砂質(zhì)黃土隧道穿越洞口段溜塌體處治施工技術(shù)

王興旺,佘麗麗

（1.湖南省建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410007; 2.湖南省交通工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001）

0 引言

近些年，隨著鐵路行業(yè)的快速發(fā)展和先進(jìn)技術(shù)的不斷應(yīng)用，在地質(zhì)復(fù)雜的地區(qū)，長大隧道的應(yīng)用越來越廣泛。但受到各類因素的影響，塌方成為隧道施工中常遇問題之一[1]。

現(xiàn)階段隧道預(yù)防及處治塌方的常見方式有：地表注漿、超前導(dǎo)管、管棚技術(shù)等。陜北分布著大量砂質(zhì)黃土山體，對于塌方體的單一處理方式很難達(dá)到理想效果[2]，特別是在隧道穿越洞口段，對于溜塌體的處理，需要經(jīng)過嚴(yán)格的論證和綜合的治理，確保隧道施工安全平穩(wěn)進(jìn)行。

該文以砂質(zhì)黃土山體隧道（郝家坪隧道）為例，通過各種工程措施綜合處理隧道洞口溜塌體，論證所提方案的可行性，為后續(xù)的砂質(zhì)黃土隧道施工提供借鑒與經(jīng)驗(yàn)。

1 砂質(zhì)黃土特性

該線鐵路有多段隧道分布黃土段落，黃土類型包含黏質(zhì)新黃土、黏質(zhì)老黃土、砂質(zhì)新黃土、砂質(zhì)老黃土，結(jié)構(gòu)性能差異較大[3]。覆蓋在隧道洞口段頂部及局部洞頂處的為砂質(zhì)新黃土，主要特點(diǎn)是：淺黃色，稍密～中密，土質(zhì)均勻，砂感較強(qiáng)，孔隙率高[4]，具濕陷性，為Ⅳ級（嚴(yán)重）自重濕陷性場地。

砂質(zhì)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)具體如下：

（1）孔隙率大、密度小、透水性好。黃土的滲透性比粒度成分類似的一般細(xì)粒土要強(qiáng)，滲透具有方向性，一般水平方向比垂直方向要弱得多，滲透系數(shù)相差幾倍甚至幾十倍[5]。

（2）含水率較高。含水率在10%～29%之間，飽和度85%～90%之間，呈現(xiàn)硬塑～流塑狀態(tài)。

（3）抗水性差。以粉粒、砂類和親水性弱的礦物為主要成分的黃土，具有大孔結(jié)構(gòu)、天然含水率低的特性[5]。在干燥時可以承擔(dān)一定載荷而變形不大，但遇水浸濕后，土粒黏結(jié)性能顯著減弱，引起結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生濕陷變形，特別是干燥的黃土遇水極易崩解[6]。

（4）黃土濕陷性差異大。由于黃土成因、結(jié)構(gòu)特征及粉粒含量不同，濕陷性差異較大，濕陷性系數(shù)在0.015～0.126，特性可以從不具濕陷性到具有強(qiáng)烈濕陷性。

（5）塑性較小。通過大量試驗(yàn)測得黃土的液限取值范圍通常為23%～33%，塑限取值范圍一般為15%～20%，塑性指數(shù)取值范圍為8～13[7]。

（6）低抗剪強(qiáng)度。自然狀態(tài)下的黃土，黏聚力通常為0.03～0.06 MPa，且隨著黃土含水率的增加，抗剪強(qiáng)度相應(yīng)顯著降低。

2 砂質(zhì)黃土洞口段處治原則

2.1 隧道進(jìn)出洞

隧道進(jìn)出洞按照“早進(jìn)晚出”的設(shè)計(jì)理念，按照“一洞一策”的總體要求針對性地進(jìn)行研究，以不刷坡或少刷坡，盡量保持原地貌為原則，摒棄以往洞口開挖平臺的傳統(tǒng)進(jìn)洞方式，積極推行回填反壓、護(hù)拱暗挖為主的“零開挖進(jìn)洞方式”，確保隧道洞口段山坡穩(wěn)定。

2.2 洞門形式

隧道洞門以削竹式和擋翼端墻并重轉(zhuǎn)變?yōu)閾跻矶藟橹鞯亩撮T結(jié)構(gòu)形式，通過加強(qiáng)背后填土反壓，穩(wěn)定砂質(zhì)黃土仰坡坡腳，確保山體穩(wěn)定。

2.3 溜塌體處理

坡體為結(jié)構(gòu)松散的砂質(zhì)黃土，針對溜塌體一般采用在洞口兩側(cè)的坡腳設(shè)置一定數(shù)量的抗滑樁嵌入基巖一定深度，抗滑樁上施工擋土墻，背后填土反壓。坡面一定范圍設(shè)置框架錨索（錨桿）穩(wěn)定坡體。

2.4 超前加固

考慮洞口段砂質(zhì)黃土結(jié)構(gòu)松散，一般沿拱墻180°范圍施作長度30～40 m 的超前管棚或水平旋噴樁進(jìn)行超前加固。推薦采用施作精度高、咬合度好的水平旋噴樁加固方式，確保拱頂以上形成連續(xù)的承載拱結(jié)構(gòu)，防止地層因失壓而出現(xiàn)坍塌。

2.5 開挖工法

洞口段開挖工法采用三臺階預(yù)留核心土法開挖，臺階的控制長度3～5 m，下臺階帶仰拱一次開挖到位。開挖進(jìn)尺1～2榀鋼架間距，超前支護(hù)采用小50 mm超前小導(dǎo)管，各臺階處采用小42 mm 鎖腳錨桿穩(wěn)定鋼架基腳。及時施作洞口“鎖口圈”，隧道洞口段在開挖長度達(dá)1～1.5 倍洞徑時，初期支護(hù)必須做到全斷面封閉成環(huán)以形成鎖口圈。

3 郝家坪隧道穿越出口段溜塌體治理

郝家坪隧道全長1 184.59 m，最大埋深116.64 m。隧道出口與喬坪村特大橋浩方臺對接，毗鄰省道子安公路，橋臺距離公路路肩僅10 m。地形起伏較大，植被稀疏，出口黃土自然邊坡為30°～60°，表層分布砂質(zhì)新黃土，結(jié)構(gòu)松軟，具有濕陷性，為Ⅳ級自重濕陷性場地，遇水易崩解、坍塌。

3.1 溜塌體概況

隧道出口端70 m 范圍內(nèi)為淺層溜塌體，上部寬15 m、下部寬100 m，平均厚6 m。坡腳因公路局部刷坡清方，常年清理排水溝淤積土，加上雨季沖刷，地表形成多層錯落體和裂縫，最大溜塌錯臺高差8 m，地面裂縫沿錯層環(huán)向分布，寬度2～5 cm。經(jīng)測溜塌面積＞ 4 500 m2，淺層溜塌方量＞ 24 000 m3，溜塌體如圖1 所示。

圖1 溜塌體現(xiàn)狀

3.2 溜塌體防護(hù)

3.2.1 設(shè)計(jì)情況

考慮浩方臺距離公路路肩僅10 m，橋臺及洞口施工無作業(yè)平臺，填筑平臺需占用公路范圍較大，溜塌體邊坡采用刷坡、卸載、清方，可能造成二次溜塌。各方經(jīng)過現(xiàn)場勘驗(yàn)、專家論證、仔細(xì)研討，確定在溜塌體坡腳設(shè)置21 根2.2 m 抗滑樁，樁長12 m，樁間距控制為4 m。改加固樁布置橫斷面圖如圖2 所示。

圖2 溜塌體坡腳抗滑樁布置橫斷面圖

抗滑樁樁頂設(shè)冠梁縱向連接，冠梁尺寸設(shè)為2.2 m×2 m （寬×高），冠梁上部采用高度5.5 m 的鋼筋混凝土擋墻擋護(hù)，擋墻后夯填土石確保溜塌體坡腳及整體穩(wěn)固，坡面采用1 ∶1.25 的骨架護(hù)坡。

3.2.2 現(xiàn)場施工情況

為最大限度地減小對溜塌體坡腳影響，抗滑樁施工前沿作業(yè)區(qū)填筑1.5～2 m 厚黃土，增加成孔虛樁量，避免削坡；樁基采用旋挖鉆成孔，減少成孔暴露時間；合理劃分抗滑樁、冠梁、擋墻施工段，每段長度控制在16 m。

3.3 便道修筑

隧道出口地表起伏較大，洞口與公路面高差達(dá)24 m，洞口施工無作業(yè)平臺，需修筑便道至洞口。為減少便道修筑對砂質(zhì)黃土坡腳影響，按照“不刷坡、少擾動、先擋護(hù)”的施工原則，沿原有地形順擋墻背回填土石進(jìn)行反壓護(hù)坡，形成運(yùn)輸便道。

4 郝家坪隧道穿越出口段施工

為最大限度地減小隧道進(jìn)洞對溜塌體的擾動，坡面采用錨網(wǎng)噴防護(hù)后，洞口超前預(yù)加固采用30 m 長水平旋噴樁，進(jìn)洞采用護(hù)拱暗挖法施工。

4.1 坡面防護(hù)

采用噴錨支護(hù)對隧道洞口臨時邊仰坡及明暗分界直立面進(jìn)行加固，打設(shè)小22 mm 砂漿錨桿，采用梅花形布置，長度為4.0 m，間距為1.5 m×1.5 m；鋪設(shè)小8 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)孔尺寸為25 cm×25 cm；噴射C25 混凝土厚度15 cm。

4.2 水平旋噴樁超前加固

采用水平旋噴樁在拱墻180°范圍內(nèi)進(jìn)行超前加固，旋噴樁長度30 m，樁徑為0.5 m，樁間距0.4 m，咬0.1 m；所有旋噴樁內(nèi)插等長度的小42 mm×5 mm 鋼管，增強(qiáng)旋噴樁抗剪強(qiáng)度。拱墻旋噴樁超前支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 拱墻旋噴樁超前支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

4.3 護(hù)拱暗挖

考慮暗洞開挖上部土層受擾動易滑塌，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，采用護(hù)拱暗挖。先行沿著明暗分界處施作導(dǎo)向墻，沿導(dǎo)向墻反向接長明洞段初期支護(hù)，接著施作100 cm 厚的C35鋼筋混凝土護(hù)拱，澆筑混凝土與圍巖密貼形成上部拱結(jié)構(gòu)。護(hù)拱施作完成后采用三臺階預(yù)留核心土法開挖。

4.4 洞口段開挖

4.4.1 開挖工法

郝家坪隧道洞口段開挖尺寸為跨度11.42 m，高度為11.3 m，采用微三臺階預(yù)留核心土法開挖，如圖4 所示。上臺階高度3.6 m，長度5 m，預(yù)留核心土距頂面高度約1.7 m，核心土長約3 m；中臺階高度3.6 m，長度5 m，下臺階帶仰拱一次開挖成型，循環(huán)進(jìn)尺為1～2榀鋼架間距。在隧道洞口段，當(dāng)開挖長度達(dá)到1～1.5 倍洞徑時，初期支護(hù)必須做到全斷面封閉成環(huán)以形成鎖口圈。

圖4 三臺階預(yù)留核心土法（單位：m）

4.4.2 支護(hù)參數(shù)

超前支護(hù)采用小42 mm×3.5 mm 鋼管，長度為3.5 m，環(huán)向間距為40 cm/根，在拱部120°范圍施工作業(yè)，外插角范圍宜取5°～10°，縱向每隔兩榀鋼架施作一環(huán)；掌子面自穩(wěn)能力較差時，適當(dāng)增設(shè)長度6 m 的小60 mm×5 mm 長導(dǎo)管。全環(huán)采用H230 格柵鋼架，鋼架基腳設(shè)置兩根小42 mm×3.5 mm 鋼管，長度為4 m，每環(huán)設(shè)置根數(shù)為12 根；全環(huán)設(shè)置雙層小8 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm；全環(huán)噴射厚度為30 cm 的C25 混凝土。

4.4.3 施工效果

郝家坪隧道出口段通過快挖快支快封閉成環(huán)，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形收斂得到有效控制（相關(guān)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)見表1），最大地表沉降值24.1 mm，最大拱頂沉降值53.6 mm，最大水平收斂值30.9 mm，均遠(yuǎn)小于變形管理控制總量值要求（地表沉降正常限90 mm、拱頂沉降正常限值75 mm、水平收斂正常限值35 mm），施工安全質(zhì)量可控。

表1 出口段結(jié)構(gòu)體監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

（1）砂質(zhì)黃土隧道洞口段溜塌體施工應(yīng)遵循“不刷坡、少擾動、先擋護(hù)”的原則，坡腳嚴(yán)禁挖方卸載；通過溜塌體坡腳設(shè)置抗滑樁，夯實(shí)回填土石反壓坡腳，最大限度地減小對溜塌體的擾動。

（2）砂質(zhì)黃土溜塌體段采用施作精度高、咬合度好的水平旋噴樁超前加固方式，確保拱頂以上形成連續(xù)的承載拱結(jié)構(gòu)；通過接長明洞段初期支護(hù)，施作護(hù)拱后暗挖。上述措施有效防止了砂質(zhì)黃土因開挖失壓而出現(xiàn)溜塌現(xiàn)象。

（3）采用微三臺階預(yù)留核心土法開挖，通過快挖快支快封閉成環(huán)施工技術(shù)，及早形成洞口鎖口圈，做到有效控制初期支護(hù)變形收斂，確保了砂質(zhì)黃土隧道洞口段的施工安全。