富水濕陷性黃土隧道施工技術(shù)研究

張宏偉

摘要：隧道工程作為公路工程建設(shè)的重要組成部分，為交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展起到重要作用，但由于一些特殊地質(zhì)的影響，尤其是地質(zhì)條件較差情況下的隧道開(kāi)挖、支護(hù)更加困難。為達(dá)到公路隧道工程施工技術(shù)的具體要求，保證施工安全，確保工程質(zhì)量，提高建設(shè)效率，結(jié)合國(guó)內(nèi)外高速公路隧道建設(shè)和一些實(shí)際工作中的施工經(jīng)驗(yàn)，論述了富水濕陷性黃土隧道的施工技術(shù)措施以及淺埋、小凈距、滲水和塌方等特殊地段的處理措施，為類似隧道的施工提供參考解決方案。

關(guān)鍵詞：富水;濕陷性黃土;施工技術(shù);特殊地段

引言：在富水濕陷性黃土段隧道施工過(guò)程中，要考慮更多的影響因素，結(jié)合隧道所在地區(qū)的氣候、水文等條件制定施工方案，確定施工技術(shù)。本文以天莊高速公路西坪隧道施工為工程實(shí)例背景，對(duì)施工過(guò)程中存在的施工技術(shù)難點(diǎn)所采取的一系列處理措施做簡(jiǎn)要總結(jié)分析，為施工施工提供保障，有效地解決了隧道富水濕陷導(dǎo)致的沉降過(guò)大等問(wèn)題。

1工程概況

本隧道為左右行分離式的雙洞長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)2869m，最大埋深195m。隧道V級(jí)圍巖占95.2%，出口為小凈距隧道，最小埋深約20m。隧道下穿構(gòu)造剝蝕低中山及侵蝕堆積黃土梁峁溝壑地貌，地勢(shì)起伏較大。隧址區(qū)主要為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積黃土狀土，大孔隙及垂直節(jié)理發(fā)育，具有Ⅱ～Ⅳ自重濕陷性，土質(zhì)松散，圍巖穩(wěn)定性差。隧道出口段左線開(kāi)挖至ZK158+170處上臺(tái)階拱腳出水，隨著暴露時(shí)間越長(zhǎng)水量逐漸加大，含水率在25%左右，水流量15-30m3/h，下臺(tái)階及仰拱位置處有卵石持力層，透水、富水情況下對(duì)圍巖影響很大。

2施工難點(diǎn)

（1）隧道出口斜交，地形條件較差，洞口最小埋深約20m，且為小凈距，受力條件較差，需控制變形，以防止初期支護(hù)和地表結(jié)構(gòu)沉降開(kāi)裂。

（2）隧道富水，施工時(shí)極易出現(xiàn)涌水、突泥等現(xiàn)象，如何解決好隧道防排水問(wèn)題，保證工程安全質(zhì)量是施工的重點(diǎn)。

（3）隧道主要為V級(jí)圍巖，含水量大，分層明顯，局部穿越砂層，結(jié)構(gòu)疏松，開(kāi)挖后極易掉塊、崩解，形成垮塌，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

（4）隧道地基承載力很差，施工難度在于如何提高地基承載力，防止隧道沉降變形。

3施工技術(shù)

3.1早超前、勤量測(cè)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)等信息化技術(shù)手段為隧道施工提供技術(shù)支撐和安全保障。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌握掌子面前方的圍巖情況，預(yù)防可能形成的災(zāi)害性事故，以便提前做好預(yù)防措施，避免造成損失;通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)了解圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，掌握支護(hù)可靠程度。對(duì)于淺埋段、小凈距、軟弱圍巖等特殊不良地質(zhì)要增加監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保施工安全及結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

本隧道采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法，利用電磁波反射原理探測(cè)淺層地層的劃分、巖液、空洞、不均勻體的檢測(cè)，短距離探測(cè)前方30m內(nèi)的地質(zhì)情況，同時(shí)利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道洞底和兩側(cè)的圍巖發(fā)育及巖體破碎情況進(jìn)行探測(cè)。由于濕陷性黃土隧道地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圍巖破碎、分層明顯，且含水率較大，為確保超前預(yù)報(bào)結(jié)論的真實(shí)可靠性，探測(cè)距離控制在15～20m，連續(xù)兩次預(yù)報(bào)重疊長(zhǎng)度在5m以上。

監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目主要包括：洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉量測(cè)、周邊收斂量測(cè)、地表沉降觀測(cè)和拱腳下沉量測(cè)。為了解隧道圍巖及支護(hù)變形發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性作出判斷、預(yù)測(cè)隧道圍巖最終穩(wěn)定時(shí)間，對(duì)于濕陷性黃土隧道需增加監(jiān)控量測(cè)頻率。拱頂及邊墻每隔5布設(shè)一組觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜圍巖地段，拱頂下沉和周邊收斂頻率也由規(guī)范要求的1～2次/d調(diào)整為3～4次/d，地表下沉的監(jiān)測(cè)也增加到1次/d。

3.2短進(jìn)尺、快開(kāi)挖

采用機(jī)械開(kāi)挖方式。輔助以人工進(jìn)行修整排險(xiǎn)，嚴(yán)格控制好超欠挖。采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法，核心土長(zhǎng)度為5m，寬度為上臺(tái)階開(kāi)挖跨度的1/2，坡度為1：0.5～1：0.75。嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，降低圍巖失去承載能力而發(fā)生坍塌等安全風(fēng)險(xiǎn)，上臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1榀拱架間距，中下臺(tái)階左、右側(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，防止上部結(jié)構(gòu)兩側(cè)拱腳同時(shí)懸空，中下臺(tái)階開(kāi)挖控制在2～3榀拱架間距，仰拱一次開(kāi)挖3～5m，中臺(tái)階左、右側(cè)開(kāi)挖錯(cuò)開(kāi)2～3m，下臺(tái)階左、右側(cè)開(kāi)挖錯(cuò)開(kāi)3～5m。超短臺(tái)階開(kāi)挖，中臺(tái)階距掌子面3～5m，下臺(tái)階距中臺(tái)階5～7m，仰拱距掌子面30m以內(nèi)，必要時(shí)需緊跟掌子面，二襯距掌子面控制在60m以內(nèi)，在滿足規(guī)范要求和受力穩(wěn)定的前提下盡可能縮短進(jìn)尺，短臺(tái)階緊跟，工序緊密銜接。

3.3強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)

嚴(yán)格按照“少擾動(dòng)、快加固、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早成環(huán)”的原則進(jìn)行，開(kāi)挖完成后立即進(jìn)行初期支護(hù)。先對(duì)圍巖進(jìn)行初噴混凝土，防止裸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成掉塊、垮塌;鋼拱架之間通過(guò)連接鋼板采用高強(qiáng)螺栓、加勁鋼板和焊接，連接時(shí)要保證鋼墊板的連接質(zhì)量，并確保焊縫質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)范要求;采用雙層鋼筋網(wǎng)片施工，鋼筋網(wǎng)布置在鋼拱架的內(nèi)外兩側(cè)，保護(hù)層厚度大于2cm;超前小導(dǎo)管施工時(shí)，根據(jù)實(shí)際圍巖情況，每隔2～3榀拱架施作一次，每次施作37～43根。外插角控制在5～12°，尾端支撐于鋼拱架上，縱向至少保證1m的搭接。鎖腳錨管施作在開(kāi)挖臺(tái)階的拱腳處，與豎向夾腳為30～45°斜向下打入圍巖，用來(lái)控制拱腳位移。下臺(tái)階鎖腳錨管與Φ89*6mm微型鋼管樁隔榀施作，用于地基承載力加固。嚴(yán)禁超前小導(dǎo)管和鎖腳錨管只打管不注漿，避免造成侵限坍塌等不良事故發(fā)生，注漿應(yīng)保證注漿機(jī)滿足要求，有效填充圍巖裂隙、逐漸飽滿，確保超前支護(hù)效果;仰拱及回填整幅施工，盡早施作仰拱，形成封閉環(huán);二次襯砌采用模板臺(tái)車和泵送混凝土的機(jī)械化配套施工措施，一次澆筑完成，施作完成后檢查與初期支護(hù)之間的空隙，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)注漿回填。

4特殊地段處理措施

4.1洞口邊仰坡施工措施

隧道洞口段岸坡不良地質(zhì)主要為滑塌堆積體，受溝岸滑塌影響，溝岸上部土質(zhì)岸坡坡度陡。針對(duì)該隧道洞口實(shí)際情況，采用傳統(tǒng)邊仰坡處理對(duì)坡體擾動(dòng)大，開(kāi)挖高度及工程規(guī)模較大，成本高，對(duì)隧道洞口環(huán)境破壞較大，工程美觀效果差。為了有效降低隧道邊仰坡開(kāi)挖高度，有效保護(hù)環(huán)境，節(jié)約投資成本，采用了微型鋼管樁結(jié)構(gòu)，先開(kāi)挖邊仰坡第一級(jí)臺(tái)階以上土方，同時(shí)施工邊仰坡防護(hù)，然后施作洞頂?shù)谝患?jí)臺(tái)階微型鋼管樁，選用Φ127*10mm無(wú)縫鋼管，單根長(zhǎng)18.25m，鋼管縱向連接需焊接，鋼管內(nèi)Φ32鋼筋每隔100cm采用Φ14定位鋼筋焊接在一起，Φ32鋼筋露頭彎鉤長(zhǎng)度30cm，與框架梁內(nèi)鋼筋焊接成整體，鋼管樁露頭0.25m，與框架梁鋼筋焊接并澆筑在一起，孔底30cm為水泥漿墊層。該結(jié)構(gòu)可首先快速的對(duì)隧道邊仰坡進(jìn)行預(yù)加固，在預(yù)加固鎖口的前提下，有效提高邊仰坡的穩(wěn)定性，減少隧道洞口開(kāi)挖對(duì)坡體的影響，防止施工中邊仰坡的坍塌，給隧道安全快速進(jìn)洞提供充足的操作空間，而且微型鋼管樁整體工序快速便捷，成本較低，大大提高了施工安全、成本和進(jìn)度。

4.2淺埋段施工措施

隧道洞口為淺埋偏壓段，濕陷性黃土，圍巖穩(wěn)定性差，采用強(qiáng)度高、剛度大的I22a型鋼拱架，間距50cm，二襯厚50cm。設(shè)置超前大管棚加固，確保安全進(jìn)洞，采用Φ108*6mm無(wú)縫鋼管，環(huán)向間距40cm，總長(zhǎng)40m，每節(jié)長(zhǎng)3m、6m，相鄰鋼管接頭數(shù)至少錯(cuò)開(kāi)1m，接頭采用長(zhǎng)15cm的絲扣直接對(duì)口連接，管內(nèi)放置鋼筋籠并完成注漿。為確保鉆孔方向，在明洞外施作60cm厚C30砼套拱作導(dǎo)向墻，縱向長(zhǎng)2m。套拱施工前，結(jié)合套拱段對(duì)應(yīng)暗洞襯砌結(jié)構(gòu)預(yù)留變形量及實(shí)際開(kāi)挖揭示地質(zhì)情況結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，將套拱輪廓及拱架半徑做合理調(diào)整，防止套拱侵限。對(duì)鎖腳錨管支護(hù)加強(qiáng)，采用Φ60×5 mm無(wú)縫鋼管，上臺(tái)階每榀4根，中臺(tái)階每榀8根，下臺(tái)階與Φ108*6mm微型鋼管樁隔榀施作，每榀6根。施工時(shí)加強(qiáng)對(duì)地表和洞內(nèi)的觀測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整支護(hù)形式，有效地保證了淺埋段隧道施工的安全，控制了地表沉降，確保了隧道的質(zhì)量。

4.3小凈距隧道施工措施

西坪隧道出口段屬于小凈距偏壓隧道，施工時(shí)兩洞掌子面保持不小于2B（B為隧道的開(kāi)挖寬度）的距離，施工順序按照先開(kāi)挖山外側(cè)洞（右洞），再開(kāi)挖山內(nèi)測(cè)洞（左洞）進(jìn)行。小凈距隧道施工的技術(shù)要點(diǎn)在于減少對(duì)巖柱的破環(huán)、加強(qiáng)中夾巖柱，通過(guò)超前注漿加固的措施，確保中夾巖的穩(wěn)定。

4.4基底處理措施

隧道洞口及濕陷性黃土段，地基承載力較低，為減少基底不均勻沉降，確保施工安全，采用高壓旋噴樁進(jìn)行地基處理。施工之前選取洞口地質(zhì)情況相近區(qū)域進(jìn)行試樁試驗(yàn)，通過(guò)5根試驗(yàn)樁的施工和質(zhì)量檢驗(yàn)，結(jié)合施工所用的時(shí)間、最終的注漿量、以及不同壓力下成樁情況等綜合分析，最終確定洞內(nèi)旋噴樁施工參數(shù)為噴射壓力26-28MPa;注漿管直徑42mm;鉆頭旋轉(zhuǎn)速度22r/min;鉆頭提升速度25cm/min;水灰比1：1。

洞門墻基礎(chǔ)及明洞基底旋噴樁間距為1.2m，樁長(zhǎng)7m，暗洞基底間距為1.5m，樁長(zhǎng)5m，均呈梅花型分布。洞內(nèi)旋噴樁施工前，在仰拱初支底部預(yù)埋Φ200mmPVC管，第一排布置6根，第二排布置4根，交替排列，管頂部密封，防止仰拱澆筑過(guò)程中將混凝土流入管內(nèi)，影響旋噴樁施工。正式施工時(shí)，所用參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)樁所得參數(shù)進(jìn)行施工，首先將鉆機(jī)就位，然后使用潛孔鉆機(jī)鉆孔，而后進(jìn)行噴射作業(yè)，鉆頭的提升速度嚴(yán)格控制在25cm/min，不能過(guò)快，當(dāng)噴射注漿到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，拔出噴射管，并清洗整個(gè)注漿系統(tǒng)，最后將鉆機(jī)移動(dòng)到下一樁位，完成下一根樁的施工。高壓旋噴樁的施工要點(diǎn)在于水灰比的控制。使用一個(gè)直徑1.18m，高1m的圓柱型漿液攪拌桶，每次將水加入45cm高（水質(zhì)量為492Kg），然后加入10袋42.5水泥（水泥質(zhì)量500Kg）攪拌，攪拌時(shí)長(zhǎng)控制在4-5min之間。

4.5滲水處理措施

隧道施工至ZK158+170處上臺(tái)階出水，出水點(diǎn)集中，但水流量大，洞內(nèi)施作臨時(shí)排水溝將水引入仰拱中心水溝排出。施工過(guò)程中及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，施工至ZK158+120處水量減小，但掌子面多處開(kāi)始滲水，圍巖穩(wěn)定差，核心土滑塌，為保證隧道安全施工，確保工程質(zhì)量，對(duì)掌子面進(jìn)行全斷面注漿之水，采用水泥——水玻璃雙液漿，水玻璃濃度控制在35波美度左右，水灰比為1：1，注漿初壓為0.5～1MPa，終壓為2MPa，注漿導(dǎo)管的位置和長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)止水效果進(jìn)行調(diào)整。

4.6塌方處理措施

隧道施工至YK158+260處圍巖變形大，土體含水量高，自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖后引起坍塌，上臺(tái)階初支面12m全部塌方。圍巖穩(wěn)定后立即組織人員機(jī)械對(duì)掌子面進(jìn)行回填反壓石渣，施作管棚，進(jìn)行換拱處理。

掌子面回填時(shí)預(yù)埋泵管，對(duì)空洞位置泵送輕質(zhì)混凝土，防止造成二次塌方。而后施作套拱，采用I22a工字鋼，間距60cm，立三榀拱架，鎖腳采用Φ60*5mm無(wú)縫鋼管，每榀施作8根，與鋼拱架采用Φ22U型鋼筋從拱架腹板打孔穿過(guò)并焊接牢固，安裝鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土。套拱內(nèi)固定導(dǎo)向管，采用Φ140*6mm無(wú)縫鋼管，1.5m長(zhǎng)，環(huán)向布設(shè)40根，導(dǎo)向管仰角角度控制在1.5-2°。管棚采用Φ108*6mm跟管，總長(zhǎng)35m，采取絲扣連接，絲扣長(zhǎng)15cm，編號(hào)奇數(shù)孔位第一節(jié)管長(zhǎng)1.5m，偶數(shù)孔位第一節(jié)管長(zhǎng)3m，以后每節(jié)均為1.5m，管壁每隔20cm梅花型鉆眼，直徑10mm。鉆孔前對(duì)操作平臺(tái)進(jìn)行夯實(shí)，確保在鉆進(jìn)時(shí)鉆機(jī)不發(fā)生傾斜滑動(dòng)，鉆機(jī)底坐調(diào)平，鉆臂仰角符合設(shè)計(jì)要求。將管靴套在第一節(jié)跟管上并擰緊，鉆頭伸入跟管內(nèi)并與管靴卡緊，將跟管和鉆桿同時(shí)沖擊回轉(zhuǎn)，鉆到設(shè)計(jì)孔深。鉆孔結(jié)束后將鉆桿拔出，跟管留在孔內(nèi)護(hù)孔。將事先用三根Φ22鋼筋加工好的鋼筋籠插入管內(nèi)，節(jié)節(jié)之間焊接，鋼管終端密封。為保證注漿質(zhì)量，鋼筋籠安裝完成后，用錨固劑封堵鋼管與孔壁之間的空隙，管棚端頭焊接密封并連接注漿閥，用高壓泵將水泥漿注入鋼管內(nèi)，固結(jié)附近的巖土層。安排專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行管棚施工，提高施工效率。管棚施工完成后逐榀換拱，確保施工安全。

5結(jié)語(yǔ)

濕陷性黃土隧道施工必須遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)”的原則，隧道開(kāi)挖后需立即進(jìn)行支護(hù)，盡量縮短圍巖暴露時(shí)間，減少圍巖沉降變形。做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)，為隧道施工提供安全保障。做好隧道防排水措施，合理控制施工步距，盡早地形成封閉環(huán)，有效提升整體承載能力，確保隧道的施工安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭小兵.超淺埋濕陷性黃土隧道變形控制與地基加固施工技術(shù)[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新.2015，（05）.

[2]史永宏.大斷面黃土隧道關(guān)鍵施工技術(shù)研究[J].黑龍江交通科技.2016，（11）.

[3]呂佳.重載鐵路濕陷性淺埋黃土隧道水泥土擠密樁施工技術(shù)[J].中國(guó)科技縱橫，2018，（15）：121-122.