朱義嘉
(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司,河北 三河 065201)
黃土作為一種特殊的巖土,在其中進(jìn)行隧道開挖作業(yè)時(shí),特別需要考慮黃土的濕陷性及垂直節(jié)理導(dǎo)致的沉降問題[1][2],尤其在淺埋地段,往往容易發(fā)生因沉降過(guò)大導(dǎo)致黃土中出現(xiàn)裂縫貫通至地表,引起整個(gè)黃土邊坡的失穩(wěn)。本文以寶蘭客專蘭山隧道為例,對(duì)隧道洞口段的總體施工方案進(jìn)行介紹,并針對(duì)在施工過(guò)程中出現(xiàn)的沉降過(guò)大導(dǎo)致襯砌裂縫及地表裂縫的問題,分析其原因,通過(guò)反壓墻控制邊坡滑移,采用仰拱緊跟及三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法控制隧道拱部沉降等一系列措施,保證洞口段的正常施工,總結(jié)了針對(duì)黃土隧道洞口段的施工方案,為相似隧道施工提供參考。
寶蘭客運(yùn)專線蘭山隧道位于甘肅省蘭州市南側(cè)皋蘭山腹地,隴西黃土高原梁峁區(qū)。隧道起止里程為DK1022+880~DK1028+332,全長(zhǎng)5 452.8m,為雙線隧道。隧道洞身最大埋深470m,進(jìn)口段2 540m位于直線上,其余段落位于半徑為8 000m的曲線上。隧道洞身全部為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖,其中Ⅳ級(jí)圍巖3 368.8m,Ⅴ級(jí)圍巖2 084m。
隧道地處隴西黃土高原西北部,地形起伏較大,位于黃土高原梁峁、溝壑區(qū),地面高程1 620~2 140m,相對(duì)高差100~570m,自然坡度為20°~45°。區(qū)內(nèi)黃土梁峁起伏,溝壑縱橫,多呈“V”型。黃土梁峁區(qū)頂部為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土,洞身主要為沖積砂質(zhì)黃土及第三系泥巖夾砂巖及礫巖,局部為碎石類土。隧道洞身地段沒有大的構(gòu)造地形,只是受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上升的影響,形成了溝壑、梁、峁相間的黃土山地地貌形態(tài)。特殊巖土主要為濕陷性黃土、松軟土及膨脹土,濕陷土層厚度50~80m不等;砂(黏)質(zhì)黃土屬松軟土,層厚10~15m。
蘭山隧道出口段地表成臺(tái)階形式,埋深為10~20m,開挖揭示地質(zhì)特征為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土。淺黃色、土質(zhì)均勻,成分以粉粒為主,可見蟲孔及針狀空隙,砂感明顯,多能形成陡立邊坡土體自穩(wěn)性較差,稍濕(含水率15%左右),中高壓縮性,自重濕陷性Ⅳ級(jí),地基承載力較低。掌子面中部、下部土體陷穴發(fā)育,洞徑最大達(dá)2m。
蘭山隧道出口原設(shè)計(jì)設(shè)置23m明洞,在明暗交界處DK 1 028+309打設(shè)φ108超前長(zhǎng)管棚,L=30m,打設(shè)范圍為拱部144°。暗洞采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行開挖,上臺(tái)階預(yù)留核心土。DK 1 028+279~DK 1 028+309洞口淺埋黃土段設(shè)計(jì)采用Ⅴe支護(hù)斷面,具體支護(hù)參數(shù)為:Ⅰ25a型鋼拱架支護(hù)、間距0.6m;超前支護(hù)為φ108大管棚+φ42超前小導(dǎo)管;φ8鋼筋網(wǎng)、網(wǎng)格尺寸20×20cm;墻部設(shè)φ22系統(tǒng)砂漿錨桿、長(zhǎng)L=4m、C25噴射混凝土厚度35cm。洞口段施工按照明挖段邊仰坡開挖防護(hù)、管棚施做、明挖段落底,洞口段形成三臺(tái)階形態(tài)、明洞施做、暗洞開挖的總體步驟進(jìn)行。
洞口導(dǎo)向墻及超前大管棚施工完成后,按照三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行開挖。正常情況下每天完成4個(gè)循環(huán),每循環(huán)60cm,日進(jìn)尺2.4m。為滿足步距要求并避免互相干擾,仰拱初支每天施做一次,進(jìn)尺2.4m,仰拱距掌子面距離約為35m。
暗洞開挖進(jìn)洞后,監(jiān)控量測(cè)顯示拱頂出現(xiàn)較大沉降,沉降速率最快達(dá)47.3mm/d,累計(jì)最大值達(dá)220mm。典型拱頂沉降時(shí)間曲線如圖1所示。
圖1 前期拱頂沉降曲線圖
隧道洞內(nèi)初支出現(xiàn)環(huán)向裂縫(見圖2),仰坡坡面出現(xiàn)裂縫,隨著暗洞的掘進(jìn),裂縫變寬,并在掌子面對(duì)應(yīng)地表前方發(fā)展新的裂縫。洞口上方土體出現(xiàn)裂縫(見圖3),同時(shí)具有向洞口外移的趨勢(shì),造成導(dǎo)向墻拱腰斷裂。
圖2 初支環(huán)向裂縫示例圖
圖3 地表裂縫示例圖
開挖支護(hù)后洞頂邊坡出現(xiàn)多條環(huán)向裂縫,洞內(nèi)沉降較大,導(dǎo)向墻在兩側(cè)拱部出現(xiàn)裂縫。經(jīng)量測(cè)洞內(nèi)洞頂及導(dǎo)向墻上部均出現(xiàn)縱向位移,判定仰坡下滑對(duì)初支產(chǎn)生向下壓力及向前推力??紤]明洞施做周期較長(zhǎng),為防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展,因此在洞口兩側(cè)采用反壓擋墻控制仰坡滑移(見圖4)。反壓墻采用C20混凝土,施做長(zhǎng)度為16m,下部基礎(chǔ)寬度為2m,基礎(chǔ)標(biāo)高為軌面標(biāo)高下2.3m,墻體總高為8m,分層錯(cuò)臺(tái)施工。反壓墻施做后,洞內(nèi)拱頂沉降得到控制,導(dǎo)向墻及仰坡裂縫未繼續(xù)發(fā)展,整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。
圖4 反壓擋墻施做示例圖
為達(dá)到仰拱初支盡快成環(huán),控制洞口淺埋段開挖后沉降,在滿足規(guī)范要求的前提下對(duì)施工工序進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整:采用仰拱初支緊跟下臺(tái)階的辦法。分四層開挖(主洞分上、中、下臺(tái)階加仰拱初支開挖)上臺(tái)階長(zhǎng)度為3~5m,臺(tái)階高度為3.5m,每次開挖1榀,進(jìn)尺為60cm/榀;中臺(tái)階長(zhǎng)度為3~5m,臺(tái)階高度為3.5m,每次開挖1~2榀;中下臺(tái)階開挖時(shí),先開挖右側(cè),每次進(jìn)尺1~2榀,左側(cè)開挖落后右側(cè)2榀,每次開挖1~2榀;仰拱每天開挖一次,進(jìn)尺2.4m,緊跟下臺(tái)階開挖,利用上中臺(tái)階噴漿的時(shí)間進(jìn)行仰拱的拱架安裝,然后跟進(jìn)仰拱初支噴射,在下一循環(huán)利用開挖渣土回填仰拱。施工工序更為緊湊,仰拱封閉距離由原來(lái)的30m縮短為15m,封閉時(shí)間由15d縮短為7d,初支封閉距離的縮短顯著減少了隧道內(nèi)拱頂?shù)某两怠F渌┕ぜ夹g(shù)主要為:開挖采用挖機(jī)開挖、人工配合的方式進(jìn)行。每循環(huán)開挖前測(cè)量組提前測(cè)設(shè)開挖輪廓線,挖機(jī)根據(jù)輪廓線進(jìn)行開挖。挖機(jī)開挖過(guò)程中有專人指揮,觀察周圍情況,并避免碰撞已施工初期支護(hù)、量測(cè)點(diǎn)等部位,應(yīng)減少超挖。上臺(tái)階開挖完畢,挖機(jī)在向下臺(tái)階扒渣過(guò)程中,上臺(tái)階開始人工處理。三臺(tái)階施工工序如圖5所示,主要施工步驟如下:
圖5 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法工序橫斷面示意圖
(1)開挖1部臺(tái)階,每循環(huán)進(jìn)尺一榀,同時(shí)施做超前支護(hù)。初噴4cm厚混凝土,立初期支護(hù)鋼架及臨時(shí)鋼架,打鎖腳錨桿(管),系統(tǒng)錨桿并復(fù)噴混凝土。
(2)上臺(tái)階施工3~5m后,分側(cè)開挖2部臺(tái)階并立拱錨噴,2部臺(tái)階左右側(cè)拱架錯(cuò)開兩榀,每循環(huán)進(jìn)尺一次。
(3)中臺(tái)階長(zhǎng)度達(dá)到5m左右,分側(cè)開挖3部臺(tái)階,并立拱錨噴,2部臺(tái)階左右側(cè)拱架錯(cuò)開兩榀,每循環(huán)進(jìn)尺一次。同工序(2)。
(4)開挖仰拱,及時(shí)封閉初期支護(hù),仰拱初期支護(hù)與底部填充層分開施做。
(5)利用襯砌模板臺(tái)車一次性施做Ⅶ部二次襯砌。
蘭山隧道出口承載力150 kPa左右,承載力不足導(dǎo)致開挖支護(hù)后沉降比較大。蘭山隧道出口段初期支護(hù)采用錨噴支護(hù),I25型鋼拱架,榀距60cm,連接筋φ22環(huán)向間距1m;兩側(cè)邊墻設(shè)置φ22長(zhǎng)3.5m系統(tǒng)錨桿,間距1m,呈梅花型布置;φ8單層鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距20×20cm;噴35cm厚C20混凝土。為進(jìn)一步控制沉降,采用了如下加強(qiáng)措施:
(1)臺(tái)階拱架落腳處采用預(yù)制混凝土墊塊,擴(kuò)大落腳處受力面積,拱腳清理后安放預(yù)制塊。
(2)加強(qiáng)鎖腳錨桿連接[3],原錨管尾端用L型鋼筋焊接于拱架,施工中每拱腳加強(qiáng)為6根鎖腳。后期施工鎖腳有所改進(jìn)。拱架拱腳處焊接鋼板,鋼板割孔,鎖腳穿過(guò)割孔打入巖層,此種方法既保證了打設(shè)角度又保證了焊接質(zhì)量。
(3)拱部雙層小導(dǎo)管,由于隧道洞口段埋深較淺,土質(zhì)松散,開挖后容易產(chǎn)生豎向垮塌,因此在開挖前拱部打設(shè)雙層小導(dǎo)管,角度分別為10°和40°。
(4)為增強(qiáng)拱架縱向連接,在隧道拱部增設(shè)為雙層連接筋及網(wǎng)片。
(5)黃土隧道施工及時(shí)封閉成環(huán)尤為重要,因此施工中采取仰拱初支緊跟下臺(tái)階施工,施工完畢后回填渣土,后期施做仰拱混凝土?xí)r采用人工配合挖機(jī)開挖清理。
通過(guò)以上措施,開挖之后后沉降得到有效控制。
為保證施工安全,黃土隧道施工步距要求極為嚴(yán)格。隧道開挖后初期支護(hù)及時(shí)施作封閉,封閉位置距離掌子面一般≤30m[4],施工中采用仰拱初支緊跟掌子面來(lái)滿足要求;二次襯砌距掌子面距離Ⅳ級(jí)圍巖應(yīng)≤90m、Ⅴ、Ⅵ級(jí)應(yīng)≤70m[5]。襯砌采用復(fù)合式防水襯砌。隧道襯砌采用C45防滲混凝土,抗?jié)B等級(jí)≥P10。為保證步距要求,仰拱混凝土端頭后的40m范圍內(nèi)初支基面處理及防水板施作、襯砌鋼筋施作、臺(tái)車就位施工等工序各占據(jù)一個(gè)工作面。各工序需合理組織,才能做到互不干擾有序施工。
黃土隧道施工除超前地質(zhì)預(yù)報(bào)外,現(xiàn)場(chǎng)要求每5m進(jìn)行一次含水率測(cè)試及承載力檢測(cè),當(dāng)含水率及承載力出現(xiàn)異常變化時(shí)及時(shí)采取措施。監(jiān)控量測(cè)在黃土隧道施工中發(fā)揮著非常重要的作用,在蘭山隧道洞口施工中體現(xiàn)得尤為明顯。對(duì)照量測(cè)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),洞口開挖時(shí)導(dǎo)向墻出現(xiàn)縱向位移,施作反壓墻后趨于穩(wěn)定;后洞內(nèi)出現(xiàn)幾次量測(cè)預(yù)警,及時(shí)采取措施處理后隧道沉降及收斂數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。另量測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)著施工中開挖預(yù)留量的調(diào)整。洞口段沉降量較大時(shí)預(yù)留量達(dá)到40cm,后預(yù)留量逐步減小到10cm,既保證了襯砌厚度又減少了混凝土超耗量。
黃土隧道洞口段面臨淺埋、土質(zhì)松散等特點(diǎn),施工中由于黃土承載力不足,容易導(dǎo)致沉降過(guò)大,初期支護(hù)開裂,圍巖內(nèi)裂縫向地表發(fā)展,洞內(nèi)圍巖坍塌等問題,施工難度較大。蘭山隧道洞口段采用反壓墻控制邊坡滑移,大管棚加超前小導(dǎo)管雙層超前支護(hù),三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法且盡早封閉進(jìn)行開挖等技術(shù)方法,順利通過(guò)淺埋段。通過(guò)對(duì)黃土隧道淺埋洞口段的施工技術(shù)總結(jié),提出以下幾點(diǎn)看法與體會(huì):
(1)堅(jiān)持隧道施工“勤量測(cè)”的施工原則,量測(cè)數(shù)據(jù)如有異常,及時(shí)進(jìn)行原因分析,有必要時(shí)暫停掌子面施工。
(2)對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行快速封閉成環(huán),仰拱初支緊跟下臺(tái)階初支施工,及早提高初期支護(hù)的整體抗壓能力。
(3)對(duì)于洞口土體存在整體移動(dòng),沉降較大的淺埋段,暫停掌子面施工,及時(shí)施做二次襯砌,實(shí)行單工序作業(yè),確保施工安全。
(4)洞口施做反壓擋墻,能有效抑制仰坡土體位移,穩(wěn)定效果較明顯。
(5)通過(guò)加強(qiáng)初期支護(hù),提高支護(hù)強(qiáng)度。增設(shè)鎖腳錨桿,防止拱架下沉;拱部設(shè)雙層鋼筋網(wǎng),提高初支的抗剪能力;加大下臺(tái)階拱架腳板及采用預(yù)制塊進(jìn)行支墊,提高拱架的整體支撐能力。
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