淺埋黏土層大跨度隧道施工技術(shù)及塌方風(fēng)險(xiǎn)防范

肖章杰

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000)

1 工程概況

淺埋黏土層大跨度隧道工程，最大埋深為170 m、開挖斷面為180 m、襯砌內(nèi)輪廓線為14.61 m。根據(jù)勘察結(jié)果，隧道工程所在土層，巖性主要為含黏土碎石、碎石粉質(zhì)黏土。該土層在未經(jīng)擾動(dòng)時(shí)，能夠保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但一旦開挖，則很容易造成塌方。經(jīng)過檢測分析可知，該工程的圍巖為V級(jí)，缺乏自穩(wěn)能力，而且隧道工程對(duì)應(yīng)的地表上，基本沒有植被覆蓋，如果施工期間出現(xiàn)降水天氣，那么水體就會(huì)迅速深入地下，加劇隧道工程作業(yè)空間結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定問題，使得案例工程施工需要面對(duì)較高的塌方風(fēng)險(xiǎn)。

2 研究過程

2.1 施工技術(shù)難點(diǎn)研究方法

通過對(duì)案例工程勘察技術(shù)資料以及現(xiàn)場工況進(jìn)行詳細(xì)了解，分析現(xiàn)場工況以及技術(shù)資料，對(duì)此次工程施工中存在的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，完成了對(duì)施工技術(shù)難點(diǎn)的研究。其中，勘察技術(shù)資料是由地質(zhì)雷法勘察得出。在地質(zhì)雷達(dá)勘察中，所用的屏蔽天線為100 mHz、采集時(shí)窗為800 ns、樣本點(diǎn)數(shù)量為513，最終得到波形圖。從波形圖可以看出，雷達(dá)波的衰減緩慢，說明巖石的密度差異較大，局部軟弱且含水量大，為施工技術(shù)的實(shí)施帶來了較大的難度，是工程建設(shè)中的施工技術(shù)難點(diǎn)。

2.2 塌方風(fēng)險(xiǎn)因素研究方法

在塌方風(fēng)險(xiǎn)因素分析中，研究者選用了模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了量化分析，由此得出了塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塌方風(fēng)險(xiǎn)因素的研究。在此過程中，研究者根據(jù)地質(zhì)勘察技術(shù)資料、現(xiàn)場勘察結(jié)果，以及其他相關(guān)資料，并考慮到勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營各項(xiàng)工作環(huán)節(jié)對(duì)隧道空間穩(wěn)定性的影響，構(gòu)建出了塌方風(fēng)險(xiǎn)因素結(jié)構(gòu)。此后，運(yùn)用專家法、層次分析法，遵循公式=+，為各個(gè)因素進(jìn)行了賦權(quán)。其中，為客觀權(quán)重；為主觀權(quán)重；、為分配權(quán)重。由此形成了一個(gè)完整的模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過將現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)帶入該體系中，即可得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，作為風(fēng)險(xiǎn)防范的決策性依據(jù)。

3 研究結(jié)果

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

經(jīng)過上述施工技術(shù)研究，得出了案例工程施工技術(shù)難點(diǎn)，見表1。

表1 隧道工程施工技術(shù)難點(diǎn)匯總表

3.2 風(fēng)險(xiǎn)因素

將現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)代入到已經(jīng)確立好的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中，得出了判斷矩陣。此后，基于該矩陣可以得出，最大特征向量值為6.219、一致性系數(shù)為0.035<0.1、一致性指標(biāo)為0.044<0.1，上述參數(shù)均符合要求，因此，矩陣可靠。根據(jù)該矩陣，可以得出主觀權(quán)重集合為[0.4,0.18,0.12,0.05,0.22,0.03]，同時(shí)，專家結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況以及自身經(jīng)驗(yàn)，將、取值為0.5，之后得出綜合權(quán)重為(0.36,0.13,0.19,0.09,0.18,0.05)，最終得到評(píng)價(jià)集合(0.48,0.57,0.38,0.76,0.36)。根據(jù)該評(píng)價(jià)結(jié)果可知，圍巖不穩(wěn)定、埋深淺、地下水涌水、開挖方式不合理、跨度太大、施工水平較差，是造成塌方風(fēng)險(xiǎn)的主要因素。

4 結(jié)果分析

4.1 難點(diǎn)解決方案確立

基于上述施工技術(shù)難點(diǎn)研究結(jié)果，以及導(dǎo)致難點(diǎn)形成的工程工況，制定出了相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)解決方案，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)施工技術(shù)難點(diǎn)的深入研究。圍繞第一項(xiàng)難點(diǎn)，即圍巖擾動(dòng)大的問題，運(yùn)用超前支護(hù)施工技術(shù)，通過在沉降較大、圍巖較為脆弱的施工段，超前構(gòu)建出管棚，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的加固，以提高圍巖抵抗施工擾動(dòng)的能力，同時(shí)，選用小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，由此減少支護(hù)施工造成的擾動(dòng)。

對(duì)于第二項(xiàng)難點(diǎn)，即埋深太淺問題，使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工技術(shù)，結(jié)合二次襯砌的跟進(jìn)，可以增強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度，而且該項(xiàng)施工技術(shù)具有良好的漸進(jìn)性，可以避免開挖速度過快的問題，緩解施工隱患問題。在此過程中，還要加大地質(zhì)預(yù)報(bào)探測力度，為施工人員提供有利依據(jù)，以便于其及時(shí)地對(duì)施工技術(shù)的實(shí)施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，更好地攻破技術(shù)難點(diǎn)。

對(duì)于第三項(xiàng)難點(diǎn)，即開挖斷面大、圍巖自穩(wěn)性差的問題，在運(yùn)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工技術(shù)進(jìn)行是時(shí)，需做好臨時(shí)支撐的構(gòu)建，尤其要注意檢查鎖腳錨桿的可靠性，確保各部分支護(hù)得以獨(dú)立成環(huán)。此外，在拆除施工時(shí)，也要重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)洞襯砌閉合情況，增強(qiáng)隧道工程作業(yè)空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

對(duì)于第四項(xiàng)難點(diǎn)，即滲水問題，采用地表注漿施工技術(shù)，并運(yùn)用該項(xiàng)施工技術(shù)在地表構(gòu)建一層混凝土抗?jié)B結(jié)構(gòu)，以改善地表土壤的抗?jié)B性能，緩解滲水問題，同時(shí)，在隧道內(nèi)，運(yùn)用超前深孔注漿施工技術(shù)，構(gòu)建作業(yè)面底層的抗?jié)B層，由此應(yīng)對(duì)地下水向隧道作業(yè)面施加的水壓，防止地下水大量涌出。此外，還要注意，設(shè)置好水泵排水設(shè)施，并實(shí)施檢查滲水情況，且要重點(diǎn)觀測滲水點(diǎn)，以免突發(fā)性滲水現(xiàn)象出現(xiàn)。

基于大跨度隧道工程在實(shí)際施工中存在的各種問題，在工程開挖的整個(gè)過程中，需要采用一定的監(jiān)控措施來對(duì)包括圍巖在內(nèi)的各種地質(zhì)條件和情況進(jìn)行測量，用以作為判斷圍巖質(zhì)量和工程施工質(zhì)量的主要依據(jù)(見表2)。

由于不同等級(jí)條件下的圍巖存在一定的差異，因而在開展監(jiān)控測量工作的過程中，對(duì)于不同的測量項(xiàng)目應(yīng)用的測量頻率也會(huì)不同(見表3)。

在表3中，主要代表量測斷面至開挖面的距離，而則表示隧道的跨度。

除此之外，淺埋黏土層對(duì)于大跨度隧道施工的影響也比較大，基于淺埋黏土層圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)的不同(見表4)，其在實(shí)際的施工中面臨的風(fēng)險(xiǎn)問題也存在一定的差異。

表2 工程監(jiān)控測量內(nèi)容

表3 隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測頻率

表4 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

一些隧道工程在實(shí)際的施工建設(shè)中會(huì)應(yīng)用到超前支護(hù)和初期支護(hù)來滿足工程的建設(shè)需要，在實(shí)際的施工過程中，相關(guān)人員需要及時(shí)明確超前預(yù)支護(hù)和初期支護(hù)數(shù)據(jù)，才能夠更好的保障隧道工程的施工建設(shè)成果(見表5)。

表5 超前預(yù)支護(hù)、初期支護(hù)數(shù)據(jù)

4.2 坍塌風(fēng)險(xiǎn)防范方案確立

坍塌風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括圍巖不穩(wěn)定、埋深淺、地下水涌水、開挖方式不合理、跨度太大、施工水平較差這幾個(gè)方面，而之前的施工技術(shù)難點(diǎn)方案設(shè)計(jì)中，已經(jīng)針對(duì)圍巖不穩(wěn)定、埋深淺、地下水涌水、開挖方式不合理、跨度太大這幾個(gè)方面，提出了相應(yīng)的解決辦法，因此，在坍塌風(fēng)險(xiǎn)防范方案確立中，主要需針對(duì)施工水平差這一因素，制定相應(yīng)的處理措施。

從根據(jù)上來說，施工水平差源于兩個(gè)方面，即配套機(jī)具設(shè)備水平不佳和施工人員業(yè)務(wù)能力不佳。為此，需從這兩個(gè)方面入手，來制定處理措施，以改善施工現(xiàn)狀，促進(jìn)隧道工程的順利建成。首先，基于現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件，選用品牌優(yōu)、性能好的設(shè)備機(jī)具類型，然后選好供應(yīng)商，并在設(shè)備機(jī)具運(yùn)抵現(xiàn)場后進(jìn)行性能試驗(yàn)、資料核對(duì)，確認(rèn)無問題后，再準(zhǔn)許其入場。同時(shí)，在施工使用階段，要注意做好設(shè)備的保養(yǎng)和維護(hù)，且要每次使用之前進(jìn)行調(diào)試、檢查，確認(rèn)其性能狀態(tài)良好后才能正式使用。

其次，加強(qiáng)技術(shù)、設(shè)計(jì)交底，使施工人員能夠準(zhǔn)確、細(xì)致地理解施工組織設(shè)計(jì)方案，減少錯(cuò)誤、不當(dāng)操作出現(xiàn)的幾率，強(qiáng)化施工人員的業(yè)務(wù)能力。此外，還要在施工前，組織施工人員進(jìn)行培訓(xùn)，保證其熟悉各項(xiàng)施工技術(shù)操作，深入優(yōu)化其專業(yè)水平。最后，需采用旁站、巡檢等方式，對(duì)施工人員的技術(shù)操作進(jìn)行監(jiān)督檢查，以及時(shí)糾正不當(dāng)、錯(cuò)誤操作，控制由此引發(fā)的塌方風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到塌方風(fēng)險(xiǎn)防范的效果。

表6 建筑物下大跨度淺埋隧道巖層的物理力學(xué)指標(biāo)

5 討 論

在實(shí)際施工中，應(yīng)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法來滿足隧道工程的施工需要，能夠有效滿足大跨徑結(jié)構(gòu)的施工要求，也能夠?qū)κ┕ぶ锌赡艽嬖诘娘L(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行一定的控制和調(diào)整?；趪鷰r結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的不同，在實(shí)際應(yīng)用施工過程中，需要重視圍巖結(jié)構(gòu)的支護(hù)處理，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況，并對(duì)注漿的溫度和速度進(jìn)行更加合理的控制，以此來提高隧道工程實(shí)際的施工質(zhì)量。

經(jīng)過上述施工技術(shù)、塌方風(fēng)險(xiǎn)防范研究，將得出的技術(shù)方案、風(fēng)險(xiǎn)防范方案應(yīng)用到工程施工中。在現(xiàn)場施工階段，出現(xiàn)了連續(xù)多天降水的天氣，隧道工程洞口段出現(xiàn)了一個(gè)直徑為5 m的小面積塌方，此后并未出現(xiàn)塌方問題。從整體上來看，由于施工中并沒有出現(xiàn)此類工況下容易存在的頻繁塌方問題，因此，可以說明上述施工技術(shù)方案以及風(fēng)險(xiǎn)防范方案比較有效、合理。因此，上述研究方法適用于淺埋黏土層大跨度隧道工程，可以借助此方法進(jìn)行同類工程的施工技術(shù)、塌方風(fēng)險(xiǎn)防范研究，以獲得更好的施工組織方案，促進(jìn)工程施工的順利開展。

6 預(yù)防隧道塌方的有效措施

針對(duì)黏土層大跨度隧道工程中存在的風(fēng)險(xiǎn)問題，要想更好的減少隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)，主要可以采取以下幾個(gè)方面的措施。

首先，針對(duì)隧道施工過程中的地質(zhì)問題，可以在實(shí)際施工中做好圍巖強(qiáng)度和圍巖完整性的探測，并通過加強(qiáng)隧道開挖的觀測和跟蹤來更好的滿足對(duì)隧道工程施工現(xiàn)場進(jìn)行探測的目的。在得到相應(yīng)的探測結(jié)果之后，就可以結(jié)合隧道工程的實(shí)際情況來對(duì)地層進(jìn)行加固，從而更好的滿足防止地面沉降的目的。

其次，通過土體改良措施，能夠?qū)柟毯吞岣咚淼拦こ虆^(qū)域土質(zhì)的穩(wěn)定性起到重要的作用。以保證土質(zhì)穩(wěn)定性為主要目的，應(yīng)用漿液灌注的措施，更好的滿足土體加固的需要。

在采取以上措施的過程中，隧道工程施工現(xiàn)場的檢測需要重點(diǎn)注意對(duì)各種監(jiān)測項(xiàng)目位移速率的監(jiān)控和有效測量，見表7。在隧道工程建設(shè)過程中，需要結(jié)合位移速率來確定施工地表路面的沉降量，并將其作為隧道工程開挖的主要依據(jù)，減少地表出現(xiàn)起拱破損現(xiàn)象的概率。

表7 位移速率控制基準(zhǔn)

7 結(jié) 論

綜上所述，增強(qiáng)技術(shù)措施和有效落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)防范方案，能夠提升隧道工程施工水平。針對(duì)具體的技術(shù)難點(diǎn)與塌方風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行施工技術(shù)的選用以及方案的確立，可以有效降低塌方風(fēng)險(xiǎn)，保障隧道工程建設(shè)任務(wù)的順利完成。