黃土連拱隧道施工技術(shù)的應(yīng)用

黃偉平

（廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510400）

0 引言

我國(guó)西北地區(qū)黃土分布廣泛，黃土土質(zhì)疏松，其巖土體在無(wú)地下水的情況下具有較好的壁立性，但遇水后極易膨脹、剝落、坍塌。黃土材料在天然狀態(tài)下含水量低，天然容重小，空隙大。新老黃土在力學(xué)性質(zhì)及土體抗擾動(dòng)性方面存在較大差異，在黃土地質(zhì)條件下修建隧道，對(duì)于設(shè)計(jì)及施工方面也有更高要求。雙連拱隧道形式在我國(guó)部分高速公路工程中已有應(yīng)用，雙連拱隧道工序多、工期長(zhǎng)、技術(shù)要求及造價(jià)高，圍巖應(yīng)力、襯砌荷載轉(zhuǎn)換均十分復(fù)雜，在黃土地質(zhì)條件下建設(shè)雙連拱隧道的情況也較為少見(jiàn)，如何保證黃土地質(zhì)條件下雙連拱隧道施工質(zhì)量是公路工程領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)探討的問(wèn)題。

1 工程概況

某高速公路是青銀國(guó)道主干線的重要路段，也是國(guó)家五縱七橫公路網(wǎng)規(guī)劃中的重要部分，起訖樁號(hào)K110+850—K111+030段穿越一黃土梁，最大挖深達(dá)到45.8m，為減少避讓占地面積，降低對(duì)周圍居民生活環(huán)境的干擾，采用隧道穿越黃土梁的方式。黃土梁附近房屋較多、溝谷狹窄、地形復(fù)雜，在小范圍內(nèi)設(shè)置兩個(gè)洞口較難實(shí)現(xiàn)，洞口段路線平面設(shè)置也存在較大難度。該黃土梁地段主要為黃土丘陵地形地貌，巖性特征則表現(xiàn)為第三系粉質(zhì)黏土和第四系沖洪積粉土。經(jīng)綜合比較，最終采用連拱隧道設(shè)計(jì)形式，隧道長(zhǎng)180m，其中進(jìn)出口明洞和暗洞長(zhǎng)度分別為8m、6m和166m，隧洞內(nèi)雙車道設(shè)計(jì)，單洞寬10.7m，行車道寬7.5m，左右跨度25m。連拱隧道進(jìn)出口均位于沖溝中，埋深淺，且隧道斜穿黃土梁，進(jìn)出口圍巖覆蓋層均較薄，地勢(shì)左高右低，偏壓特征十分明顯。隧道進(jìn)口均為端墻式洞口形式，隧道進(jìn)出口分別位于直線段和緩和曲線上，縱斷面坡度為-0.5%。

該連拱隧道圍巖等級(jí)全部為Ⅴ級(jí)，K110+850—K110+943段稍密-中密粉土狀圍巖最大埋深34.5m，K110+943—K111+030段硬塑-堅(jiān)硬狀粉質(zhì)黏土圍巖最大埋深48.4m，以上圍巖段在開(kāi)挖施工期間均存在變形及塌方的可能。出口K110+025—K111+030段地表覆蓋厚度僅為13.5m，為此必須加強(qiáng)地質(zhì)勘查，加強(qiáng)洞頂防排水、邊仰坡處理，并加強(qiáng)管棚、超前支護(hù)、隧道拱頂沉降以及周邊位移收斂量測(cè)。

該黃土連拱隧道是我國(guó)西北地區(qū)首座黃土雙連拱隧道工程，淺埋偏壓特征明顯，在理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面均存在不足?？紤]到黃土連拱隧道地質(zhì)條件及受力形態(tài)均較為特殊，必須加強(qiáng)施工影響因素分析、施工過(guò)程控制及監(jiān)控量測(cè)，全面掌握地面及隧洞內(nèi)部位移形態(tài)以及黃土連拱隧道結(jié)構(gòu)受力形態(tài)和變形機(jī)理，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不斷修正設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工序，為我國(guó)黃土地區(qū)雙連拱隧道施工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。該黃土連拱隧道特殊的地質(zhì)條件和受力特征決定了其應(yīng)按照新奧法原理設(shè)計(jì)[1]，先開(kāi)挖中導(dǎo)洞，再施工中墻混凝土、回填拱頂；初期支護(hù)主要以噴錨網(wǎng)和鋼架為主，二襯則依據(jù)圍巖等級(jí)分別采取素混凝土襯砌或鋼筋混凝土襯砌；為保證施工安全，該雙連拱隧洞采用中導(dǎo)洞、雙側(cè)壁的中導(dǎo)洞開(kāi)挖技術(shù)，因存在偏壓影響，故先施工左洞，再施工右洞，以保證山體壓力平衡。

2 黃土連拱隧道施工影響因素

2.1 土體強(qiáng)度及自由水滲透

該連拱隧道黃土抗剪強(qiáng)度主要取決于圍巖結(jié)構(gòu)、孔隙水壓力、應(yīng)力變化及土體密度。根據(jù)庫(kù)倫方程，土體含水量越大，土粒之間的黏結(jié)性越??；土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低，黏聚力也越小，土體抗剪強(qiáng)度也就越低。向飽和土體施加一定壓力后土體應(yīng)力便會(huì)分解為土粒間有效應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分，土體抗剪強(qiáng)度的大小主要取決于土粒間的有效應(yīng)力。

在隧道施工前，黃土內(nèi)裂隙水基本處于封閉環(huán)境和平衡靜止?fàn)顟B(tài)，且無(wú)滲流現(xiàn)象發(fā)生。而開(kāi)挖施工后，巖土裂隙水便會(huì)因喪失支撐環(huán)境而形成水力坡度，打破原有的地下水靜力平衡狀態(tài)[2]。一旦新的水力坡度超出黃土土體起始坡度，地下水便會(huì)發(fā)生流動(dòng)、溶蝕和滲透，從而帶走土體中的可溶性礦物及細(xì)小顆粒，引發(fā)黃土崩解破壞、滲透變形，臨空面也會(huì)因失衡而變形和坍塌。

2.2 施工擾動(dòng)及應(yīng)力分布

天然狀態(tài)下的黃土存在一定程度的結(jié)構(gòu)聯(lián)系并處于平衡狀態(tài)，開(kāi)挖施工會(huì)造成土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)及破壞，強(qiáng)度也隨之降低。開(kāi)挖施工還會(huì)打破原天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，使周邊土體因失去支撐而向洞室空間松脹位移，造成黃土結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力重新分布，原天然土體應(yīng)力大小、屬性及方向均隨之改變。這一過(guò)程中土體顆粒流動(dòng)方向也會(huì)重新分布，開(kāi)挖面四周土體產(chǎn)生位移，圍巖發(fā)生變形。

2.3 施工工藝選擇

黃土連拱隧道施工工藝選擇不當(dāng)也會(huì)引發(fā)黃土結(jié)構(gòu)變形及塌陷，例如未及時(shí)噴漿封閉使循環(huán)施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致土體長(zhǎng)時(shí)間暴露；坡腳淤泥和積水未及時(shí)清除，使得拱腳處圍巖軟化，若噴漿達(dá)不到設(shè)計(jì)密實(shí)度，則拱腳承載力將大幅降低；鋼筋網(wǎng)未與圍巖緊密貼合，在噴漿密實(shí)度不足的情況下，初支結(jié)構(gòu)和圍巖之間便存在空隙；超前管棚支護(hù)體系外插角度過(guò)大會(huì)引起局部坍塌，過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致管棚侵占隧道凈空而影響施工；臺(tái)階長(zhǎng)度設(shè)置不合理就會(huì)造成上下臺(tái)階施工過(guò)程的互相干擾，延長(zhǎng)上臺(tái)階拱腳懸空時(shí)間，引發(fā)隧道變形及塌方。

3 黃土連拱隧道施工要點(diǎn)

3.1 導(dǎo)洞洞口開(kāi)挖

該黃土連拱隧道采用環(huán)狀開(kāi)挖預(yù)留核心土的方式進(jìn)行Ⅴ類圍巖導(dǎo)洞開(kāi)挖。在拱部施作超前小導(dǎo)管，此后在中導(dǎo)洞拱部環(huán)狀開(kāi)挖預(yù)留核心土，進(jìn)行上坑道初期支護(hù)，下導(dǎo)坑和上坑道至少錯(cuò)開(kāi)5.0m的距離，按照5.0m的開(kāi)挖進(jìn)尺挖除2.0m核心土，預(yù)留3.0m核心土。

Ⅴ類圍巖上部通過(guò)人工方式開(kāi)挖，對(duì)于零星存在的孤石及巖塊，應(yīng)由人工利用風(fēng)鎬挖除，中部則從拱頂開(kāi)始向下2.0m預(yù)留核心土。Ⅴ類圍巖上部環(huán)向開(kāi)挖施工前，應(yīng)先進(jìn)行開(kāi)挖輪廓線放樣，預(yù)留沉降量和襯砌臺(tái)車擴(kuò)大量設(shè)計(jì)值分別為15cm和5cm，在輪廓線放樣后沿著開(kāi)挖輪廓線噴油漆標(biāo)識(shí)。Ⅴ類圍巖上部環(huán)向開(kāi)挖后立即進(jìn)行拱部初支。中導(dǎo)洞環(huán)向土體開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1.0～1.5m，且當(dāng)縱向開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到5.0～6.0m水平后，通過(guò)挖掘機(jī)開(kāi)挖核心土，且將每循環(huán)核心土長(zhǎng)度嚴(yán)格控制在3.0m。

導(dǎo)洞洞口Ⅴ類圍巖下部土體開(kāi)挖則采用人工和挖掘機(jī)結(jié)合的方式，先由挖掘機(jī)將邊墻開(kāi)挖，并在周邊預(yù)留出厚度20～30cm的土體后再通過(guò)人工方式修整。結(jié)合工程實(shí)際采用整幅或半幅方式開(kāi)挖仰拱部位，為避免發(fā)生邊墻內(nèi)擠，還應(yīng)按照1.5～2.0m間隔在兩側(cè)墻腳處增設(shè)橫撐頂緊裝置，同時(shí)按照跳槽方式開(kāi)挖。仰拱開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)底部標(biāo)高控制，防止出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象，并在開(kāi)挖結(jié)束后及時(shí)施作下部初支，確保盡早成環(huán)。

3.2 中導(dǎo)洞初支

該黃土連拱隧道初支主要采用Ⅰ16工字鋼及鋼筋網(wǎng)片、藥卷錨桿和早強(qiáng)混凝土，進(jìn)洞初期由于Ⅴ類圍巖自穩(wěn)性不良，發(fā)生塌方的可能性較大，故將直徑22mm的拱架鎖腳錨桿二級(jí)鋼筋調(diào)整為2根直徑42mm、壁厚4mm的小導(dǎo)管，以達(dá)到增強(qiáng)拱架受力并控制拱頂沉降的目的。因該黃土連拱隧道洞口埋深淺，開(kāi)挖施工后拱頂沉降量監(jiān)測(cè)值僅為3mm/d，且存在局部土塊掉落現(xiàn)象，故在實(shí)地勘查及多方論證的基礎(chǔ)上將Ⅴ類圍巖段拱架間距調(diào)整為75cm，調(diào)整后，在開(kāi)挖支護(hù)的過(guò)程中土塊掉落問(wèn)題得到有效遏制。通過(guò)C25噴射混凝土將拱架和開(kāi)挖輪廓線之間的全部間隙填充密實(shí)，噴射次序?yàn)楣凹芎洼喞g隙→拱架周圍→拱架之間。

3.3 中隔墻基底處理

在中導(dǎo)洞貫通后中隔墻施工前，應(yīng)進(jìn)行中隔墻試驗(yàn)檢測(cè)，洞口段50cm長(zhǎng)度內(nèi)全部檢測(cè)，此后的洞口段以及洞身段分別按照5.0m和10.0m間距設(shè)置測(cè)點(diǎn)，通過(guò)輕型觸探法檢測(cè)基底承載力[3]。檢測(cè)結(jié)果顯示，中隔墻基底承載力無(wú)法達(dá)到180kPa的設(shè)計(jì)要求，而且起訖樁號(hào)K110+898—K110+966段基底含水量較大，屬于粉質(zhì)黏土地層，潛在危害較大，提出以下兩種地基換填加強(qiáng)處理方案。

方案一：從下往上分別用1.0m厚的C15片石混凝土、0.5m厚的C25混凝土換填中隔墻基底以下1.5m深度范圍內(nèi)的粉質(zhì)黏土，換填寬度為4.7m；施工過(guò)程中按照80cm×80cm間距及梅花形布設(shè)250cm長(zhǎng)的?42×4mm小鋼管。待完成換填施工后及時(shí)回填50cm厚度的素混凝土。

方案二：從下往上分別用1.5m厚的石渣、0.5m厚的C25混凝土換填中隔墻基底以下2.0m深度范圍內(nèi)的粉質(zhì)黏土，并分三次壓實(shí)石渣。在具體處理過(guò)程中因石渣回填后需進(jìn)行壓實(shí)處理，故基坑將長(zhǎng)時(shí)間外露，石渣壓實(shí)施工還會(huì)對(duì)圍巖造成較大擾動(dòng)。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)，樁號(hào)K110+998—K111+002段基底換填施工過(guò)程中導(dǎo)洞初支沿拱架出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

綜合比較所提出的兩種基底粉質(zhì)黏土換填施工方案，雖然方案二在施工成本方面優(yōu)于方案一，但方案二施工過(guò)程中基坑外露時(shí)間長(zhǎng)、圍巖擾動(dòng)明顯，故最終按照方案一進(jìn)行換填處理。

3.4 主洞開(kāi)挖

完成中隔墻處基底加固處理后及時(shí)進(jìn)行中隔墻施工，考慮到隧道安全，在中隔墻施工60m長(zhǎng)度后隨即開(kāi)始主洞施工，主洞施工因任務(wù)重、工期緊，故經(jīng)地質(zhì)情況分析及多方論證后將原側(cè)壁導(dǎo)坑法主動(dòng)施工方案變更為預(yù)留核心土三臺(tái)階工法，主洞開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格控制開(kāi)挖長(zhǎng)度，加強(qiáng)地下水監(jiān)控，并在隧道內(nèi)增設(shè)臨時(shí)排水。單洞初支及襯砌施工期間因中墻厚度較薄，并承受著單洞初支及襯砌所施加的偏壓力，必須在中墻兩側(cè)通過(guò)工字鋼支撐加固，避免中墻發(fā)生側(cè)向位移和傾覆。

4 監(jiān)控量測(cè)

該黃土連拱隧道施工必測(cè)項(xiàng)目主要有地質(zhì)情況、支護(hù)、周邊收斂位移、拱頂沉降；選測(cè)項(xiàng)目則主要有圍巖內(nèi)部位移量、錨桿內(nèi)力、裂縫、襯砌應(yīng)力、圍巖壓力、層間支護(hù)、鋼支撐應(yīng)力等。隧道施工過(guò)程中根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，預(yù)防塌方等事故的發(fā)生，保證黃土連拱隧道施工質(zhì)量。

4.1 中墻受力監(jiān)測(cè)

中墻在黃土連拱隧道開(kāi)挖施工中起到受力主體的作用，其受力情況復(fù)雜，甚至存在偏心受力，為保證施工過(guò)程的安全，必須實(shí)施中墻內(nèi)部受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以明確中墻所承受圍巖、初支荷載傳遞情況以及中墻鋼筋應(yīng)力狀態(tài)。中墻內(nèi)部檢測(cè)儀器埋設(shè)情況具體見(jiàn)圖1。K111+001斷面中墻壓力時(shí)程曲線見(jiàn)圖2。

圖1 中墻內(nèi)部檢測(cè)儀器埋設(shè)情況

圖2 K111+001斷面中墻壓力時(shí)程曲線

根據(jù)中墻壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果，K111+001斷面中墻壓力取值最大僅為0.61MPa，主要原因在于該斷面埋深淺。此外，該斷面中墻鋼筋應(yīng)力值也較小，說(shuō)明中墻中間位置的鋼筋應(yīng)力比中墻兩側(cè)鋼筋應(yīng)力大，且鋼筋設(shè)置數(shù)量和位置均較為合理。

4.2 中隔墻基底處理后監(jiān)控量測(cè)

該黃土連拱隧道Ⅴ類圍巖工程屬性較差，必須加強(qiáng)施工期間拱頂沉降、周邊收斂位移等的監(jiān)測(cè)，拱頂沉降主要采用精度0.1mm的DS05精密水準(zhǔn)儀監(jiān)控量測(cè)，隧道周邊收斂位移量則通過(guò)精度0.1mm的JSS30A數(shù)顯收斂計(jì)量測(cè)。樁號(hào)K110+870—K110+910段監(jiān)控量測(cè)結(jié)果具體見(jiàn)表1、表2。

表1 黃土連拱隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2 黃土連拱隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

采用方案一進(jìn)行中隔墻基底換填加固處理后，該黃土連拱隧道拱頂沉降、周邊收斂變形位移變動(dòng)趨勢(shì)均較小，隧道拱頂及周邊圍巖處于緩慢變形階段，且該方案實(shí)施并未對(duì)中導(dǎo)洞圍巖穩(wěn)定性造成較大擾動(dòng)，隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

在采取本文所提出的施工技術(shù)后，該黃土連拱隧道克服了淺埋偏壓、沖溝、陷穴等不良地質(zhì)，成功在黃土圍巖地質(zhì)條件下修筑起兩車道連拱隧道。為便于采取中隔墻等雙連拱隧道穩(wěn)定措施，保證黃土連拱隧道施工質(zhì)量，中導(dǎo)洞應(yīng)非對(duì)稱布置；中隔墻施工應(yīng)在導(dǎo)洞全洞貫通后進(jìn)行，且中隔墻和正洞應(yīng)錯(cuò)開(kāi)一定距離后平行施工。隧道正洞因承受著來(lái)自右側(cè)的偏壓，應(yīng)先施工左側(cè)正洞；連拱隧道對(duì)稱開(kāi)挖比非對(duì)稱開(kāi)挖更易于控制中墻變形。本工程施工過(guò)程中取得的成功經(jīng)驗(yàn)可為我國(guó)黃土連拱隧道施工提供借鑒。