過膨脹土隧道塌方段施工技術(shù)研究與應(yīng)用

胡世權(quán)

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

膨脹土具有吸水收縮、失水膨脹的工程特性[1]。由于這一特殊特性，在膨脹土隧道修建過程中常常遇到隧道大變形或襯砌開裂的情況，這給隧道工程的施工帶來了巨大的影響。目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展了對(duì)膨脹土的廣泛研究[2－5]，Alonso等學(xué)者通過考慮微觀和宏觀兩種結(jié)構(gòu)水平建立了膨脹土的力學(xué)模型[6];黎錫貴以牛毛井隧道為例總結(jié)了膨脹土隧道洞口段快速施工技術(shù)[7];陳正漢等學(xué)者采用CT技術(shù)給出了膨脹土和黃土的結(jié)構(gòu)性定義和結(jié)構(gòu)演化變量，克服了憑空假設(shè)的不足[8]。雖然目前對(duì)膨脹土強(qiáng)度特性的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但總結(jié)起來，對(duì)快速通過膨脹土隧道塌方段的施工技術(shù)總結(jié)還是比較少的。而隧道塌方是膨脹土隧道中經(jīng)常遇到的工程災(zāi)害，其對(duì)工程的安全施工和成本造價(jià)都有很大的影響，文章以新建太興鐵路小河溝隧道為例，詳細(xì)闡述了無工作室超前大管棚技術(shù)及改進(jìn)“三臺(tái)階七步法”在過膨脹土隧道塌方段中的應(yīng)用，力求為同類隧道的施工建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

小河溝隧道是太興鐵路線上第一長大特殊膨脹性土質(zhì)隧道，其起止里程為DK73+754～DK75+557，全長1803m，隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，表層土體(由細(xì)膩的膠體顆粒組成)豎向節(jié)理和斜交剪切裂隙密集發(fā)育，斷口面光滑，隧道縱斷面如圖1所示。

圖1 小河溝隧道縱斷面圖

隧道施工初期膨脹土體多表現(xiàn)為強(qiáng)脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性、強(qiáng)度衰減、遇水崩解、風(fēng)化特性。隨雨季期強(qiáng)降水，致使膨脹土體吸水至充填土體裂隙，土體膨脹變形，襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，尤其是洞口段拱腳處滲漏水嚴(yán)重。洞身膨脹土圍巖接近甚至超過塑限，部分土體呈硬塑狀，大部分呈軟塑狀，局部呈流塑狀，穩(wěn)定性差，極易坍塌掉塊。針對(duì)這種圍巖變形大，施工難度高的膨脹土質(zhì)隧道，施工過程稍有不慎，會(huì)嚴(yán)重危及施工安全。

文章以小河溝膨脹土隧道為工程背景，經(jīng)過對(duì)其施工技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得出了一套適用于膨脹土隧道塌方段施工技術(shù)及隧道開挖支護(hù)方法。實(shí)踐證明，采取的施工技術(shù)措施是科學(xué)合理的，確保了隧道在安全有序的環(huán)境下施工。

1 隧道塌方概述

2011年7月31日凌晨，小河溝隧道DK75+193～DK75+262.7段山體發(fā)生坍陷、滑移，坍陷深度達(dá)5m以上。山體滑移情況如圖2所示。DK75+180～DK75+247段山體(圖2白圓圈部分)由線路左側(cè)向右前方(DK75+247～DK75+252段)坍陷滑移，同時(shí)DK75+252～DK75+265段山體(圖2黑圓圈部分)向右后方(DK75+247～DK75+252段)坍陷。圖2中黑色箭線為左線中心線。

坍陷后山體形成大量斷裂、陷坑，滑移體呈持續(xù)沉降變化，土體涌入隧道造成隧道塌方(如圖3所示)。

圖2 山體的塌陷和滑移

圖3 土體涌入后洞內(nèi)形成塌方實(shí)景

2 無工作室超前大管棚過塌方段技術(shù)

2.1 超前管棚方案的確定

由于DK75+193～DK75+262.7段山體發(fā)生滑移，所以導(dǎo)致隧道圍巖整體受到擾動(dòng)，為了安全通過塌方段，采用超前大管棚技術(shù)。為減少安裝超前大管棚對(duì)圍巖的再次擾動(dòng)，應(yīng)用無工作室超前大管棚技術(shù)，這樣既節(jié)省了施工空間又減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)如圖4所示。

圖4 無工作室超前大管棚的安裝

拱部120°范圍內(nèi)設(shè)Φ108超前管棚支護(hù)，每環(huán)長15m，環(huán)向間距0.4m，縱向搭接長度3m，外插角1～3°，注1:1的水泥漿如圖5所示。

圖5 無工作室超前大管棚注漿

通過采用無工作室超前大管棚技術(shù)，隧道拱頂圍巖的穩(wěn)定性得到了保證，防止了隧道再次發(fā)生塌方。同時(shí)也大大節(jié)省了工程成本，縮短了施工時(shí)間。

2.2 數(shù)值模擬

應(yīng)用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)超前大管棚支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，理論驗(yàn)算支護(hù)效果。

(1)模型參數(shù)

模型尺寸為110m×96m×20m(長，寬，高)，隧道拱頂埋深33m。初次支護(hù)噴射混凝土厚30cm，采用shell單元模擬，錨桿采用cable計(jì)算單元模擬，計(jì)算模型如圖6所示，圍巖材料參數(shù)見表1。

圖6 超前大管棚支護(hù)的數(shù)值計(jì)算模型

表1 模型力學(xué)參數(shù)

(2)管棚加固區(qū)模擬

注漿完成后，長管棚與注漿加固圈在拱頂形成了穩(wěn)固可靠的固結(jié)殼。在模擬計(jì)算中，為了考慮這種殼效應(yīng)，通過提高管棚與加固圍巖形成的厚筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，其注漿厚度計(jì)算見公式(1)[9]。

式中:D為注漿厚筒的厚度，m;R為漿液的擴(kuò)散半徑，m;S為相鄰兩注漿孔的間距，m。

表2 加固區(qū)力學(xué)參數(shù)

計(jì)算后所得管棚加固區(qū)的有效厚度為60cm，其力學(xué)參數(shù)如表2所示，管棚加固區(qū)模擬圖(如圖7所示)。

圖7 管棚加固區(qū)模擬圖

(3)計(jì)算結(jié)果

管棚受力變形圖如圖8、9所示，由圖可見管棚和管棚加固的區(qū)域的最大應(yīng)力并不是發(fā)生在掌子面上，而是發(fā)生在掌子面前方未開挖階段，距掌子面4～5m的范圍內(nèi)，這充分證明了管棚對(duì)掌子面前方土體的加固作用，保證掌子面前方土體的穩(wěn)定性。

圖8 管棚受力變形圖

圖9 管棚加固區(qū)域z向應(yīng)力圖

通過現(xiàn)場實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算表明應(yīng)用超前大管棚技術(shù)可以順利通過膨脹土隧道塌方地段。

3 改進(jìn)三臺(tái)階七步開挖工法

由于膨脹土特殊的力學(xué)變形特性，在膨脹土隧道施工中，應(yīng)使隧道襯砌盡早閉合成環(huán)，這樣就有利于避免隧道塌方等工程災(zāi)害的發(fā)生，為隧道的施工安全提供重要保證。

在實(shí)際隧道施工中，選擇合理的開挖工法是膨脹土圍巖隧道安全快速施工的理論基礎(chǔ)。小河溝膨脹土隧道原來采用預(yù)留核心土三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行施工，實(shí)踐證明該施工工法與膨脹土隧道的變形特征不相符合，無法保證隧道開挖時(shí)圍巖的穩(wěn)定。因此，結(jié)合場地膨脹土圍巖的理化特性，對(duì)原有工法進(jìn)行了改進(jìn)。具體施工流程如圖10所示。

圖10 膨脹土隧道改進(jìn)三臺(tái)階七步法施工工序簡圖

其詳細(xì)施工順序?yàn)?

(1)上部弧形導(dǎo)坑①部開挖，在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行，環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核心土長度宜為3～5m，寬度宜為5～6m。開挖后立即初噴3～5cm砼。及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，并架設(shè)上臺(tái)階臨時(shí)仰拱I20a鋼架，噴22cm厚混凝土。

(2)、(3)開挖左側(cè)中、下臺(tái)階③、④:開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，最大不得超過0.5 m，中、下臺(tái)階錯(cuò)開2～3m。開挖后及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，并架立中臺(tái)階左半幅臨時(shí)仰拱，復(fù)噴砼至設(shè)計(jì)厚度。

(4)、(5)開挖右側(cè)中、下臺(tái)階⑤、⑥ :按照開挖左側(cè)中、下臺(tái)階的方法進(jìn)行開挖右側(cè)中、下臺(tái)階，開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，最大不得超過0.5m，中、下臺(tái)階錯(cuò)開2～3m，開挖后及時(shí)進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)，并架立中臺(tái)階右半幅臨時(shí)仰拱鋼架，復(fù)噴砼至設(shè)計(jì)厚度。

(6)開挖隧底⑦ :每循環(huán)開挖進(jìn)尺長度宜為3～5m，開挖后及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)，并及時(shí)施作仰拱。

(7)開挖核心土②:通過改進(jìn)工法，使得隧道圍巖卸荷方式更加合理，大大減少了隧道開挖后圍巖的變形量，減少了隧道塌方的可能性。

采用WRF V3.5模式和NCEP 1°×1°全球再分析資料,對(duì)2010年7月20—21日遼寧地區(qū)的一次強(qiáng)降水過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬試驗(yàn)中心位于(116°E,42°N),采用蘭伯特投影,標(biāo)準(zhǔn)緯度30°、60°;采用三層單向嵌套網(wǎng)格區(qū)域,水平分辨率分別為27、9、3 km,第一層網(wǎng)格覆蓋東亞區(qū)域220×200,第二層網(wǎng)格覆蓋整個(gè)東北地區(qū)271×289,第三層網(wǎng)格覆蓋遼寧265×262(圖1);垂直分層為35層,模式層頂氣壓50 hPa。

圖11、12分別是采用三臺(tái)階七步法改進(jìn)前與后開挖隧道時(shí)的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，圖11中表明按照三臺(tái)階七步開挖法施工時(shí)拱頂下沉最大能達(dá)到380mm，而改進(jìn)后施工時(shí)拱頂下沉最大才130mm，這說明了我們所采取的支護(hù)參數(shù)和創(chuàng)新性施工工藝是科學(xué)合理的。

圖11 隧道洞內(nèi)改進(jìn)工法前監(jiān)控量測

圖12 隧道洞內(nèi)改進(jìn)工法后監(jiān)控量測

4 支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

4.1 支護(hù)參數(shù)

初支鋼架采用I22型鋼、主筋Φ32格柵鋼架兩種，間距50cm，交錯(cuò)設(shè)置。鋼筋網(wǎng)采用φφ8鋼筋，網(wǎng)格間距20cm×20cm。噴C25混凝土，厚度35cm。鎖腳錨管采用Φ60無縫鋼管，l≥4.5m，拱腳向上30cm，向下傾角35°打設(shè)，每處2根。型鋼、格柵鋼架邊墻部位徑向注漿采用φ42無縫鋼管或φ32自進(jìn)式中空注漿錨管，管長為5m，環(huán)、縱向間距1×0.5m，梅花形布置，注漿量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際數(shù)量確定。

超前小導(dǎo)管采用 Φ42無縫鋼管，環(huán)向間距40cm，縱向3m一環(huán)在拱部布設(shè)，小導(dǎo)管單根長4.5 m，外插角5～10°，注漿量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際數(shù)量確定。

臨時(shí)仰拱采用I20a型鋼，采用C25砼素噴，噴射厚度為22cm，臨時(shí)仰拱之間采用鋼板連接，鋼板尺寸240mm×240mm×1500mm。

4.2 保證大鎖腳的安裝質(zhì)量

為保證隧道安全施工，防止圍巖失穩(wěn)破壞，在臺(tái)階之間轉(zhuǎn)換時(shí)必須保證鎖腳的安裝質(zhì)量。

4.3 調(diào)整圍巖預(yù)留變形

隧道內(nèi)的預(yù)留變形量是指圍巖荷載引起的下沉量或變形量，也指比設(shè)計(jì)位置預(yù)先提高的量。預(yù)留變形量的大小，受地質(zhì)、開挖方式、支護(hù)構(gòu)造和材質(zhì)、開挖之后到襯砌之前經(jīng)過的時(shí)間等因素控制，所以宜結(jié)合實(shí)際情況，采用適合于現(xiàn)場條件的最小預(yù)留變形量。隧道總變形以預(yù)留變形量控制為主，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測[10～11]，確保洞內(nèi)施工安全。

考慮到膨脹土體吸濕后其體積的變化與土體內(nèi)部吸力的喪失、襯砌結(jié)構(gòu)的受力變化，施工場地的預(yù)留變形量不能只是針對(duì)鋼支撐做保險(xiǎn)計(jì)算，在襯砌施工時(shí)，為防備模板與襯砌結(jié)構(gòu)的整體下沉或內(nèi)擠，需要將預(yù)留量做適當(dāng)放大。

4.4 工序銜接

采用三臺(tái)階七步法施工，必須要保證各部的及時(shí)銜接。并且開挖完成后宜及時(shí)完成初期支護(hù)的安裝，避免因膨脹土圍巖暴露時(shí)間過長或浸水膨脹而導(dǎo)致變形過大，增加治理的難度與費(fèi)用。同時(shí)，考慮到膨脹土圍巖的變形是隨時(shí)間變化的一個(gè)過程，膨脹應(yīng)力是這種變化的根本原因，施工過程宜加強(qiáng)工序的有效銜接，縮短土體增濕膨脹變形破壞所需時(shí)間，即要突出體現(xiàn)一“快”字，規(guī)范施工管理，強(qiáng)化流程銜接。

5 結(jié)語

膨脹土“浸水膨脹，失水收縮”的特性，給膨脹土隧道的施工帶來了巨大的安全難題，尤其在膨脹土隧道關(guān)鍵段的施工，必須改善施工技術(shù)，加強(qiáng)支護(hù)對(duì)策。

(1)對(duì)于膨脹土隧道塌方段，建議采用無工作室超前大管棚技術(shù)，既節(jié)省工作空間并減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)又對(duì)前方土體進(jìn)行支護(hù)，防止塌方產(chǎn)生。

(2)實(shí)踐證明，采用傳統(tǒng)三臺(tái)階七步開挖法不能保證隧道的安全施工，因此，結(jié)合場地膨脹土圍巖的理化特性，需要對(duì)工法進(jìn)行改進(jìn)。

(3)施工中應(yīng)加強(qiáng)圍巖含水量檢測，防止含水量過大，另外調(diào)整圍巖預(yù)留變形量，確保洞內(nèi)施工安全。

總而言之，膨脹土為我國較特有的土質(zhì)，工程中有著廣泛的地質(zhì)災(zāi)害[7]。為了保證隧道結(jié)構(gòu)的使用性能，在施工期間需要選擇合理的施工技術(shù)與快速支護(hù)方案來增強(qiáng)隧道的使用性能。

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