火山堆積層淺埋偏壓地段隧道進(jìn)洞施工技術(shù)研究

龔 翼， 楊 尚 鑫， 范 軍 勝

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611700)

1 概 述

雅萬高鐵2號(hào)隧道位于印度尼西亞中爪哇省普旺加達(dá)市，進(jìn)口里程為DK74+010，出口里程為DK75+062，全長(zhǎng)1 052 m，為單洞雙線隧道，設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)速為300 km/h。

由于2號(hào)隧道處于丘陵區(qū)且其左右側(cè)地勢(shì)起伏大，一般相對(duì)高差為6～8 m。隧道進(jìn)口右側(cè)偏壓，山體陡峭，自然坡度約為18°～25°；隧道出口等高線斜交進(jìn)洞，洞口地形偏壓，高山側(cè)地勢(shì)高，自然坡度約為20°～30°。洞口表層以第四系更新統(tǒng)火山堆積層(Qos)黏土、粗圓礫土為主，且其所處地區(qū)屬熱帶雨林氣候，終年炎熱且潮濕，按降雨量大小分為旱季、雨季。11月至次年3月為雨季、西北季風(fēng)期，多雨多云；4～10月為旱季、東南季風(fēng)期，晴天多且雨量少，歷年平均降水量可達(dá)2 400 mm以上。

上述自然因素導(dǎo)致隧道進(jìn)洞困難，為此，項(xiàng)目部技術(shù)人員對(duì)隧道進(jìn)洞施工技術(shù)進(jìn)行了分析與研究。

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)及火山堆積層成因分析

2.1 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

該工程具有以下工程特點(diǎn)及難點(diǎn)：

(1)隧道洞口穿越第四系火山堆積層(Qos)的黏土、粗圓礫土，其土體疏松、含水量高、孔隙比大、自身承載力低、穩(wěn)定性差。

(2)黏土具有弱膨脹性，自由膨脹率為40%～54%。2號(hào)隧道進(jìn)口洞門施工時(shí)恰逢印尼雨季末期，土體吸水飽和后易崩解、軟化，其強(qiáng)度明顯降低，力學(xué)性質(zhì)變差。

(3)施工進(jìn)洞時(shí)，需要對(duì)原始邊仰坡進(jìn)行清表、刷坡開挖。清表擾動(dòng)后土石交界處易產(chǎn)生塌方，洞口邊、仰坡裸露的土層存在滑移失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)隧道洞口處于淺埋地段，地層破碎，屬全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化且節(jié)理裂隙發(fā)育的軟弱巖層，難以形成承載拱，成洞困難，存在坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)隧道軸線與山體走向斜交，山體對(duì)洞口形成偏壓。偏壓產(chǎn)生的側(cè)向壓力易導(dǎo)致隧道側(cè)向變形甚至坍塌。

2.2 火山堆積層成因分析

該地區(qū)的火山及構(gòu)造活動(dòng)劇烈，加之熱帶氣候降水豐富、沖刷與搬運(yùn)能力強(qiáng)，形成了獨(dú)特的熱帶火山堆積層，與國內(nèi)火山成因地層差別較大，其特殊的工程特性國內(nèi)罕見[1]?；鹕絿姲l(fā)出的高熱氣流攜帶著大量未經(jīng)篩選的碎屑物沿山坡沖出或噴向高空，在火山口周圍由近及遠(yuǎn)略有分選的沉積下來，在高溫作用下其顆粒與火山灰凝結(jié)成孔隙比大、地應(yīng)力高的地層；受高溫溢出巖漿及噴出火山彈影響，局部半膠結(jié)半成巖作用發(fā)育；熱帶氣候?qū)е略摰貐^(qū)降雨量充沛，受火山爆發(fā)的應(yīng)力及暴雨的影響地層的組成物質(zhì)常常呈大小混雜、粗細(xì)不一，含水率高。在多種因素共同作用下形成的第四系更新統(tǒng)火山堆積地層復(fù)雜多變，規(guī)律性差，給隧道施工帶來了巨大挑戰(zhàn)[2]。其洞口施工方案的選擇成為一大難題。

3 洞口施工方案的選擇與實(shí)施

該洞口施工方案的選擇按照“早進(jìn)晚出，零仰坡”的原則組織施工，提倡“零開挖”安全進(jìn)洞。

“早進(jìn)晚出，零仰坡”進(jìn)洞即適當(dāng)延長(zhǎng)洞口和隧道的長(zhǎng)度，保證未到山體之前先進(jìn)洞而盡量遠(yuǎn)離山體后再出洞。采取增加護(hù)拱或加長(zhǎng)洞門等措施提前進(jìn)暗洞。在2號(hào)隧道進(jìn)口施工過程中，將隧道進(jìn)口里程由原設(shè)計(jì)里程DK74+020調(diào)整為DK74+010，隧道向小里程延長(zhǎng)10 m，增加了10 m護(hù)拱，護(hù)拱下方采用Φ1 500 mm的鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)樁,樁頂設(shè)置冠梁,冠梁與護(hù)拱相連，護(hù)拱厚度為1 m；在2號(hào)隧道出口施工過程中，隧道洞門由帽檐斜切式緩沖結(jié)構(gòu)洞門(28 m)變更為直切式洞門(34 m)，長(zhǎng)度增加了6 m，洞門的加長(zhǎng)避免了對(duì)山體的大挖。

“零開挖”安全進(jìn)洞系指不開挖或少開挖隧道邊仰坡，不破壞或少破壞洞口原始地貌及生態(tài)環(huán)境，較為完整地保留了自然景觀，符合國家倡導(dǎo)的“綠色環(huán)保低碳”的建設(shè)理念[3]。進(jìn)洞施工過程中，先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙定位洞口位置，再參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形將刷坡路線降低到最小，僅在洞口淺埋段進(jìn)行小范圍的土方開挖以便進(jìn)行導(dǎo)向墻的施工。嚴(yán)禁對(duì)原始邊仰坡進(jìn)行大面積清表、切削開挖，避免大面積清表開挖造成坡面原有生態(tài)系統(tǒng)的破壞，形成大范圍的裸露邊坡。裸露邊坡的表層結(jié)構(gòu)松散導(dǎo)致土壤抗蝕能力降低，加之黏土、泥巖易風(fēng)化，在開挖暴露后短時(shí)間內(nèi)及干濕交替作用下風(fēng)化加速，強(qiáng)度衰減較快，極易造成邊仰坡松弛張裂和滑坡。

3.1 邊仰坡防護(hù)技術(shù)

對(duì)洞口臨時(shí)邊仰坡及明暗分界直立面及時(shí)進(jìn)行防護(hù)。所采取的邊坡防護(hù)措施為噴錨防護(hù)和打設(shè)竹錨桿等。

噴錨防護(hù)錨桿采用Φ22 mm砂漿錨桿,L=3.5 m,間距1 m×1 m,梅花形布置;噴射混凝土采用15 cm厚C25混凝土,鋼筋網(wǎng)采用Φ8 mm鋼筋 ,網(wǎng)格為20 cm×20 cm。施工時(shí)需做好噴混凝土結(jié)構(gòu)的分幅和防排水措施，以防止結(jié)構(gòu)開裂破壞。

對(duì)于暴露面較大的邊仰坡采用就地取材的方式；對(duì)于垂直坡面采用打設(shè)竹錨桿加固坡體的應(yīng)急措施。竹錨桿直徑為5～15 cm，長(zhǎng)5～8 m，間距0.6 m×0.6 m。為方便竹錨桿插入圍巖，在其前端套上2 mm厚、由鐵板制作的尖錐狀鐵靴，尾部采用8號(hào)鐵線設(shè)置箍筋，防止頂進(jìn)時(shí)劈裂[4]。

3.2 洞口截排水施工技術(shù)

2號(hào)隧道進(jìn)口的自然坡度為18°～25°，隧道出口的自然坡度為20°～30°，坡度較陡。而隧道洞口的地表一般被修整為較為平緩的地勢(shì)，有利于雨水的集中，加之火山堆積層(Qos)黏土遇水軟化，力學(xué)性質(zhì)變差，給隧道洞口的施工造成困難。因此，洞口施工宜避開雨季且在開挖前應(yīng)先做好邊仰坡外及洞口的排水、截水處理工作。

在開挖線外5 m設(shè)截水天溝，截水天溝的坡度根據(jù)地形設(shè)置,但不應(yīng)小于3%，以免淤積。截水天溝與外部土體洞口的空隙需采用黏土填充、夯實(shí)，并填出向溝內(nèi)坡度不小于2%的流水坡,避免“水不歸槽”而順槽外壁流淌。天溝的縱坡較陡時(shí),應(yīng)按要求設(shè)置基座、急流槽、消能池等。天溝應(yīng)接入路基天溝或線路兩側(cè)既有的自然溝渠。

3.3 加固洞口采用的鉆孔灌注樁技術(shù)

2號(hào)隧道進(jìn)出口等高線均斜交進(jìn)洞導(dǎo)致洞口地形偏壓，高山側(cè)地勢(shì)高。為防止火山堆積體滑塌，在進(jìn)口DK74+030～DK74+055段于隧道左右兩側(cè)分別設(shè)置了12根Φ1 250 mm鉆孔灌注樁,樁間距為2.5 m ,樁頂設(shè)置1.7 m×2.5 m(寬×高)的冠梁；在出口DK75+045～DK75+025段于隧道左右兩側(cè)分別設(shè)置了7根Φ1 500 mm鉆孔灌注樁,樁間距為2 m ,樁頂設(shè)置1.7 m×2.5 m(寬×高)的冠梁，鉆孔樁及冠梁均采用C35鋼筋混凝土施作。抗滑樁施工后，增加了邊坡的整體穩(wěn)定性，減少了邊坡位移。2號(hào)隧道進(jìn)口洞口鉆孔灌注樁施工平面位置圖見圖1，2號(hào)隧道出口洞口鉆孔灌注樁施工平面位置圖見圖2。

圖1 2號(hào)隧道進(jìn)口洞口鉆孔灌注樁施工平面位置圖

圖2 2號(hào)隧道出口洞口鉆孔灌注樁施工平面位置圖

3.4 洞口大管棚超前支護(hù)技術(shù)

利用大管棚作為穿越淺埋偏壓段的超前支護(hù)，可以通過注漿將松散的土體固結(jié)起來，利用大管棚支護(hù)圍巖, 注漿體與管棚連成一個(gè)整體共同受力, 在隧道開挖輪廓線外形成一個(gè)環(huán)向的支撐體，進(jìn)而有效地阻止了火山堆積體出現(xiàn)坍塌。其一次支護(hù)長(zhǎng)度達(dá)40 m，可以減少超前支護(hù)的次數(shù)，縮短施工時(shí)間[5]。

2號(hào)隧道洞口導(dǎo)向墻基礎(chǔ)巖體為全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖，具有中等膨脹性，遇水易軟化、崩解導(dǎo)致地基承載力降低，管棚基礎(chǔ)具有下沉的危險(xiǎn)。為保證其基礎(chǔ)穩(wěn)定性，施工時(shí)要求反鏟開挖至距拱腳標(biāo)高30 cm時(shí)改由人工修整，修整到位后采用小型振動(dòng)夯夯實(shí)，夯實(shí)后采用50 cm×60 cm的鋼板下墊，拱架支墊與基礎(chǔ)面密貼后進(jìn)行大拱腳噴射混凝土施工，并在導(dǎo)向架拱腳增加2根6 m長(zhǎng)的Φ89 mm鎖腳錨管。

管棚導(dǎo)向墻高(厚)1 m，長(zhǎng)2 m，采用C20混凝土制作。為保證大管棚的施工精度,在導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)Ⅰ18鋼架,鋼架外緣設(shè)Φ140 mm、壁厚5 mm的導(dǎo)向鋼管,鋼管與鋼架焊接。管棚長(zhǎng)度為40 m，環(huán)向間距為40 cm，在拱部140°范圍內(nèi)設(shè)置，共設(shè)置了47根鋼管，外插角為1°～3°。其布置方式為：編號(hào)為單號(hào)者采用鋼花管,雙號(hào)者采用鋼管。施工時(shí)先打設(shè)鋼花管并注漿,然后打設(shè)鋼管，以便檢查鋼花管的注漿質(zhì)量。管棚注漿采用濃水泥漿液，漿液水灰比為 1∶1(重量比)，注漿壓力為0.5～1.5 MPa。注漿結(jié)束后，使用M10水泥砂漿充填鋼管以增強(qiáng)管棚的強(qiáng)度。

為提高導(dǎo)管的抗彎能力,可在鋼管及鋼花管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠,鋼筋籠由四根主筋和固定環(huán)組成,主筋直徑為22 mm，固定環(huán)采用短管節(jié),節(jié)長(zhǎng)5 cm，將其與主筋焊接,按0.5 m間距設(shè)置。

3.5 監(jiān)控量測(cè)技術(shù)

在淺埋隧道洞口施工過程中，必須做好監(jiān)控量測(cè)工作。應(yīng)對(duì)所有的開挖暴露面增加監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，對(duì)洞口淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖邊仰坡平均按5 m×5 m、梅花型布置地表沉降觀測(cè)點(diǎn)；進(jìn)洞后，拱頂下沉點(diǎn)和凈空變化測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面上，拱頂下沉測(cè)點(diǎn)原則上應(yīng)布置在拱頂軸線附近，凈空變化量測(cè)測(cè)線按照每臺(tái)階一條水平測(cè)線、兩條斜測(cè)線布置。監(jiān)控量測(cè)斷面間距見表1。

表1 監(jiān)控量測(cè)斷面間距表

施工單位應(yīng)保證日均量測(cè)次數(shù)達(dá)到 2 次，同時(shí)，項(xiàng)目管理人員應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)手段及時(shí)了解和掌握量測(cè)數(shù)據(jù)，通過分析觀測(cè)數(shù)據(jù)成果，及時(shí)掌握隧道施工的動(dòng)態(tài)，對(duì)隧道的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并據(jù)此調(diào)整相關(guān)支護(hù)參數(shù)以保證隧道洞口的施工安全。當(dāng)?shù)乇沓两邓俾? 5 mm/d或單日累計(jì)沉降值>100 mm時(shí)應(yīng)暫停洞口施工，并及時(shí)分析原因，采取有針對(duì)性的處理措施[6]。

4 實(shí)施效果

在嚴(yán)格按照上述施工方案實(shí)施后，2號(hào)隧道洞口在進(jìn)洞過程中未發(fā)生邊仰坡滑移、塌方冒頂、管棚基礎(chǔ)下沉等情況。通過對(duì)隧道地表下沉、拱頂下沉、水平收斂監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知：圍巖變形小，所測(cè)量的數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的范圍以內(nèi)，說明所采取的施工方法與措施比較成功，實(shí)現(xiàn)了火山堆積層淺埋偏壓地段隧道洞口的順利進(jìn)洞。

5 結(jié) 語

火山堆積層地層復(fù)雜多變，規(guī)律性差，在該地層中進(jìn)行隧道進(jìn)洞施工難度大且施工風(fēng)險(xiǎn)高，加之國內(nèi)尚無相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)可循，從而給該工程的勘測(cè)施工帶來巨大挑戰(zhàn)。雅萬高鐵2號(hào)隧道采取“早進(jìn)晚出、零仰坡”“洞口超前大管棚支護(hù)”“洞口截排水”等方案，有效地解決了火山堆積層淺埋偏壓地段隧道進(jìn)洞施工的難題。該方案具有簡(jiǎn)單方便，安全可靠的特點(diǎn)，對(duì)類似火山堆積層淺埋偏壓隧道施工具有一定的參考價(jià)值。