城市淺埋大斷面隧道穿越不良地質(zhì)施工技術(shù)探討

高吉才

（徐州市城市管理局，江蘇 徐州 221018）

0 引言

近年來(lái)，城市多車道大斷面隧道所占的比例越來(lái)越多,這些隧道跨度及施工難度大，尤其當(dāng)隧道穿越淺埋地段時(shí)，施工方法不當(dāng)可能導(dǎo)致隧道出現(xiàn)滑坡、坍塌、襯砌開(kāi)裂變形等病害，影響隧道結(jié)構(gòu)的完整性、耐久性及使用性。

徐州市黃河路貫通工程拖龍山隧道最大開(kāi)挖斷面寬19.5 m，高13.0 m，隧道埋深2.4～37.2 m。地層和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在坍塌和冒頂風(fēng)險(xiǎn)，因此，加強(qiáng)施工技術(shù)措施研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

徐州市黃河路為新建城市主干道，采用隧道工程穿越拖龍山。隧道埋深為2.4～37.2 m，最大開(kāi)挖斷面寬度為19.5 m，高度為13.0 m，左右線最小線間距5.05 m，長(zhǎng)約470 m，屬淺埋、大斷面、小凈距巖質(zhì)短隧道。隧址區(qū)主要以中風(fēng)化灰?guī)r及角礫巖為主，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖交替，且洞身段穿越F1斷裂帶，斷裂帶內(nèi)為角礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)，巖體破碎，裂隙發(fā)育，巖質(zhì)疏松，圍巖穩(wěn)定性差。物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 拖龍山隧道巖石參數(shù)表

2 隧道穿越不良地質(zhì)總體施工方案

施工時(shí)由進(jìn)口端向出口端單向掘進(jìn)，按新奧法原理組織施工，進(jìn)、出口端洞口淺埋段采用超前大管棚超前支護(hù)，同時(shí)采用CRD法進(jìn)洞及出洞；洞內(nèi)Ⅴ級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，Ⅳ級(jí)圍巖段采用CRD法。Ⅴ級(jí)圍巖地段以機(jī)械開(kāi)挖為主，當(dāng)必須爆破時(shí)，堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量”的原則，采用微震動(dòng)控制爆破。Ⅴ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖時(shí)，每進(jìn)尺1～1.2 m即噴射8 cm厚的C20混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行封閉；Ⅳ級(jí)圍巖地段CRD法開(kāi)挖時(shí)，每進(jìn)尺1.6～1.8 m即噴射8 cm厚的C20混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行封閉；不管是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖還是CRD法開(kāi)挖，在開(kāi)挖過(guò)程中均設(shè)置有臨時(shí)仰拱及臨時(shí)支撐。

為減少隧道左、右洞施工過(guò)程中的相互不利影響，右洞先行進(jìn)洞，左洞滯后2個(gè)月進(jìn)洞,同時(shí)后行洞掌子面滯后于先行洞二次襯砌不小于30 m。

施工中嚴(yán)格控制掌子面、初期支護(hù)、仰拱及二次襯砌之間的距離。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掌子面距初期支護(hù)封閉位置的距離小于25 m，掌子面距二次襯砌的距離小于40 m；CRD法掌子面至初期支護(hù)封閉位置的距離小于35m，掌子面至二次襯砌的距離小于50 m。隧道每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于1倍鋼架間距，仰拱每開(kāi)挖進(jìn)尺不大于3 m。

施工中將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為一項(xiàng)工序納入施工組織與管理,起到指導(dǎo)施工的作用。在施工過(guò)程中必須通過(guò)圍巖與支護(hù)的變形和圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、噴射混凝土內(nèi)力等應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)原設(shè)計(jì)予以修正。

3 隧道穿越不良地質(zhì)的超前支護(hù)方案

3.1 洞口淺埋段超前大管棚支護(hù)

為防止隧道洞口拱頂巖層坍塌和地表下沉，采用超前大管棚支護(hù)，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠承載較大的上部荷載；（2）可以起到加固巖體和止水作用；（3）可以減少預(yù)支護(hù)循環(huán)次數(shù)，加快施工進(jìn)度；（4）能夠通過(guò)專項(xiàng)導(dǎo)向儀精確控制管棚鋼管鋪設(shè)的軌跡線，確保管棚鋼管按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)，有利于控制隧道施工時(shí)的開(kāi)挖量，減少施工成本；（5）施工效率比較高，大幅度地減少隧道開(kāi)挖過(guò)程中輔助時(shí)間，提高施工效率[1]。

隧道進(jìn)口端40 m、出口端25 m范圍內(nèi)分別采用超前大管棚輔助進(jìn)洞及出洞。大管棚采用自行式鉆灌一體機(jī)施作，管棚布置如圖1所示，按設(shè)計(jì)在隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置φ108 mm（t=6 mm）長(zhǎng)管棚超前支護(hù)，其環(huán)向間距40 cm，外插角1～3°。

圖1 洞口淺埋段管棚布置圖

超前大管棚由鋼花管和鋼管交錯(cuò)布置組合而成，施工時(shí)先打設(shè)鋼花管并注漿，然后打設(shè)鋼管，以便檢查鋼花管的注漿質(zhì)量。鋼管及鋼花管在專用的管床上加工好絲扣，鋼花管四周應(yīng)鉆設(shè)孔徑10～16 mm注漿孔（靠孔口110 cm處的棚管不鉆孔），孔間距11 cm，呈梅花型布置。

大管棚注漿時(shí)，為防止串漿，鉆完孔后，隨即安裝該孔鋼管并注漿，然后再進(jìn)行下一孔施工。水泥漿液的水灰比控制在1∶1，注漿初壓力為0.5～2.0 MPa，終壓力為2.0～2.5 MPa，注漿結(jié)束后用M10水泥砂漿填充，以增強(qiáng)管棚強(qiáng)度。注漿從低向高進(jìn)行，漿液由稀到濃,一般單管達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量作為注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)

超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)可以穩(wěn)定掌子面前方的巖體，控制圍巖開(kāi)挖松弛、崩塌和拱頂沉降。超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：小導(dǎo)管注漿的方式比較簡(jiǎn)單，機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)，總體費(fèi)用較經(jīng)濟(jì)；對(duì)隧道其他施工工序影響較小，能適應(yīng)隧道施工的窄小環(huán)境；小導(dǎo)管注漿加固巖體效果明顯，能有效控制隧道變形，具有良好的止水效果[1]。

拖龍山隧道施工過(guò)程中穿越斷層破碎帶時(shí)隧道拱頂120°范圍內(nèi)設(shè)置雙層超前小導(dǎo)管，穿越IV級(jí)圍巖段時(shí)隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置單層超前小導(dǎo)管。雙層超前小導(dǎo)管環(huán)向間距0.3 m，縱向間距3 m，外插角為40°和5～10°交錯(cuò)布置，采用外徑φ50 mm，壁厚5 mm，長(zhǎng)5 m的無(wú)縫鋼管；單層超前小導(dǎo)管環(huán)向間距0.4 m，縱向間距3 m，外插角為5～10°，采用外徑φ42 mm，壁厚3.5 mm，長(zhǎng)4.5 m的無(wú)縫鋼管。施工中利用小導(dǎo)管向地層注漿。注漿漿液采用水灰比1∶1的水泥漿，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。

4 隧道穿越不良地質(zhì)的開(kāi)挖支護(hù)方案

不管是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖還是CRD法開(kāi)挖，拖龍山隧道在開(kāi)挖過(guò)程中均設(shè)置臨時(shí)仰拱和臨時(shí)支撐。臨時(shí)仰拱和臨時(shí)支撐能有效緩解支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平收斂，減少隧道圍巖變形，保證隧道施工過(guò)程中的安全和質(zhì)量。

4.1 Ⅴ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖支護(hù)

隧道穿越V級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，采用弱爆破及機(jī)械開(kāi)挖。爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。詳見(jiàn)圖2和圖3雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工橫斷面示意圖

4.2 施工步驟：

（1）開(kāi)挖①部，同時(shí)，每進(jìn)尺1.0～1.2 m，掌子面噴8 cm厚混凝土封閉。

（2）施作①部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，架立鋼架（包括導(dǎo)坑的臨時(shí)鋼架及臨時(shí)仰拱），設(shè)置鎖腳鋼管。

（3）鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

（4）按步驟1開(kāi)挖施工②③④⑤⑥部，先后噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

（5）兩臺(tái)階法施工第⑦、⑧部。

（6）噴8 cm厚混凝土封閉掌子面。

（7）導(dǎo)坑底部安設(shè)鋼架封閉成環(huán)，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

（8）灌筑Ⅸ部仰拱，待砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，逐步拆除臨時(shí)鋼架。

（9）灌筑Ⅹ部隧底填充。

（10）根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析，待變形收斂后或根據(jù)需要，利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌筑Ⅺ部二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工平面示意圖

4.2 Ⅳ級(jí)圍巖CRD法開(kāi)挖支護(hù)

隧道穿越IV級(jí)圍巖段采用CRD法施工。開(kāi)挖時(shí)采用弱爆破，爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量。詳見(jiàn)圖4和圖5交叉中隔壁（CRD）法施工工序圖。

圖4 CRD法施工橫斷面示意圖

圖5 CRD法施工平面示意圖

4.3 施工步驟：

（1）利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道主體結(jié)構(gòu)超前支護(hù)。

（2）分臺(tái)階開(kāi)挖①、②、③部，同時(shí)，逐步施作導(dǎo)坑周邊的主體結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)、中隔壁臨時(shí)支護(hù)及臨時(shí)仰拱，初噴混凝土，架立隧道鋼架和接長(zhǎng)臨時(shí)鋼架，鉆設(shè)徑向系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

（3）分臺(tái)階開(kāi)挖④、⑤、⑥部，除中隔壁部分臨時(shí)鋼架已施工完畢外，其余步驟均與①、②、③部施工工序相同。

（4）仰拱開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)3 m。開(kāi)挖完成后以最快的速度完成仰拱二襯施工。

（5）灌筑該段內(nèi)Ⅷ部仰拱填充，需待仰拱填充砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方能拆除此段的中隔壁臨時(shí)支撐。

（6）上述步驟逐步循環(huán)，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂后，利用襯砌模板臺(tái)車一次灌筑Ⅸ部二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

隧道在穿越Ⅴ級(jí)圍巖和Ⅳ級(jí)圍巖段時(shí)分別采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法開(kāi)挖。開(kāi)挖過(guò)程中的初期支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2 初期支護(hù)主要參數(shù)表

5 監(jiān)控量測(cè)與對(duì)比分析

監(jiān)控量測(cè)是隧道新奧法施工的重要環(huán)節(jié)，拖龍山隧道監(jiān)控量測(cè)主要包括拱頂下沉、凈空收斂和地表下沉，洞內(nèi)拱頂下沉和凈空收斂布置在同一斷面，沿縱向布置。Ⅴ級(jí)圍巖段，每10 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)3個(gè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)及3條凈空收斂觀測(cè)線；Ⅳ級(jí)圍巖段，每20 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)2個(gè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)及4條凈空收斂觀測(cè)線。

地表沉降觀測(cè)測(cè)點(diǎn)與拱頂下沉及凈空收斂量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面內(nèi)。橫斷面方向由隧道中線向兩側(cè)隧道范圍內(nèi)每2～3 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，推測(cè)滑移線范圍內(nèi)其它測(cè)點(diǎn)按照3～5 m間隔布設(shè)。

經(jīng)歸納整理現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，得出隧道在穿越不良地質(zhì)施工過(guò)程中地表沉降最大斷面的累積沉降量為18 mm，拱頂下沉最大斷面的累積沉降量為19.2 mm，凈空收斂最大斷面的累計(jì)變化值為16.9 mm,均能滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論與建議

淺埋、大斷面隧道在穿越不良地質(zhì)施工時(shí)，洞口淺埋段采用超前大管棚支護(hù)，洞內(nèi)不良地質(zhì)段采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固技術(shù)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法開(kāi)挖支護(hù)設(shè)置的臨時(shí)支護(hù)和臨時(shí)仰拱，可有效的控制隧道的收斂和拱頂沉降及地表下沉。施工過(guò)程中的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明拱頂下沉、水平收斂及地表沉降均處于穩(wěn)定狀態(tài)，且施工過(guò)程中均未出現(xiàn)初期支護(hù)開(kāi)裂、洞頂覆蓋層塌陷等安全、質(zhì)量問(wèn)題，充分說(shuō)明隧道在穿越不良地質(zhì)過(guò)程中所采用的施工技術(shù)措施合理可行，方案安全可靠。