淺埋卵石土層隧道施工工法探究

劉 偉

(中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150000)

隧道施工是現(xiàn)代城市化建設(shè)和交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)之一。在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū),施工過程中會(huì)遇到各種困難,其中之一是遇到卵石土層。卵石土層是指土層中含有較多大小不一的卵石,這些卵石對(duì)傳統(tǒng)的隧道施工工法構(gòu)成了一定的挑戰(zhàn)。因此,研究人員嘗試運(yùn)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,以及環(huán)形開挖預(yù)留核心土法,提高施工效率,降低施工風(fēng)險(xiǎn),推動(dòng)城市交通建設(shè)的進(jìn)步,同時(shí)也為相關(guān)工程提供了有力的技術(shù)支持。

1 淺埋卵石土層隧道施工工法

1.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是一種常用于淺埋卵石土層隧道施工的工法,通過在隧道兩側(cè)開挖導(dǎo)坑,以便控制卵石土層的塌方和坍塌,提供施工的穩(wěn)定性和安全性。

1.1.1 導(dǎo)坑開挖

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的第一步是在隧道兩側(cè)開挖導(dǎo)坑,導(dǎo)坑的作用是控制卵石土層的穩(wěn)定和保護(hù)工人與設(shè)備的安全[1]。導(dǎo)坑的開挖需要遵循以下步驟：

1)確定導(dǎo)坑的寬度和深度,通常根據(jù)隧道設(shè)計(jì)要求和地質(zhì)條件來決定。2)使用適當(dāng)?shù)耐诰蛟O(shè)備,例如挖掘機(jī)或裝載機(jī),從導(dǎo)坑兩側(cè)開始挖掘,逐步向?qū)Э又行目繑n。3)根據(jù)導(dǎo)坑的深度和土層性質(zhì),可能需要采取支護(hù)措施,如噴射混凝土或安裝鋼支撐等。

1.1.2 卵石土層處理

在導(dǎo)坑開挖完成后,需要對(duì)卵石土層進(jìn)行處理,以確保隧道施工的順利進(jìn)行。

1)卵石土層削平。使用挖掘機(jī)或刮板等工具削平導(dǎo)坑底部的卵石土層,確保有足夠的平整基面進(jìn)行后續(xù)施工。2)卵石土層加固。在導(dǎo)坑底部鋪設(shè)一層加固材料,如鋼板或針對(duì)卵石土層設(shè)計(jì)的地面加固網(wǎng),以增強(qiáng)導(dǎo)坑底部的穩(wěn)定性。3)卵石土層中的爆破。對(duì)于較大、較硬的卵石,可能需要使用爆破技術(shù)進(jìn)行破碎,以便更好地控制卵石的粒度和排布。

1.1.3 雙側(cè)壁的施工

導(dǎo)坑開挖和卵石土層處理完成后,可以開始進(jìn)行雙側(cè)壁的施工。具體的施工步驟可能取決于隧道設(shè)計(jì)和施工方法,其具體的施工流程如下：

1)壁面預(yù)制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在導(dǎo)坑兩側(cè)設(shè)置適當(dāng)?shù)哪０寤蜾撃?預(yù)制隧道壁面的混凝土結(jié)構(gòu)。2)澆筑混凝土。在壁面模板設(shè)置完成后,使用攪拌車將混凝土輸送到施工現(xiàn)場(chǎng),通過抹光機(jī)械對(duì)壁面進(jìn)行澆筑和抹平。3)壁面加固。根據(jù)需要,可以在澆筑完混凝土后,使用加固材料或方法增強(qiáng)隧道壁面的穩(wěn)定性。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖示意圖見圖1。

1.2 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法是一種常用于隧道施工的方法,通過在隧道周圍進(jìn)行環(huán)形開挖,并將中間的核心土保留起來,以保持施工現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定和安全。

1.2.1 施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

在開始環(huán)形開挖之前,需要進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備工作。這包括清理現(xiàn)場(chǎng),確保施工區(qū)域無雜物和障礙物;確定施工邊界和標(biāo)記;搭建臨時(shí)工作平臺(tái)和圍護(hù)結(jié)構(gòu),以供工人和設(shè)備操作。

1.2.2 土層勘察和設(shè)計(jì)

在進(jìn)行環(huán)形開挖之前,需要進(jìn)行土層勘察和設(shè)計(jì),了解地質(zhì)條件和土層特性[2]。這包括確定土層的類型、厚度、穩(wěn)定性和含水量等,為后續(xù)施工提供必要的數(shù)據(jù)和參數(shù)。

1.2.3 環(huán)形開挖

環(huán)形開挖是以隧道為中心,沿著環(huán)形軌跡逐步開挖土體。具體步驟如下：

1)確定開挖的環(huán)形軌跡和尺寸,根據(jù)隧道設(shè)計(jì)和地質(zhì)條件進(jìn)行規(guī)劃。2)使用適當(dāng)?shù)耐诰蛟O(shè)備,如挖掘機(jī)或隧道掘進(jìn)機(jī),在環(huán)形軌跡上逐步進(jìn)行土層的開挖,同時(shí)將土體運(yùn)輸出施工區(qū)域。3)開挖過程中需要注意土體的支護(hù)和穩(wěn)定,根據(jù)土層的性質(zhì)和厚度,可能需要采取支護(hù)措施,如噴射混凝土、安裝鋼支撐等,以確保施工現(xiàn)場(chǎng)的安全和穩(wěn)定。

1.2.4 預(yù)留核心土

在環(huán)形開挖過程中,將中間的核心土保留起來,以提供施工現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定性。預(yù)留核心土的具體步驟如下：

1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工進(jìn)度計(jì)劃確定預(yù)留核心土的厚度和形狀。2)在環(huán)形開挖過程中,通過合理的施工方式和支護(hù)措施,將核心土保留在隧道中央。3)保持核心土的穩(wěn)定性,可以通過控制開挖速度、合理設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)施工變形等方式來保證。

2 淺埋卵石土層隧道施工方案選擇

2.1 工程概況

富佑隧道全長(zhǎng)1 979.61 m,起訖里程為：DK269+133—DK271+112.61,隧道最大埋深306.37 m,出口埋深6 m～23.7 m。相關(guān)工作人員經(jīng)過勘探,確定該地區(qū)存在淺埋卵石土層,為確保施工能夠順利進(jìn)行,相關(guān)工作人員提出使用淺埋卵石土層隧道施工技術(shù),或者環(huán)形開挖預(yù)留核心土技術(shù)[3]。在此基礎(chǔ)上,研究人員嘗試構(gòu)建淺埋卵石土層隧道數(shù)值模型,通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)上述兩種施工技術(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比,以期在保障施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上,縮短施工時(shí)間,壓縮施工成本。

2.2 隧道參數(shù)設(shè)定

本次研究中,相關(guān)工作人員運(yùn)用Midsa/GTS NX軟件構(gòu)建淺埋卵石土層隧道模型,基于真實(shí)的施工階段以及施工需求,輸出相應(yīng)的模擬數(shù)據(jù),其具體流程如圖2所示。

研究人員通過實(shí)地勘探,發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目隧道洞身頂部為卵石土層,且周圍巖體為強(qiáng)風(fēng)化巖。基于這一實(shí)際情況,施工人員決定先運(yùn)用預(yù)加固技術(shù)對(duì)巖體進(jìn)行固定,再使用環(huán)形開挖預(yù)留核心工藝進(jìn)行隧道掘進(jìn)作業(yè)。其具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

2.3 基本假定

模型使用了等效小導(dǎo)管加固區(qū)以及等效噴混,代表超前導(dǎo)管注漿與初支的實(shí)際效果。本次研究中,模型中構(gòu)建的卵石土層以及片巖,分別采用了摩爾-庫侖模型和桿單元模型來表示。在該模型中,土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用線性彈性的Hooks定律來表示。該模型可以分析土體的應(yīng)力分布、孔隙水壓力以及土體的變形、沉降等力學(xué)性質(zhì)。由于該模擬只涉及隧道上部的淺埋層,因此暫時(shí)不考慮構(gòu)造應(yīng)力所產(chǎn)生的影響,只需考慮自重應(yīng)力對(duì)地層的作用即可。基于該前提,研究人員選取了一段長(zhǎng)度為70 m的淺埋隧道段進(jìn)行仿真模擬。該模型中,隧道段的上部屬于卵石土層,洞身四周為片巖結(jié)構(gòu)。掘進(jìn)作業(yè)過程中,擾動(dòng)范圍為隧洞直徑的3倍～5倍(見圖3)。

3 施工方法對(duì)比分析

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法,通過在隧道周圍進(jìn)行環(huán)形開挖并預(yù)留核心土,來維持施工現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定性。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法則通過在隧道兩側(cè)開挖導(dǎo)坑,來控制卵石土層的穩(wěn)定和保護(hù)工人與設(shè)備的安全。兩種方法在處理土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)上有所不同,環(huán)形開挖預(yù)留核心土法更注重保持現(xiàn)場(chǎng)的整體穩(wěn)定性,而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更側(cè)重于控制土層的坍塌和塌方。本次研究中,相關(guān)工作人員根據(jù)具體的地質(zhì)條件、隧道尺寸和施工要求等指標(biāo),基于豎直位移、水平位移兩個(gè)維度,對(duì)上述兩種施工方法的施工效果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?最終選擇更為適宜的施工方法。

3.1 豎直位移對(duì)比

豎向位移云圖對(duì)比圖見圖4。

分析上圖可以發(fā)現(xiàn),第一種施工方法拱頂部位的位移最大值為38.913,第二種方法拱頂位置的垂直移動(dòng)最大值為30.111 mm,由此可以看出,在豎直位移方面,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)于土體的擾動(dòng)更小,更能夠保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 水平位移對(duì)比

水平位移云圖對(duì)比圖見圖5。

分析圖5可以發(fā)現(xiàn),采用第一種方法后,隧道周圍巖體結(jié)構(gòu)的水平位移最大值為22.137 mm,采用第二種方法后,隧道周圍巖體結(jié)構(gòu)的水平位移最大值為15.687 mm,由此可以看出,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)于隧道周圍巖體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)較弱[4]。綜合考慮豎直位移與水平位移效果,研究人員決定采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開展掘進(jìn)作業(yè)。

4 施工技術(shù)要點(diǎn)及核心技術(shù)分析

4.1 施工流程

首先,在開始施工之前,施工人員通過詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查與勘察,了解施工地區(qū)卵石土層的力學(xué)性質(zhì)、排水性能、顆粒率等參數(shù),這對(duì)施工過程中的導(dǎo)坑設(shè)計(jì)和巖體穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。此外,還可以確定與卵石土層相關(guān)的地下水位、地下水化學(xué)成分等重要信息,以便在施工過程中采取相應(yīng)的措施。

其次,導(dǎo)坑設(shè)計(jì)尺寸決定了導(dǎo)坑的寬度和深度,對(duì)施工的安全和效率有著重要影響。導(dǎo)坑的寬度應(yīng)該足夠?qū)捯匀菁{導(dǎo)坑機(jī)械和設(shè)備的運(yùn)行,并且必須留有一定的安全間距。通常建議在設(shè)計(jì)導(dǎo)坑寬度時(shí)考慮導(dǎo)坑機(jī)械和設(shè)備的尺寸、操作空間與施工通道的需求。導(dǎo)坑的深度應(yīng)達(dá)到卵石土層的穩(wěn)定范圍,一般取卵石土層厚度的1.5倍左右。通過明確導(dǎo)坑的深度,可以確保卵石土層在施工過程中不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)、滑動(dòng)或塌方,保障施工的安全和順利進(jìn)行。

最后,導(dǎo)坑的開挖通常分為兩個(gè)階段進(jìn)行。一方面,開挖導(dǎo)坑的上部,這樣可以確保導(dǎo)坑機(jī)械和設(shè)備的安全通行。在這一階段,需要特別注意保護(hù)導(dǎo)坑的邊緣,以防導(dǎo)坑側(cè)壁的塌方和坍塌。另一方面,開挖導(dǎo)坑的下部。在這一階段,需要控制導(dǎo)坑側(cè)壁的坡度和穩(wěn)定,以確保施工現(xiàn)場(chǎng)的安全。為了防止導(dǎo)坑側(cè)壁的滑動(dòng)或崩塌,可能需要采用支護(hù)結(jié)構(gòu),如噴射混凝土、錨桿和網(wǎng)格等。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件和導(dǎo)坑的尺寸要求進(jìn)行,以提供足夠的支撐和穩(wěn)定性。

此外,在進(jìn)行雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工時(shí),施工人員需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和安全規(guī)范執(zhí)行施工步驟,并進(jìn)行必要的質(zhì)量控制和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),以保證施工質(zhì)量和施工過程的安全性。

4.2 核心技術(shù)

4.2.1 巖體穩(wěn)定性分析

通過對(duì)卵石土層的巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)定和分析,可以獲得關(guān)鍵的力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù),如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等。這些參數(shù)可以用于計(jì)算卵石土層在導(dǎo)坑開挖過程中的穩(wěn)定性。本次研究中,工作人員引入摩爾-庫侖準(zhǔn)則,基于土體的剪應(yīng)力強(qiáng)度特征,其計(jì)算公式見式(1)：

(1)

其中,Fs為土體的穩(wěn)定系數(shù);τ為剪應(yīng)力;σ為土體的正應(yīng)力;c為土體的黏聚力;σn為法向應(yīng)力;σnx為x方向的正應(yīng)力;φ為土體的內(nèi)摩擦角。通過計(jì)算穩(wěn)定系數(shù),可以判斷卵石土層是否適合采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。

4.2.2 導(dǎo)坑開挖控制

在導(dǎo)坑開挖過程中,需要采用合適的掘進(jìn)方式和施工參數(shù),以控制土體的下沉和位移,防止導(dǎo)坑側(cè)壁的坍塌和塌方?？刂茖?dǎo)坑開挖的施工參數(shù)包括挖掘速度、施工順序、支護(hù)時(shí)間等。通過合理地控制這些參數(shù),可以減少土體的變形和位移,保持導(dǎo)坑的穩(wěn)定性[5]。此外,還需要在施工過程中注意監(jiān)測(cè)導(dǎo)坑側(cè)壁的變形和位移情況,及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)以確保施工的安全性。

4.2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)巖體特性和導(dǎo)坑的尺寸,需要設(shè)計(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu),以提供足夠的支撐和穩(wěn)定性。支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式和材料。常用的支護(hù)方式包括噴射混凝土、錨桿和網(wǎng)格等。設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮導(dǎo)坑側(cè)壁的坡度、土體的性質(zhì)和導(dǎo)坑開挖的深度等因素。此外,支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工時(shí)機(jī)和方法也需要進(jìn)行合理的安排。與導(dǎo)坑開挖步驟相結(jié)合,確保支護(hù)結(jié)構(gòu)能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行施工,提供足夠的支撐和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本次研究中,研究人員通過施工前期調(diào)查和巖體穩(wěn)定性分析,確定施工前的地質(zhì)情況和巖體力學(xué)參數(shù),為施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。導(dǎo)坑設(shè)計(jì)尺寸的確定、導(dǎo)坑開挖控制和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理實(shí)施,都對(duì)施工的安全和順利進(jìn)行起著關(guān)鍵作用。未來,對(duì)淺埋卵石土層隧道施工工法的研究還有許多方向可以探索。

一方面,可以在巖體穩(wěn)定性分析中引入更先進(jìn)的數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)方法,提高分析的準(zhǔn)確性;另一方面,可以研究并優(yōu)化導(dǎo)坑開挖控制和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的施工參數(shù)和手段,進(jìn)一步提高施工效率和安全性。此外,隨著科技的發(fā)展,機(jī)械化施工和自動(dòng)化技術(shù)在淺埋卵石土層隧道施工中的應(yīng)用也值得關(guān)注。機(jī)械化設(shè)備的改進(jìn)和創(chuàng)新,以及智能化施工技術(shù)的推進(jìn),可以提高施工效率,減少人力投入,并降低施工風(fēng)險(xiǎn)。