淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工防護技術(shù)研究

孫政

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

按照工程性質(zhì)劃分，隧道可分為橋梁隧道、公路隧道和鐵路隧道三類。以建設(shè)施工難易度評價，橋梁隧道的施工難度最大且最為復雜，其主要的特點表現(xiàn)為建設(shè)跨度大、結(jié)構(gòu)形式多樣、地理環(huán)境復雜等。隧道洞口工程作為整個項目的首要防護工程，是整個橋梁建設(shè)施工中要解決的主要難題。影響大跨度橋梁隧道洞口穩(wěn)定性的因素主要為地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體結(jié)構(gòu)、地下水和施工擾動，其中地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響比較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較脆弱的施工主體很容易發(fā)生隧洞口坍塌[1]。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工安全事故發(fā)生頻率最高，因此，提出淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工防護技術(shù)研究。

1 淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工防護技術(shù)設(shè)計

橋梁和隧道相接主要是指橋梁伸入隧道明洞，其是連接橋梁和隧道起點和終點的結(jié)構(gòu)形式。通過采用橋梁隧道連接施工技術(shù)，可以有效減少隧道進口的土石開挖量，防止隧道進口邊坡滑塌，有效提高了地對地的可靠性，減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。由于橋梁隧道洞口圍巖強度和穩(wěn)定性相對較低，加之開挖過程擾動的影響，進一步削弱了橋梁隧道洞口圍巖的穩(wěn)定性，導致拱頂出現(xiàn)非常大的沉降，在淺埋黏土層進行大跨度隧道施工時，需要充分結(jié)合現(xiàn)場實際情況選擇針對性的施工技術(shù)，確保施工安全和質(zhì)量。

淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工主要是指隧洞口的支護施工項目，支護施工中依據(jù)隧洞口的地質(zhì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，通常采用超前導管支護方式進行洞口防護。過程中需要將導管打入設(shè)計巖層位置，再進行混凝土注漿作業(yè)，待注漿區(qū)域凝結(jié)完成后，即可進行現(xiàn)場檢測，以確定注漿區(qū)域強度是否符合設(shè)計標準，繼而進行后續(xù)的洞口基礎(chǔ)加固作業(yè)。從整體施工技術(shù)應用、施工進度、施工造價及安全性方面分析，該技術(shù)應用效果較好，為工程后期施工建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。

1.1 劃分施工防護區(qū)

由于隧道屬于雙層非分離結(jié)構(gòu)狀態(tài)，且開挖截面也非常高，在開挖過程中會對洞口圍巖造成明顯擾動，使隧道頂板出現(xiàn)沉降。淺埋黏土層區(qū)域穩(wěn)定性比較差，如果開挖速度過快，則會加速巷道頂板的沉降速度，加大隧道塌方的風險。橋梁隧道洞口地表植被數(shù)量不多，雨季施工時，雨水會快速滲透淺埋黏土層，隨著雨水滲透到隧道襯砌結(jié)構(gòu)位置，則會加速襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕速度[2]。

大跨度橋梁隧道洞口施工防護的目的是抵擋洞口兩側(cè)邊坡荷載應力，防止洞口兩側(cè)邊坡巖土下滑而發(fā)生隧洞坍塌，但并不是所有施工區(qū)域都需要進行防護。為提高技術(shù)防護效果，首先需要確定大跨度橋梁隧道洞口的施工防護區(qū)，為后續(xù)防滑柱安裝定位提供依據(jù)。對于施工防護區(qū)的劃分，以荷載應力大于允許應力為準，因此需要對大跨度橋梁隧道洞口進行多個施工區(qū)域的劃分，對每個區(qū)域的允許應力和施工荷載應力進行計算分析[3]。當在橋梁隧道洞口前淺埋黏土層內(nèi)開挖施工后，橋梁隧道洞口圍巖的應力得到重新分布。為深入了解橋梁隧道洞口圍巖應力分布情況，在此引入應力集中系數(shù)概念，該系數(shù)為橋梁隧道洞口開挖施工后某一點的應力值與施工前該點應力值的比值，利用該系數(shù)反映大跨度橋梁隧道洞口施工前后荷載應力變化參數(shù)范圍，系數(shù)越大表示荷載應力越大，大跨度橋梁隧道洞口圍巖應力分布越不均勻，假設(shè)從大跨度橋梁隧道洞口中心到應力影響范圍邊線的距離為荷載應力半徑K，洞口應力變化狀態(tài)是在無線平板中的圓孔，根據(jù)彈性理論分析，得出淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工荷載應力計算公式為：

式（1）中：σ1為淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工荷載應力；k為應力集中系數(shù)；c為大跨度橋梁隧道洞口圍巖的切向應力；r為大跨度橋梁隧道洞口圍巖垂直方向的原巖應力；e為大跨度橋梁隧道洞口圍巖水平方向的原巖應力；w為洞口圍巖施工側(cè)壓系數(shù)；β為大跨度橋梁隧道洞口從水平角算起順時針方向與水平方向應力的夾角；x為大跨度橋梁隧道洞口高度與寬度比值；α為大跨度橋梁隧道洞口水平軸與水平方向應力的夾角[4]。在未受到施工干擾或其他因素影響之前，大跨度橋梁隧道洞口圍巖具有一定的支撐力和抗滑力。因此，洞口自身有一個允許應力，該允許應力隨著淺埋黏土層挖深增加而逐漸減小，根據(jù)動力學原理，大跨度橋梁隧道洞口允許應力為：

式（2）中：σ2為淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口允許應力；h為洞口淺埋黏土層挖深；q為洞口淺埋黏土層挖寬；m為洞口淺埋黏土層深度；g為洞口圍巖重力；γ為洞口邊坡坡度；a為洞口圍巖內(nèi)摩擦力；b為洞口圍巖厚度[5]。利用以上兩個公式計算得出洞口各區(qū)域的荷載應力和允許應力。正常情況下，大跨度橋梁隧道洞口圍巖應力變化范圍是無限的。如果荷載應力沒有超出允許應力的1.5%，則在施工過程中該區(qū)域不會發(fā)生變化；如果超出允許應力的1.5%，該區(qū)域在施工過程中會發(fā)生變化，需要進行重點防護施工，按照該判斷準則再劃分具體的施工防護區(qū)域。

1.2 防護區(qū)防滑柱設(shè)計與安裝

施工過程中因受內(nèi)部因素與外部因素的影響，橋梁隧道洞口的巖土結(jié)構(gòu)容易發(fā)生改變，從而對洞口的應力也造成影響，如果橋梁隧道洞口巖土支撐強度小于洞口應力的變化范圍，即荷載應力大于允許應力，就會影響大跨度橋隧道洞口的穩(wěn)定性，嚴重威脅橋梁隧道洞口施工安全。

在施工防護區(qū)域設(shè)計安裝防滑柱，其作用是支撐橋梁隧道洞口并阻擋兩側(cè)邊坡的土體下滑，一般在安裝之前需要根據(jù)實際情況和各類參數(shù)進行合理設(shè)計。其中，防護區(qū)的荷載應力值實際應為防滑柱的抗壓強度值，防滑柱制作材料一般為混凝土，需要根據(jù)混凝土的力學性能進行測算，以確定防滑柱的截面面積，其計算公式為：

式（3）中：u為混凝土彈性模量；f為防滑柱截面面積；o為防滑柱中混凝土的抗剪強度；n為防滑柱中混凝土的孔隙率；ω為防滑柱中混凝土密度[4]。根據(jù)計算的截面面積確定防滑柱柱體寬度，其計算公式為：

式（4）中：ρ為防滑柱柱體寬度；υ為大跨度橋梁隧道洞口施工防護點到水平地面的距離。防滑柱的安裝施工采用鉆孔工藝，在規(guī)劃的防護區(qū)域范圍內(nèi)進行逐一鉆孔。鉆機采用遞進式自動鉆機，要求提前設(shè)定鉆進速度、鉆孔半徑、鉆進壓力、鉆孔深度等參數(shù)。鉆孔的深度為防滑柱埋設(shè)的深度，該參數(shù)值不能小于防滑柱長度的1/4，同時不能超過防滑柱長度的1/3，否則會影響支擋效果[6]。然后在鉆孔內(nèi)灌注水泥砂漿，將制作好的防滑柱插入鉆孔內(nèi)，利用水泥砂漿將防滑柱進行固定，再將其打入淺埋黏土層基巖以下位置，待達到埋設(shè)深度后即可對鉆孔進行封孔。

1.3 超前排水施工技術(shù)

淺埋層區(qū)域土壤含水量相對較高，會導致橋隧圍巖的穩(wěn)定性降低。為提升隧道開挖效率，施工中擬采用超前排水技術(shù)將相關(guān)區(qū)域內(nèi)的積水及時排除，以提升橋梁隧道洞口圍巖的穩(wěn)固性，避免在隧道開挖過程中圍巖受到擾動而發(fā)生頂板沉降量過大甚至出現(xiàn)塌方險情。淺埋黏土層區(qū)域的滲透系數(shù)相對較大，一旦進行開挖，雨水容易通過黏土層滲透到隧道巷中，可以采取開挖時先對邊線兩側(cè)部位進行開挖，通過設(shè)置止水帷幕有效阻止積水涌入隧道中；在淺埋層區(qū)域設(shè)置排水設(shè)施并科學設(shè)置排水坡度，將黏土層中的積水主動引導到外部，降低黏土層中的積水。實踐表明，通過預埋管道方式排除黏土層中的積水，是提升大跨度橋梁隧道洞口施工質(zhì)量的重要措施。

1.4 洞口預應力錨索錨固

為提高防滑柱的穩(wěn)定性和支擋性，需要對安裝好的防滑柱進行預應力錨索錨固，以加強防滑柱與洞口圍巖之間的有效串聯(lián)，并在其基礎(chǔ)上實施張拉，以增強大跨度橋梁隧道洞口切面相應的摩阻力。防滑柱與橋梁隧道洞口頂部接觸部位為錨索錨固位置（見圖1）。

如圖1所示，對洞口防滑柱錨索錨固和主要原理是借助鉆孔在防滑柱身進行斜插鉆孔，鉆孔需要穿過防滑柱與洞口圍巖，鉆進角度設(shè)定為35～45°，鉆進深度根據(jù)實際情況確定，在鉆孔內(nèi)下錨，錨索由中心支架、鋼絞線、波紋管、灌漿管以及隔離架組成。下錨后利用鋼絞線對錨索進行張拉，在張拉過程中錨索會呈現(xiàn)出回縮，回縮量約為3～4mm，根據(jù)鋼絞線伸縮理論確定錨索張拉力，其計算公式為：

圖1 洞口預應力錨索錨固示意圖

式（5）中：ΔL為錨索張拉力；P為鋼絞線自由段長度；E為鋼絞線彈性模量；S為鋼絞線截面面積[7]。根據(jù)錨索張拉力期望值，控制在錨索張拉過程中鋼絞線自由段長度。錨索拉張完成后，即可在灌漿管內(nèi)注入水泥砂漿并進行封孔作業(yè)，從而起到施工防護效果。

2 試驗論證分析

本試驗以某大跨度橋梁隧道洞口施工項目為對象，該項目隧道最大埋深為175m，隧道長度為2 500m，橋梁跨度為350m，橋梁隧道洞口出口段為淺埋黏土層，埋層約為11～15m，主要由粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土和含黏性土碎石組成，顏色為灰黃色，巖土完整性比較差，隧道洞口施工較容易發(fā)生坍塌事故。試驗利用本設(shè)計技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對該項目隧道洞口施工進行防護，試驗中劃分15個防護區(qū)，共安裝了15個防滑柱。防滑柱高度為1.56m，寬度為0.25m，錨固張拉力為26.14N，鋼絞線自由段長度為15mm。對項目進行防護后，利用IYGY軟件[8]，根據(jù)各施工階段的實際數(shù)據(jù)計算施工安全系數(shù)，并利用電子表格對其進行記錄，得出當施工安全系數(shù)越高時，表示其防護技術(shù)應用的效果越好，并將其作為檢驗兩種技術(shù)實施效果的參考指標，具體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 兩種技術(shù)應用下施工安全系數(shù)對比

由表1可知，應用設(shè)計技術(shù)后大跨度橋梁隧道洞口施工各階段安全系數(shù)均比較高，最小安全系數(shù)為0.958，平均值為0.975，滿足該項目施工安全控制要求。應用傳統(tǒng)技術(shù)后大跨度橋梁隧道洞口施工各個階段安全系數(shù)均比較低，最大安全系數(shù)僅為0.574，不僅低于設(shè)計系數(shù)，而且也沒有達到該項目施工安全要求。因此，試驗結(jié)果證明，設(shè)計技術(shù)安全防護效果優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，在淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工中具有良好的應用前景。

3 結(jié)語

隨著交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，交通設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)不斷完善，橋隧工程已經(jīng)成為交通建設(shè)中的一項重要內(nèi)容。本文根據(jù)施工防護需求，提出了一個新的淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口施工防護思路，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新，對提高淺埋黏土層大跨度橋梁隧道洞口的施工防護技術(shù)水平，降低橋梁隧道洞口施工安全風險具有重要意義，可以為其他橋梁隧道洞口施工防護提供參考。