大跨度富水黃土隧道施工技術(shù)研究

摘"要：本文先分析大跨度覆水黃土隧道施工中的風險，然后以雄忻高鐵山西段楊家莊隧道工程為例，介紹適用于大跨度富水黃土隧道施工的技術(shù)，并簡述加強施工管理的方式。通過分析得知，基于工程項目實際情況，選擇合適的大跨度富水黃土隧道施工技術(shù)，不僅可以加強施工風險點的管控，還能為工程施工質(zhì)量、 效率提高奠定堅實的基礎(chǔ)。希望通過本文研究，為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：大跨度；富水；黃土；隧道施工技術(shù)文章編號：2095-4085（2024）07-0070-03

0"引言

受黃土水敏性、結(jié)構(gòu)特性特殊的影響，在黃土地區(qū)開展隧道施工時，突水、涌泥、變形量過大、塌方等工程災(zāi)害出現(xiàn)概率偏高，不僅阻礙了工程項目的順利推進，還會威脅施工人員的人身安全?，F(xiàn)階段，為保證隧道工程項目施工能夠有序推進，施工方需要將適宜的大跨度覆水黃土隧道施工技術(shù)應(yīng)用于施工，以便保證施工成效。

1"大跨度富水黃土隧道施工的風險點

從整體上看，大跨度富水黃土隧道施工過程也是施工區(qū)域地層內(nèi)應(yīng)力重新分布的過程，在工程項目正式開展前，施工區(qū)域的土體處于天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，在隧道開挖施工進行過程中，施工區(qū)域原有的土體應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，隧道周邊的土體因失去原有支撐而向開挖空洞處位移，隧道圍巖土的相對平衡被打破，施工區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，施工區(qū)域周邊土體顆粒在應(yīng)力的作用下，向周邊流動，隧道圍巖發(fā)生形變，若形變量過大將會出現(xiàn)坍塌這類的工程問題。

2"大跨度富水黃土隧道施工技術(shù)應(yīng)用實例

為保證大跨度富水黃土隧道施工技術(shù)在應(yīng)用過程中，既能保證隧道施工活動的安全性，又能避免施工活動污染地下水，保護周邊的生態(tài)環(huán)境安全，本文以某高鐵隧道工程為例，分析了特大跨度黃土隧道施工活動中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合本次工程項目中隧道圍巖沉降、收斂變形、物理學(xué)參數(shù)等信息變化情況的方式，分析了相應(yīng)施工技術(shù)在本次施工活動中的應(yīng)用效果，并簡述了這一施工技術(shù)在圍巖加固工作中的具體作用機理，以期為后續(xù)大跨度富水黃土隧道施工活動的開展提供技術(shù)支持。

2.1"項目概況

雄忻高鐵山西段楊家莊隧道工程中，大跨度富水黃土隧道形式為雙線單洞，最大開挖高度為13.4m，開挖斷面積約為170m2，參照《鐵路黃土隧道技術(shù)規(guī)范》的要求，可以認為該隧道為特大斷面大跨度黃土隧道。該隧道工程全長5 750.39m，其中DK210+640—DK212+360段長度為1 720m，占總隧道長度的30%，圍巖等級為Ⅴ級，屬于富水軟質(zhì)黃土地段。在地質(zhì)勘察階段可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的第四系孔隙水水位埋深2.0～52.6m （高程1 173.00～1 212.60m），水位變幅3～5m，在施工過程中，該區(qū)域雨季的最大涌水量可達7 950m3，正常涌水量可達4 350m3。

考慮到該隧道施工過程中，DK210+640—DK212+360段的埋深大于35m，且洞身土層為四系中更新統(tǒng)坡洪積層（Q2 dl+pl）老黃土，其中DK210+600-DK211+040 段老黃土塑性指數(shù)（11.86～13.49）黏性較大，含水量（21.57～22.70）較高；DK211+040-DK212+500段老黃土塑性指數(shù)（11.33～11.82）黏性較小，含水量（21.13～21.76）較小，呈蠕動的松軟結(jié)構(gòu)，圍巖位于水位以下。受圍巖形態(tài)主要為軟塑狀、流塑狀的影響，在隧道開挖施工過程中，掌子面的穩(wěn)定性極差，出現(xiàn)大變形、突水突泥、坍塌這類問題的概率較高。同時，受地下水高度較高的影響，在施工過程中，隧道圍巖容易在地下水的浸泡、施工擾動等因素的影響下，出現(xiàn)大規(guī)模變形、沉降現(xiàn)象。為保證本次施工活動的安全性與可靠性，施工前施工單位采取地表井點降水及地表袖閥管注漿加固措施，降低地下水位高度，提高圍巖穩(wěn)定性；在施工一段時間后，施工人員不得不使用混凝土防護擋墻對施工區(qū)進行臨時處理，緩解沉降、塌陷等問題。同時，為保證后續(xù)施工活動的有序進行，施工單位經(jīng)過現(xiàn)場復(fù)核、專家會談后，決定先將洞內(nèi)超前帷幕注漿技術(shù)應(yīng)用于隧道圍巖變形控制工作中，再開展開發(fā)施工活動，以便達到保證本次施工活動安全性與可靠性的目的［1］。

2.2"施工方法

2.2.1"注漿施工要點

為實現(xiàn)DK210+640—DK212+360段隧道施工活動中，圍巖變形、滲水、突水突泥等問題的有效管控，提高開挖施工過程中，周圍巖土的穩(wěn)定性，施工方將帷幕注漿技術(shù)應(yīng)用于本次施工活動的超前預(yù)加固工作當中。具體施工要點如下：

第一，在正式開展帷幕注漿施工活動前，應(yīng)確定注漿加固施工范圍為，洞身拱部邊墻外輪廓線5m的范圍內(nèi)，同時在注漿加固過程中還需要對靠近震動拱頂位置處安排一圈補孔，通過對其進行注漿加固的方式增強洞身的整體穩(wěn)固性。同時，本次施工活動中，洞身縱向一次加固范圍應(yīng)為30m，但這一數(shù)值并不完全固定，工作人員需要在實際施工過程中，應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場的具體情況，對數(shù)值進行適當調(diào)整［2］。

第二，通過試驗可以了解到在本次富水黃土隧道超前帷幕注漿施工活動中，漿液的擴散直徑約為3.6m，結(jié)合隧道洞口的截面面積，施工人員在斷面處共布置了48個注漿孔。

第三，在本次隧道帷幕注漿施工活動中，工作人員采用了鉆桿后退式注漿施工工藝，并在注漿過程中使注，將速度控制在20～90L/min的范圍內(nèi)，注漿壓力控制在4～6M帕之間的方式，避免注漿過程中出現(xiàn)大量氣泡，影響注漿加固操作的可靠性。

第四，在本次施工活動中，孔口管的加工材料為無縫鋼管，加工得到的孔口管長度為1.5m，厚度為6mm，注漿施工過程中，孔口管的埋深為1.2m，并且為使孔口管能夠與隧道周邊圍巖有效結(jié)合到一起，工作人員是需要使用水泥基錨固劑對其進行錨固處理。

第五，本次帷幕注漿施工活動中注漿材料為水泥—水玻璃雙液漿，且注漿液中水與水泥的質(zhì)量比為0.6～0.8∶1.0，水泥與水玻璃的質(zhì)量比為1∶1?？紤]到本次富水黃土隧道施工過程中不同區(qū)域的地下水高度、土體含水率等信息存在一定的差別，為保證注漿施工活動能夠取得良好的加固效果，工作人員可以在施工過程中對注漿液的配比進行微調(diào)。

2.2.2"注漿施工過程

工程項目施工過程中，帷幕注漿階段注漿壓力、注漿量隨時間的變化曲線，隨著時間的增加，注漿壓力先迅速增長，再緩慢增長，然后輕微下降，最后急劇增長；注漿流量則先急劇下降，再緩慢增長，然后緩慢下降，最后急劇下降。對上述變化趨勢的產(chǎn)生原因加以分析，可以了解到在剛開始注漿操作時，受注漿區(qū)域土體裂縫、孔隙較多的影響，注漿區(qū)域的注漿壓力偏低，而注漿速度較快，此時注漿液的填充速度也比較快，但隨著注漿量的增長，注漿區(qū)域的注漿壓力逐步增加，并且在注漿時間達到三小時后，此時土體中的注漿壓力等于設(shè)計壓力，土體在注漿液的影響下逐漸被擠壓。在注漿時間達到十小時后，黃土內(nèi)層的軟弱層被劈裂加固，使得注漿液的流量出現(xiàn)微小增長的現(xiàn)象，此時注漿壓力也達到了一個極高點。此時土體的穩(wěn)定性與密實度大幅度增長。隨后隨著注漿液的繼續(xù)注入，土體中的注漿壓力即便已經(jīng)達到最大設(shè)計壓力，但是注漿液注入量的急劇下降，證明該階段土體已達到密實狀態(tài)，可以停止注漿操作。從總體上看，經(jīng)過18h的注漿操作該區(qū)域土體中的裂隙、孔洞已被完全填充，且土體緊密壓實，土體整體穩(wěn)定性大幅度提高，能夠滿足后續(xù)開挖施工過程中，土體擾動對圍巖穩(wěn)定性的要求［3］。

2.3"施工效果

2.3.1"注漿效果

在帷幕注漿施工活動結(jié)束后，工作人員正式開展隧道開挖施工活動，此時通過對開挖區(qū)域周邊圍巖狀態(tài)加以分析的方式，可以了解到本次帷幕注漿施工活動，使得開挖施工區(qū)域周邊的黃土土體中的孔隙、裂縫被注漿液有效填充，注漿液在黃土土體間呈連續(xù)狀分布。且黃土被擠壓密實，黃土的滲透性大幅度下降。同時，注漿區(qū)域內(nèi)圍巖的含水率有所下降，圍巖的形態(tài)從原本的可塑向硬塑方向轉(zhuǎn)化，圍巖結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性得到了有效增強，隧道開挖施工活動的風險性大幅度下降。

2.3.2"圍巖物理學(xué)參數(shù)的變化

結(jié)合本次開挖注漿施工活動的需要，工作人員分別在上、中、下臺階的不同位置，選取了三組土樣，并對其進行了物理學(xué)參數(shù)實驗分析工作，分析工作注漿前后三處臺階共54組土樣的物理學(xué)參數(shù)變化情況。在帷幕注漿后，注漿區(qū)域的土體物理力學(xué)參數(shù)的極限值與平均值均有所增加，而含水率均值，液性指數(shù)均值均有所下降。因此，可以認為帷幕注漿操作有效改善了大跨度富水土隧道施工區(qū)域的土體物理學(xué)性質(zhì)，降低了圍巖的含水狀態(tài)，提高了圍巖的可塑性與穩(wěn)定性，為后續(xù)隧道開挖施工活動的有序開展提供了可靠的支持。

2.3.3"圍巖變形分析

通過研究可以發(fā)現(xiàn)在帷幕注漿前后，施工區(qū)域圍巖變形情況發(fā)生了明顯改變。具體來說，在帷幕注漿施工活動正式開展前，施工區(qū)域相鄰斷面上臺階開挖后六天變形量基本達到穩(wěn)定值，此時拱頂沉降變形量、拱腰水平收斂變形量、掌子面向洞內(nèi)擠出的變形量分別達到了111.6mm、 46.2mm、 55.4mm。中臺階開挖后五天，邊墻水平收斂變形量、沉降變形量分別達到了123.3mm、 42.6mm，掌子面擠出變形量達到了58.4mm。同時，在掌子面施工21d后，拱頂變形沉降量、邊墻水平收斂變形量和臺階掌子面的擠出變形量，分別達到了251.4mm、 191mm、 123.5mm，遠超相關(guān)施工規(guī)范的要求。此時為保障施工人員的安全，工作人員暫停斷面開挖施工活動，并使用混凝土防護墻對該斷面進行了臨時封閉處理。

在帷幕注漿施工活動完成后，上臺階開挖5d后變形量相對穩(wěn)定，此時，拱頂沉降變形量、拱腰水平收斂變形量、掌子面向洞內(nèi)擠出的變形量分別為56.2mm、 25.3mm、 45.2mm。同時，中臺階開挖后5d邊墻水平收斂量、沉降變形量分別為47.2mm、 22.7mm，中臺階掌子面的擠出變形量為35.0mm。下臺階開挖7d后，工作人員開展拱腳水平收斂變形量測定工作可以發(fā)現(xiàn)，此時的變形量數(shù)值為72.7mm，符合相關(guān)標準要求，工作人員開展仰拱開挖施工活動。在仰拱開挖施工活動進行5d后，隧道斷面變形相對穩(wěn)定，此時進行二次襯砌施工活動，在斷面施工時間達到21d后，可以發(fā)現(xiàn)斷面拱頂沉降量，邊墻水平收斂變形量，上臺階掌子面積處變形量分別為145.6mm、 105mm、 97.2mm。對注漿前后的變形量加以分析，可以了解到，注漿施工后斷面圍巖的穩(wěn)定性大幅度增長、沉降量大幅度降低，并且施工后的開挖穩(wěn)定等待時間有所縮短，這在一定程度上提高了本次施工活動的質(zhì)量與效率。

3"加強大跨度富水黃土隧道施工管理的方法

3.1"加強施工現(xiàn)場的監(jiān)控

在當前的大跨度覆水黃土隧道施工活動中，工作人員需提高對施工區(qū)域監(jiān)控測量工作的關(guān)注度，通過準確掌握隧道圍巖沉降、收斂、支護壓力等參數(shù)，并結(jié)合施工需要對其進行合理調(diào)整的方式，在降低安全風險出現(xiàn)概率的同時，為二次襯砌施工活動的開展提供了可靠的數(shù)據(jù)參照。具體來說，由于當前大跨度黃土隧道開挖過程中，會在富水條件的影響下呈現(xiàn)出極強的崩解性，因此隧道開挖時的立壁性能將會無法滿足施工活動的實際需要。同時，受隧道開挖施工前支護圍巖瞬時彈性位移產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)完全釋放，作用于支護結(jié)構(gòu)上的壓力主要來自圍巖蠕動變形引起的支護變形壓力，因此在圍巖、支護變形趨于穩(wěn)定后，應(yīng)力仍會隨著時間的推移而逐步增加。此時，為滿足二次支護施工活動的需要，工作人員需要結(jié)合自身的工作經(jīng)驗，合理應(yīng)用傳感器、監(jiān)控攝像等設(shè)備，對施工區(qū)域的圍巖應(yīng)力、位移、變形情況加以分析。

3.2"加強隧道施工活動的管理

在大跨度富水黃土隧道施工過程中，首先，施工人員需要加強初期支護工作的管控，并通過緊密銜接仰拱、下導(dǎo)、襯砌等施工工序的方式，保證施工活動的安全性與可靠性。其次，為實現(xiàn)施工階段圍巖變形情況的有效管控，施工人員在將帷幕注漿施工技術(shù)應(yīng)用于隧道開挖施工前期的基礎(chǔ)上，可以在隧道開挖施工過程中使用強支護技術(shù)對圍巖變形情況加以限制，降低隧道內(nèi)土體因應(yīng)力變化而出現(xiàn)坍塌問題的可能性。再次，在隧道開挖施工過程中，若受某些因素導(dǎo)致施工活動無法繼續(xù)進行，工作人員需及時采用合適的措施對工作面進行加固處理，降低黃土斷面在水體的影響下出現(xiàn)軟化沉降這類問題的概率。最后，考慮黃土層的穩(wěn)定性在地下水的影響下極易出現(xiàn)問題，因此，為實現(xiàn)相應(yīng)問題的有效管控，工作人員不僅需要在隧道工程設(shè)計階段，預(yù)留足夠的沉降量，還需要在施工過程中加強對沉降情況的監(jiān)控，并采用加固、支護等措施，保證黃土層的穩(wěn)定性。

4"結(jié)論

總而言之，在開展大跨度富水黃土隧道開挖施工活動時，為降低圍巖滲水，大變形等問題，給施工安全帶來的威脅，工作人員可以在明確施工現(xiàn)場具體情況的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場帷幕注漿施工工藝，提高圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，滿足后續(xù)隧道開挖施工活動的實際需求。

參考文獻：

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