隧道紅黏土淺埋段加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

吳永想　黃云宇　周丹楓

摘要：文章結(jié)合上降隧道工程實例，通過對該隧道紅黏土淺埋段沉降現(xiàn)狀的分析，提出了隧道紅黏土淺埋段加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)措施，解決了該隧道進(jìn)口端進(jìn)洞的施工難題，確保了隧道施工安全。

關(guān)鍵詞：淺埋段;紅黏土;加強(qiáng)支護(hù);沉降控制

中圖分類號：U455.7A220803

0 引言

紅黏土是一種含水率高、孔隙比大、滲透性較差，具有較高強(qiáng)度和低壓縮性特殊工程性質(zhì)的黏土。紅黏土隧道在雨季施工過程中，土體含水量大，不易蒸發(fā)，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度急劇下降[1]。由于紅黏土特殊的物理化學(xué)特性，隧道開挖后，拱底地基的施工沉降問題是較為常見的工程難題，長期的施工沉降變形會引起隧道洞口滑坡、圍巖變形開裂、初支剝落、基底溶蝕風(fēng)化、路面開裂破壞等問題，而這些問題會影響隧道的耐久性，降低其使用壽命，還會影響隧道的行車安全。紅黏土地層主要礦物組成通常為石英和高嶺石，含少量蒙脫石（5%～15%），硅氧化物含量較少，起集聚膠結(jié)作用的主要是化學(xué)風(fēng)化后鐵、鋁、鈦等氧化物。紅黏土透水性差，遇水后土體強(qiáng)度快速衰減，抗剪能力明顯減弱，存在自身特性上的缺陷。因此，隧道在通過紅黏土地層時，特別是淺埋段，需要對地表進(jìn)行防水處治，對襯砌支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，同時改善隧道拱底地基土體的工程性質(zhì)[2]。本文以某高速公路的上降隧道為背景，研究隧道淺埋段紅黏土地質(zhì)加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，為類似隧道工程施工提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

上降隧道位于廣西壯族自治區(qū)崇左市龍州縣上降鄉(xiāng)境內(nèi)，左右洞起始樁號為：ZK273+718～ZK275+576（1 858 m）/YK273+728～YK275+582（1 854 m），屬長隧道。隧道進(jìn)出口均為斜坡地形，山體相對平緩，局部較陡，自然坡度為10°～30°，采用小凈距+分離式隧道。隧道進(jìn)口端下穿G243國道，覆蓋層約2 m。隧址區(qū)特殊性巖土主要為紅黏土，位于隧道進(jìn)出洞口淺埋段，該處地層主要為第四系殘坡積黏土與三疊系下統(tǒng)（πT1b）[KG（0.05mm]凝灰熔巖，凝灰熔巖為厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體破碎，紅黏土呈可塑及硬塑狀，層厚不均，具有高液限、膨脹性、透水性差、遇水變軟、抗剪強(qiáng)度低等不良地質(zhì)特性。上降隧道洞口段為淺埋段，圍巖等級為Ⅴ級，設(shè)計襯砌類型為XS5a。

2 紅黏土淺埋段沉降現(xiàn)狀描述

上降隧道進(jìn)口以原設(shè)計進(jìn)行開挖支護(hù)，左洞開挖至ZK273+766.5（累計32.5 m），出現(xiàn)洞頂?shù)乇黹_裂及掌子面滑移等現(xiàn)象。

2.1 沉降監(jiān)測

根據(jù)左洞沉降情況，項目設(shè)立位移觀測點，對沉降段進(jìn)行監(jiān)測。于上降隧道進(jìn)口地表沉降共布設(shè)三排觀測點;左洞共布設(shè)監(jiān)控量測觀測斷面4個，里程樁號分別為ZK273+740、ZK273+745、ZK273+755、ZK273+763。

如表1所示，左洞ZK273+740斷面拱頂當(dāng)日下沉1.3 mm，累計下沉70.2 mm，已趨于穩(wěn)定;ZK273+745斷面當(dāng)日下沉1.1 mm，累計下沉82.5 mm，已趨于穩(wěn)定;ZK273+755斷面拱頂當(dāng)日下沉28.6 mm，累計下沉167.4 mm，沉降不穩(wěn)定;ZK273+763斷面拱頂當(dāng)日下沉58.9 mm，累計下沉93.1 mm，沉降不穩(wěn)定。如表2所示，ZK273+734斷面地表日下沉最大下沉達(dá)21.7 mm。說明掌子面發(fā)生滑移，導(dǎo)致沉降量變化劇烈，但初支面未見有開裂等現(xiàn)象。

2.2 原因分析

（1）該洞身段處于淺埋段，圍巖自穩(wěn)能力極差，洞身圍巖應(yīng)力基本由初支承擔(dān)。同時，該段處于超前鋼棚末尾段，超前支護(hù)強(qiáng)度下降，導(dǎo)致洞身沉降劇烈。

（2）該段圍巖處于紅黏土段，當(dāng)時恰逢雨季，圍巖遇水變軟，抗剪強(qiáng)度降低，拱頂應(yīng)力變大，拱腳處承載力下降，導(dǎo)致整個洞身沉降劇烈，但初支面無開裂現(xiàn)象。

2.3 處理思路

（3）采用臨時支撐，阻止洞身繼續(xù)下沉，保證其暫時穩(wěn)定[3]。

（2）對圍巖進(jìn)行注漿，增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力。

（3）采用補(bǔ)充加強(qiáng)初期支護(hù)，通過強(qiáng)支護(hù)與圍巖自穩(wěn)能力相結(jié)合，保證洞身永久穩(wěn)定。

3 加強(qiáng)支護(hù)措施

3.1 臨時支護(hù)措施

3.1.1 增設(shè)臨時支撐

（1）左洞上臺階和中臺階均每隔2 m增設(shè)1道工字鋼橫撐、斜撐和豎撐，橫撐兩端緊頂兩側(cè)拱架拱腳，斜撐和豎撐頂部緊頂拱部初支，控制沉降;（2）將初支拱架表面混凝土鑿除，采用焊接將支撐與初支拱架相連;（3）鎖腳錨桿與鋼拱架采用鋼筋焊接連成整體，保證洞身整體受力，防止局部下沉造成初支開裂。

3.1.2 防水處治

（1）采用M30水泥砂漿對洞頂裂縫進(jìn)行封堵，適當(dāng)摻加速凝劑，保證水泥砂漿與土體及早固結(jié)，防止圍巖浸泡過久再次造成滑塌;（2）采用“土工布+防水板+土工布”形式對洞頂進(jìn)行覆蓋，防止雨水再次滲入，同時在洞頂上回填種植土、復(fù)綠。

3.2 支護(hù)永久加強(qiáng)措施

在原設(shè)計的基礎(chǔ)上加強(qiáng)支護(hù)，以保證洞身的穩(wěn)定性，避免再次出現(xiàn)塌方及初支面嚴(yán)重下沉等現(xiàn)象，控制下沉及收斂速率。

3.2.1 超前支護(hù)加強(qiáng)

為保證淺埋紅黏土段圍巖施工開挖造成的擾動不產(chǎn)生嚴(yán)重的圍巖沉降、形變，避免引起掌子面失穩(wěn)、隧道塌方等，對超前支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。

（1）拱部超前小導(dǎo)管、增設(shè)的臨時支護(hù)超前小導(dǎo)管分別采用450 cm長的76 mm×6 mm、42 mm×4 mm熱軋無縫鋼管作為原材制作，使用小導(dǎo)管縮尖機(jī)、小導(dǎo)管打孔機(jī)等專用設(shè)備保證其質(zhì)量與工作性能。

（2）在超前小導(dǎo)管打入圍巖的施工過程中，將其外插角控制在5°～12°。小導(dǎo)管環(huán)向間距、縱向間距分別為40 cm、200 cm。

（3）超前小導(dǎo)管注漿按設(shè)計要求采用水泥凈漿，額外加入適量速凝劑，加快漿液與圍巖的固結(jié)，改善圍巖整體性能。

（4）將超前小導(dǎo)管尾端焊接固定于型鋼拱架上，水平縱向搭接的長度需≥100 cm。

3.2.2 初期支護(hù)加強(qiáng)

（1）洞身中臺階鎖腳錨桿采用兩根108 mm×6 mm注漿鋼花管，鋼花管長度為9 m，鎖住拱腳，控制沉降與收斂速率。

（2）系統(tǒng)錨桿由D25中空注漿錨桿調(diào)整為42 mm×4 mm鋼花管，增強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)能力。

（3）采用1[KG-*4]∶[KG-*8]1水泥凈漿注漿，額外加入適量速凝劑，加快漿液與圍巖的固結(jié)，改善圍巖整體性能。

（4）拱架縱向連接筋調(diào)整為槽鋼，環(huán)向間距為100 cm，采用焊接與拱架連接，使初支立架整體連接受力，減少沉降。

3.3 處治效果

按上述加強(qiáng)支護(hù)措施處治后，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，左洞洞口段ZK273+755斷面拱頂累計下沉227.7 mm，日沉降量0.5 mm;ZK273+763斷面拱頂累計下沉195.2 mm，日沉降量0.4 mm;ZK273+767斷面拱頂累計下沉108.2 mm，日沉降量0.7 mm。結(jié)合監(jiān)控數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)沉降、收斂基本趨于穩(wěn)定，如圖4～6所示。

4 結(jié)語

隧道紅黏土淺埋段覆蓋層較薄，無法利用其自穩(wěn)能力來達(dá)到洞身穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)圍巖揭露情況、超地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測情況采取相應(yīng)的強(qiáng)支護(hù)措施，輔以注漿等固結(jié)措施;同時，根據(jù)紅黏土抗剪能力差、遇水易變軟的特點，做好防水處治，防止因水滲入土體過多或浸入時間過長，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)、滑塌，保證其自穩(wěn)能力，保障施工安全。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊——隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[2]劉 燦，杜永強(qiáng)，鮑廣政，等.紅黏土隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)沉陷開裂機(jī)理分析與處治對策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53（3）：207-211.

[3]何曉東.軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性與塌方處置措施分析[D].西安：長安大學(xué)，2009.

作者簡介：吳永想（1986—），工程師，主要從事公路交通工程技術(shù)研究和施工管理工作;

黃云宇（1996—），助理工程師，主要從事公路工程隧道施工技術(shù)管理工作;

周丹楓（1989—），工程師，主要從事公路工程隧道施工技術(shù)管理工作。