將水引入路面中心排水溝。

3.5 優(yōu)勢分析

1.結(jié)構(gòu)受力體系明確：和正常的隧道相比，新型實用技術(shù)通過基底高壓旋噴樁加固和中間巖體預(yù)應(yīng)力對拉錨桿加固，使隧道基底處于可持力的基層上，同時通過對拉錨桿將中間土體再次加固，提高了隧道中間巖體的穩(wěn)定和隧道的安全可靠度。

2.施工工序簡單：和傳統(tǒng)的隧道相比，施工工序基本相同，采用三導(dǎo)洞六步法施工，先開挖左右側(cè)導(dǎo)洞，再開挖中導(dǎo)洞，實現(xiàn)在大洞化小洞，快速施工，分部成環(huán)的目標(biāo)。

3.控制變形效果好：通過設(shè)置各自相互獨立成環(huán)的封閉的初期支護(hù)體系和地基、中間巖柱的加固體系，成功解決了地基及周邊巖體不穩(wěn)而帶來的運營中產(chǎn)生的開裂、扭曲、變形、局部沉陷以及二次襯砌開裂等質(zhì)量問題。

4 結(jié)語

文中建立的支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵工法與建造技術(shù)具有施工安全、工序簡便的優(yōu)勢，有效地解決了適應(yīng)濕陷性黃土隧道沉降變形的小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)難題。通過依托工程植物園隧道的順利貫通充分證明了其有效性和安全性，可為同類型公路隧道支護(hù)技術(shù)提供重要的工程借鑒和參考。