軟弱腐殖土隧道開挖施工技術(shù)

呂偉

【摘 要】本文通過青榮城際蓁山隧道腐殖土段洞身開挖的理論分析和施工實踐，從地表注漿加固、長管棚超前支護、預(yù)留核心土、臨時仰拱等幾個施工關(guān)鍵技術(shù)，進行了數(shù)值分析和闡述，對控制隧道圍巖變形、保證隧道安全施工、降低工程造價都具有重要的理論指導(dǎo)和工程實踐意義。

【關(guān)鍵詞】軟弱腐殖土；隧道；開挖；施工技術(shù)

1 工程概況

由中鐵二十局集團第四工程有限公司承建的青榮城際鐵路蓁山隧道，位于煙臺市芝罘區(qū)境內(nèi)，全長5505m，大部分地段為淺埋段暗挖，出口青煙DK210+513-青煙DK210+440段位于市區(qū)內(nèi)，多處下穿城市道路及建筑物，地質(zhì)差，屬于舊水庫回填區(qū)，埋深8-16m，中臺階以上為軟弱腐殖土，主要為素填土、雜填土以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，雜填土主要為建筑垃圾、生活垃圾及工業(yè)垃圾土；水塘底的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為軟塑～流塑，強度低。自穩(wěn)能力極差，圍巖變形控制非常困難，開挖后極易產(chǎn)生坍方，嚴(yán)重時發(fā)生涌泥、涌水及坍塌等現(xiàn)象，給工程施工安全帶來極大的危害 。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 腐殖土地層聯(lián)合加固技術(shù)

2.1.1 地表注漿

首先根據(jù)軟弱腐殖土的特性通過注漿設(shè)計計算出注漿施工參數(shù)。在隧道開挖輪廓線外2m內(nèi)，使用KR909-1液壓多功能鉆機在地表打設(shè)Φ89×6mm無縫鋼管，按1m×1m矩形布置，注漿作業(yè)。注漿施工時先施工隧道兩側(cè)兩排，兩側(cè)注水泥水玻璃雙液漿，后用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿補注，以堵截兩側(cè)水路，封閉中間段落。將水泥-水玻璃雙液漿注入一定范圍內(nèi)需加固的軟弱腐殖土中，使?jié){液與周圍的腐殖土產(chǎn)生凝結(jié)，從而達到改變土體工程性質(zhì)增加土體強度的目的，具體見圖1地表注漿施工布置圖 。

2.1.2 打設(shè)超前管棚

根據(jù)結(jié)構(gòu)計算與現(xiàn)場實踐，合理確定大管棚支護參數(shù)。采用導(dǎo)向跟管鉆進技術(shù)在隧道拱部144°范圍內(nèi)采用一環(huán)長20m，直徑Φ108mm，壁厚t=6mm的超前大管棚支護，管棚環(huán)向間距30cm，注水泥漿，見圖2管棚橫斷面布置。每完成一根鋼管，即開始注漿施工，注漿采用水泥漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥采用PO.42.5水泥。由孔口注入水灰比為1：1的水泥漿，泵壓不宜過大，一般注漿壓力控制在0.8～1.5MPa，以充滿鋼管內(nèi)外空隙為度，停止注漿15～30分鐘后進行二次補漿，確保管內(nèi)外填充質(zhì)量，二次補漿可采用超細(xì)水泥作為注漿材料。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：終壓下注漿量小于0.1L/min，持壓10min即可。

現(xiàn)場實踐過程中上臺階開挖超過15m時，長管棚離開挖輪廓較遠，其作用已不明顯，此時洞頂會有小型坍塌。根據(jù)設(shè)計、理論計算諸結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場確定軟弱腐殖土地層長管棚最佳長度為20m，每環(huán)搭接長度5m。大管棚施工技術(shù)在軟弱腐殖土地層中可有效的提高土層物理參數(shù)，增大地層自穩(wěn)能力，從而起到控制地層變形、避免塌方現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2 三臺階開挖技術(shù)

根據(jù)大量理論分析進行方案比選以及現(xiàn)場實踐表明軟弱腐殖土圍巖中采用三臺階臨時仰拱法并在掌子面預(yù)留核心土支撐掌子面可有效的控制圍巖變形，隧道開挖后在掌子面預(yù)留核心土可有效的控制掌子面位移及掌子面前方的地表沉降。根據(jù)監(jiān)控量測反饋結(jié)果顯示在此類圍巖在掌子面開挖后3-10d變形速度最快變形量最大，此時在其他主動防護措施在外臨時仰拱作為一種有效補充控制圍巖周邊收斂及地表變形作用明顯。

2.2.1 預(yù)留核心土

實踐證明，在隧道施工中，留核心土法是增強掌子面穩(wěn)定的一種有效的輔助施工方法。

預(yù)留核心土尺寸：

核心土尺寸具有最佳值，且合理留設(shè)核心土可以取得較好的工程效果。核心土尺寸主要包括核心土長度和核心土高度，建模分析如下：

1）工作面核心土長度

利用三維有限元方法對對其進行分析，所建立的有限元模型如圖3有限元計算模型所示。

計算考慮了以下幾種工況參數(shù)：埋深變化為1D、1.5D和2.0D；臺階留設(shè)長度變化為0（全斷面開挖）、0.5D和1.0D，分別考慮有無核心土情況。

（1）對工作面應(yīng)力分布的影響

對隧道埋深為2D，有無核心土?xí)r，沿工作面縱軸方向中心線處不同臺階長度的工作面大、小主應(yīng)力分布如圖4。由圖知，工作面土體最有可能因松弛而發(fā)生破壞的是全斷面條件，因此時主應(yīng)力差值為最小且最小主應(yīng)力幾乎為零，工作面土體處于平面應(yīng)力狀態(tài)。這一情況，隨著臺階法開挖而有所改善，但并沒有改變最小主應(yīng)力的大小。但當(dāng)留設(shè)核心土?xí)r，從圖中很明顯看出，工作面大、小主應(yīng)力的分布得到顯著改善，且最小主應(yīng)力較大。這使得工作面的土體易于維持三向應(yīng)力狀態(tài)，從而保證了工作面正面土體的穩(wěn)定。

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（2）對工作面土體位移的影響

有無核心土的比較與分析

不同埋深及臺階長度下，工作面有無核心土?xí)r，沿隧道推進方向的工作面水平位移的變化特征見圖5（a、b、c）。當(dāng)埋深為1.5D時，不同核心土（臺階）長度條件下，沿隧道推進方向的工作面水平位移變化見圖5。

（a）工作面水平位移變化特征

（b）工作面水平位移變化特征

（c）工作面水平位移變化特征

由圖可得以下認(rèn)識：

在相同的臺階長度條件下，工作面留設(shè)核心土能明顯抑止向隧道內(nèi)空運動的水平位移。

隨隧道埋深增加，向隧道內(nèi)空的水平位移逐漸增大。

隨核心土留設(shè)長度的增加，其水平位移量減少。但由圖6也可以看出，核心土增大一倍后的抑止水平位移效果并不是非常顯著。埋深為1D和2D時，也反映與此相同的規(guī)律。這意味著核心土（臺階）長度存在著最佳值。

（3）核心土對工作面前方水平位移的影響

在隧道埋深為1.5D，臺階（核心土）長度為1D時，沿工作面自由表面高度范圍內(nèi)，工作面前方不同點的水平位移分布特征見圖7。不同埋深、核心土條件下，工作面前方各點沿隧道推進方向的水平位移變化趨勢見圖8（a、b、c）。

由圖表明如下規(guī)律：

沿隧道開挖方向，水平位移在臨空面處表現(xiàn)為最大?？傮w呈現(xiàn)的特征為中間大、拱部和近核心土面處小。

核心土的設(shè)置盡管能抑止水平位移，但其作用范圍有限。在超前工作面1m左右處其作用最大，然后隨超前距離的增加，其抑止作用弱化。當(dāng)工作面超前距離大于3m時，核心土抑止水平位移的相對值趨于零。這從另一方面了說明了在地層條件差時，擬單純依靠核心土的作用并不能控制水平位移。

在一定的地層條件下，工作面前方范圍存在著松弛區(qū)（水平位移方向朝向隧道內(nèi)空運動）和壓密區(qū)（水平位移背離隧道內(nèi)空方向）。這一表現(xiàn)特征與實測結(jié)果相一致。

隨埋深增大，水平位移增大；而隨核心土長度增加，水平位移趨于減少，但降低的幅度有限。

工作面不留設(shè)核心土?xí)r，其工作面前方1D以外地層仍在運移，而留設(shè)核心土以后，可大幅度降低此范圍。對不同埋深條件下，若核心土長度為0.5D時，則約在工作面前方2m處的水平位移漸趨于零；而當(dāng)核心土長度增加至1D時，工作面前方約1.5m處的水平位移表現(xiàn)為背離隧道內(nèi)空方向，土體顯示出擠壓趨勢。由此也說明了淺埋暗挖隧道核心土留設(shè)的必要性。

由圖可得出以下幾點基本認(rèn)識：

工作面留設(shè)核心土對控制地層下沉有一定的作用，但效果不如抑止水平位移明顯。

隨核心土長度的增加，地層下沉雖有所減少，但由圖表明，核心土留設(shè)長度過大時，地層下沉卻表現(xiàn)為增加趨勢。這一點與核心土抑止水平位移的效果卻相反，說明核心土長度存在合理值。

隨埋深增大，地層下沉也呈遞增趨勢。

地層下沉的超前影響范圍大。這一特征表現(xiàn)是隨埋深增加而增加。

綜合以上分析，對工作面留設(shè)核心土可得出以下幾點初步結(jié)論：

合理的核心土長度，能同時抑止地層的水平位移和地層的垂直位移，但其控制地層水平位移的效果優(yōu)于下沉。

工作面處及工作面前方地層的運移是以水平位移為主，因此工作面正面預(yù)支護主要是抑止向隧道內(nèi)空的水平位移。盡管其對地層下沉也有一定的作用，但作用甚微。

增大核心土長度能顯著控制水平位移，但超過一定值后卻會導(dǎo)致地層下沉增加。這清楚地表明：核心土（臺階）長度存在著最佳長度。分析認(rèn)為，對臺階（核心土）長度的建議值為：最小值不宜小于0.5D，而最大值不宜大于1D。

工作面留設(shè)核心土不僅能有效降低松弛區(qū)的范圍，而且能在工作面前方產(chǎn)生壓密區(qū)。

2）工作面核心土高度

工作面核心土的高度是核心土留設(shè)的另一重要參數(shù)，圖10說明了不同工況條件下，核心土留設(shè)高度與工作面臨界高度的關(guān)系。

工作面留設(shè)一定高度的核心土，能有效控制工作面的開挖穩(wěn)定性。

核心土留設(shè)高度愈大，計算臨界高度值愈大，工作面愈穩(wěn)定。

盡管增大核心土高度利于控制工作面穩(wěn)定，但畢竟存在一個施工上的極限高度。

無核心土的工作面自由表面處，如前所述，水平位移依然產(chǎn)生，若地層條件差，則必然造成工作面土體剝落坍塌。因此這意味著為控制工作面自由表面處的穩(wěn)定，工作面正面預(yù)支護的存在有其必要性。

根據(jù)以上原理計算并結(jié)合圍巖量測情況，確定在此地層中開挖核心土預(yù)留長度為6-8m，高度為4m。

增大核心土長度能顯著控制水平位移，但超過一定值后卻會導(dǎo)致地層下沉增加。這清楚地表明：核心土（臺階）長度存在著最佳長度。分析認(rèn)為，對臺階（核心土）長度的建議值為：最小值不宜小于0.5D，而最大值不宜大于1D。經(jīng)過不同長度及高度核心土對對圍巖影響效果對比，，確定在此地層中開挖核心土預(yù)留長度為6-8m，高度為4m。

2.2.2 臨時仰拱法

臨時仰拱作為地質(zhì)條件較差情況下隧道施工方法的一種輔助措施，施工工藝簡單實用，經(jīng)濟效益顯著，在隧道輔助措施中得到了廣泛應(yīng)用。在可能發(fā)生大變形的淺埋地段，以注漿加固為主進行主動加固，臨時仰拱作為必要補充。

臨時仰拱采用I18工字鋼，縱向間距1m，并噴射混凝土，必要時應(yīng)加大支護拱腳及臨時豎撐。

3 結(jié)論

實踐表明蓁山隧道腐殖土段開挖施工中采用優(yōu)化的三臺階臨時仰拱法并在掌子面預(yù)留核心土支撐掌子面可有效的控制圍巖變形，根據(jù)監(jiān)控量測反饋結(jié)果顯示在此類圍巖在掌子面開挖后3-10d變形速度最快變形量最大，此時在其他主動防護措施在外臨時仰拱作為一種有效補充控制圍巖周邊收斂及地表變形作用明顯，該技術(shù)可以更加有效的控制隧道圍巖變形、保證隧道安全快速施工、降低工程造價，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。

【參考文獻】

[1]樓曉明，鄭俊杰，張榮軍.隧道施工引起的地表變形數(shù)值模擬[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]