黃土淺埋特大斷面隧道峭壁出洞技術探討

劉 振

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶北碚區(qū) 400700）

0 引言

黃土廣泛分布在我國秦嶺以北的華北、西北、東北等廣大地域，呈東西走向帶狀分布的特征。隨著西部大開發(fā)的實施以及“一帶一路”建設的深入，黃土地質區(qū)域迎來了越來越多的基礎建設項目， 越來越多的特大斷面隧道穿越黃土將不可避免地出現(xiàn)［1］。2005 年鄭西高鐵開建前，國內(nèi)建成的黃土隧道最大開挖斷面面積為140 m2，在鄭西高鐵項目施工中，黃土隧道開挖面面積提高至164～171 m2，而某隧道進口大斷面己超過200 m2。由于黃土巖體穩(wěn)定性差，黃土淺埋大斷面隧道工程施工存在較大的安全隱患。筆者試結合工程實踐， 探討黃土淺埋特大斷面隧道峭壁出洞技術，以期為類似工程參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某隧道全長1 418 m， 高度為18.75 m， 寬度為15.92 m，進口最淺埋深為5.91 m，為典型的黃土特大斷面隧道。 該隧道里程DK281＋851.77～DK281＋869.37 段（共17.6 m）采用擴大斷面的暗洞結構。 其中，DK281＋854.77～DK281＋869.37 段的橫斷面為對稱結構，DK281＋854.77 往小里程方向的斷面為非對稱結構。 在平面上，結構外邊緣線與線路斜交，外邊緣線與線路左線中線相交于DK281＋851.77 處，與隧道結構右側邊緣線相交于DK281＋854.77 處。

1.2 水文地質

隧道洞頂為沙質新黃土，邊墻及基底為沙巖。全風化沙巖呈松散結構， 強風化沙巖呈塊碎狀鑲嵌結構，為不良地質。隧道進口處基巖陡峭，發(fā)育危巖，巖壁直立，距溝底高約35～40 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，地勢起伏較大， 地表植被發(fā)育， 山坡自然坡度為60°～90°。

隧址區(qū)地表水主要為隧道進口沖擊溝流水，水面寬為3～5 m，水面高程為1 260 m，水位在隧道進口洞身以下，對隧道無影響。 通過鉆孔勘測發(fā)現(xiàn)，該隧道洞身范圍內(nèi)無穩(wěn)定地下水位， 地下水涌水量不大，主要受大氣降水補給，以地下徑流的方式排泄。

2 施工方案和流程

2.1 施工方案

用鋼管貝雷梁搭建鋼棧橋，作為施工通道。在里程DK281＋849.98～DK281＋860 段施作護拱，并施作洞口超前大管棚，配以小導管超前支護。 然后，采用交叉中隔壁法開挖暗洞。 開挖時，施作雙層初支，并在邊墻范圍，增設自進式錨桿，施作隧道仰拱。最后，搭設滿堂支架，進行二襯混凝土澆筑［2］。

2.2 施工流程

出洞施工流程為： 施作截水天溝→搭設施工通道→護拱、 大管棚施工→采用交叉中隔壁法開挖→仰拱施工→二次襯砌施工［3］。

3 施工技術

3.1 截水天溝

在洞頂開挖線外10 m 處， 設置C30 鋼筋混凝土截水天溝。 截水天溝的坡度不小于3‰，溝底采用三七灰土鋪底后，充分壓實，并鋪設防水板。在施工縫處，設置止水條防水，并灌注30～50 mm 厚的M10 水泥沙漿，對其進行封閉，其他部分填塞瀝青麻絮等，以防止地表水滲入開挖面，影響洞口邊、仰坡的穩(wěn)定性［4］。

3.2 搭設施工通道和作業(yè)平臺

先進行峭壁下護腳墻樁基和護腳墻的施工。 在施工過程中，預埋4 塊鋼板，鋼板下設錨固鋼筋，錨入擋墻內(nèi)1 m，將管徑800 mm、壁厚12 mm 的鋼管焊接在預埋鋼板上。 在3 號墩頂橫橋方向埋放4 塊鋼板，再在鋼板上焊接管徑800 mm、壁厚12 mm 的鋼管， 在鋼管頂部橫橋方向并列安放2 根I40 工字鋼，工字鋼上拼裝貝雷梁，在貝雷梁上安放I20 工字鋼作為分配梁，在分配梁上鋪2 cm 厚鋼板，在鋼板上焊接直徑為22 mm 的螺紋鋼筋防滑，以此作為作業(yè)通道［5］。 施工通道及作業(yè)平臺布置如圖1 所示。

圖1 施工通道及作業(yè)平臺搭設圖Fig.1 Layout of construction channel and work platform

3.3 導向墻、大管棚施工

黃土管棚鉆孔施工采用風鉆成孔， 禁止采用給水鉆操作， 否則會出現(xiàn)黃土遇水塌陷下沉而導致管棚受壓侵限的現(xiàn)象［6］。

大管棚施工前，在山體側通道平臺上搭設腳手架和操作平臺。 在里程DK281＋849.98 處，設置厚1.0 m的C20 混凝土導向墻。 在導向墻內(nèi)鋼架拱部120°范圍，采用直徑108 mm、壁厚6 mm 的無縫鋼管設置一大管棚。 管棚環(huán)向間距為3 根／m，長度為40 m。 導向鋼管由直徑140mm、 壁厚5 mm 的熱軋無縫鋼管制成。 大管棚橫斷面布置如圖2 所示。

3.3.1 導向墻及拱架施工

（1） 靠近掌子面的第一榀鋼架應與巖面緊貼，或者在掌子面開槽， 將鋼架的一部分鑲嵌在掌子面內(nèi)，四周縫隙用沙漿填塞密實。 （2）洞口段1.0 m 范圍內(nèi)，護拱鋼架安裝間距為0.5 m。安裝鋼架時，鋼梁橫向和高程允許偏差為±5 cm，垂直度允許偏差為±2°。 （3）鋼架中下部采用直徑為22 mm 的連接筋連接， 間距為1.0 m。 （4）導向墻段鋪設的鋼筋網(wǎng)與仰坡的鋼筋網(wǎng)連在一起。鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)格間距為25 cm×25 cm，鋼筋直徑為8 mm。（5）導向墻澆筑完畢且混凝土達到設計強度后，開始大管棚施工。

圖2 隧道進口導向墻超前大管棚橫斷面布置圖Fig.2 Layout of tunnel entrance guide wall large pipe shed cross-section

3.3.2 鉆孔

（1）鉆機架設平臺用型鋼搭設，鉆孔位置提前用自噴漆布點， 用1 臺鉆機由高到低依次進行鉆孔。（2）鉆機平臺要牢固、穩(wěn)定，防止因鉆機移動而影響鉆孔質量。 （3） 鉆機要與已設定好的孔口管方向平行，必須精確核定鉆機位置。用經(jīng)緯儀、掛線、鉆桿導向相結合的方法，反復調(diào)整，確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。 （4）為了便于安裝鋼管，應采用與鋼管直徑相近的鉆頭。（5）鉆機開鉆時，應低速低壓，待成孔8～10 m 后， 可根據(jù)地質情況逐漸調(diào)整鉆速及風壓。巖質較好的可以一次成孔。鉆進時，產(chǎn)生坍孔、卡鉆時，需補注漿后再鉆進［7］。 （6）在鉆進過程中，經(jīng)常用測斜儀監(jiān)控，操作手要根據(jù)鉆進的情況，判斷成孔質量，并及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的事故。（7）在鉆進過程中，應確保動力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進。 （8）要做好鉆進過程的原始記錄，為以后進行洞身開挖時的地質條件判斷提供參考資料，以幫助工程指揮人員指導洞身開挖。

3.3.3 清孔、驗孔

（1）用地質巖芯鉆桿配合鉆頭進行反復掃孔，清除浮渣，確?？讖?、孔深符合要求，防止堵孔。 （2）用高壓風自里向外進行鉆渣清理， 并且檢查孔深、傾角、外插角是否符合要求。

3.3.4 安裝管棚鋼管的施工要點

（1）鋼管選用每節(jié)長4～6 m，壁厚6 mm 的Φ108無縫鋼管。鋼管兩端車削150 mm 長的外絲（絲扣不宜太細，以免造成滑絲）。（2）注漿孔直徑為10～16 mm，呈梅花形布置，孔距為15 cm，尾部預留110 cm 止?jié){段，不鉆注漿孔。 （3）鋼管采用現(xiàn)場對接。 在直徑114 mm的鋼管內(nèi)車削30 cm 長內(nèi)絲，作為外套鋼管。 鋼管對接時，頂進一根對接一根，管下到孔底后，用高壓風再一次清孔。 （4）接長鋼管應滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應前后錯開。 同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于鋼管總數(shù)的50%，相鄰鋼管接頭至少錯開1 m。 （5）在導向管中，增設鋼筋籠，以提高導管的抗彎能力。 鋼筋籠由4 根Φ22 主筋和固定環(huán)組成，固定環(huán)間距為50 cm，環(huán)向管距為3 根／m。

3.3.5 注漿

（1） 對于黃土地層管棚， 導管施工不對地層注漿，但對鉆孔范圍內(nèi)鋼管的注漿，應充填密實。（2）采用有孔鋼花管注漿，漿液由制漿機拌制，采用水灰比1∶1 水泥漿液。 （3）采用注漿機將水泥漿液注入管棚鋼管內(nèi)，初壓0.5～1.0 MPa，終壓2 MPa，持壓15 min后停止注漿。 （4）注漿量應滿足設計要求，若出現(xiàn)注漿量滿足，但未達到壓力值的狀況，應調(diào)整注漿參數(shù)繼續(xù)補注， 確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙充填飽滿。 （5）注漿結束后，用M15 水泥沙漿充填鋼管，以增強管棚強度。

3.4 開挖

采用交叉中隔壁法進行開挖施工。

3.4.1 施工步驟（1）利用在上一循環(huán)中搭建的鋼架，施作隧道超前支護，進行左側上部開挖。 （2）對左側上部進行初期支護，左側上部設置臨時橫、豎撐，開挖右側上部。（3）對右側上部進行初期支護，右側上部設置臨時橫撐，開挖左側中上部。 （4）對左側中上部進行初期支護，左側中上部設置臨時橫、豎撐，開挖右側中上部。（5）對右側中上部進行初期支護，右側中上部設置臨時橫撐，開挖左側中下部。 （6）對左側中下部進行初期支護， 左側中下部設置臨時豎撐， 開挖右側中下部。（7）對右側中下部進行初期支護，開挖左側下部。（8）對左側下部進行初期支護，左側下部設置臨時豎撐，開挖右側下部。（9）對右側下部進行初期支護，拆除臨時橫撐和中隔墻。（10）施做橋梁樁基礎及承臺。（11）利用襯砌模板，一次性灌注拱墻，進行二次襯砌。

上、中臺階施工開挖完成后，在掌子面掛直徑為8 mm、間距為25 cm×25 cm 的鋼筋網(wǎng)片，再噴射10 cm 厚的混凝土。 上、下臺階錯開5 m，交叉錯開開挖，每次開挖1 榀，施作臨時仰拱。開挖時，在鋼架兩側腳部，應預留部分土體，確保型鋼鋼架坐落在穩(wěn)定的地層上，上、中臺階拱腳采用混凝土墊塊墊實，以防止兩側腳部懸空。

3.4.2 鋼拱架施工

第一層鋼拱架為Ⅰ25a 型鋼鋼架。 在每一榀型鋼鋼架上施作2 道臨時橫撐、1 道臨時豎撐，臨時橫撐和豎撐采用Ⅰ22a 工字鋼， 臨時噴射混凝土厚度為28 cm。 第一層鋼拱架的參數(shù)設置如下：（1）正常間距為0.6 m，漸變段左側間距為0.6 m，漸變段右側間距為0.3 m。（2）連接筋直徑為22 mm，環(huán)向間距為1.0 m。 （3）在鋼架兩側底角，設置縱向貫通的32a 槽鋼。

第二層鋼拱架為H180 型格柵鋼架。 每一榀格柵鋼架用Ⅰ22a 工字鋼作一道臨時豎撐， 臨時噴射28 cm 厚的混凝土。 第二層鋼拱架的參數(shù)設置如下：（1）正常間距為0.6 m，漸變段左側間距0.6 m，漸變段右側間距為0.3 m。（2）連接筋規(guī)格為Φ22，環(huán)向間距為1.0 m。（3）內(nèi)外層初支上、中、下臺階拱腳、墻腳位置設鎖腳錨管。 錨管為Φ42 的鋼管，長為4 m，壁厚為5 mm，每點2 根。 在鎖腳錨管斜向下45°鉆設，嚴禁水平鉆設， 鎖腳錨管應通過L 型筋與鋼架焊接，連成整體。 采用M30 水泥沙漿壓注。 （4）在邊墻沙巖范圍內(nèi)，增設自進式錨桿，錨桿長為6 m，間距為1.5 m×1.5 m，呈梅花型布置。

3.4.3 噴射混凝土

開挖后，須及時噴射混凝土，噴射工藝為濕噴。初噴4 cm 厚的混凝土，安裝拱架支撐。 外層初支噴射35 cm 厚混凝土，內(nèi)層初支噴射25 cm 厚混凝土，臨時橫、豎撐噴射混凝土厚度為28 cm。 拱架必須緊貼各臺階掌子面，各部工序之間緊密銜接。

素噴混凝土施工要點為：（1）選用普通硅酸鹽水泥，細度模數(shù)大于2.5 的硬質潔凈沙，粒徑5～12 mm連續(xù)級配碎石，化驗合格的拌和用水。 （2）噴射混凝土嚴格按設計配合比進行拌和， 攪拌均勻性檢查每班不少于兩次。（3）噴射前，認真檢查隧道斷面，對欠挖部分及所有開裂、破碎、崩解的破損處進行清理和處理，清除墻角虛渣。 （4）噴頭距巖面0.6～1.2 m，垂直于受噴面。 噴射初期支護鋼架、鋼筋網(wǎng)時，將噴頭稍加偏斜。（5）噴射路線應先邊墻后拱部，分區(qū)、分段“S”形運動，噴頭作連續(xù)不斷的圓周運動，后一圈壓前一圈1／3，呈螺旋狀噴射。 （6）噴射混凝土作業(yè)采取分段、分塊，先墻后拱、自下而上的順序進行。噴嘴做反復緩慢的螺旋形運動， 螺旋直徑約為20～30 cm，以保證混凝土噴射密實。 同時掌握風壓及噴射距離，減少回彈量。 （7）隧道噴射混凝土厚度大于5 cm 時，分兩層作業(yè)。初次噴射先找平巖面，第二次噴射混凝土應在第一層混凝土終凝1 h 后進行。 （8）噴射混凝土終凝2 h 后，進行噴水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于14 d。 （9）噴射混凝土開挖時，下次爆破距噴射混凝土完成時間的間隔不得小于4 h。

3.4.4 注意事項

在進行擴大暗洞施工時，應先逐榀開挖（嚴禁超挖），施作初支和臨時支撐，然后進行內(nèi)襯施工，循序漸進。施工中，應加強地表沉降監(jiān)測，加強洞內(nèi)沉降、收斂監(jiān)測，并加強臨時豎撐監(jiān)測。

3.4.5 養(yǎng)護

混凝土澆筑完畢，并達到初凝條件后，就要開始對混凝土進行14 d 的養(yǎng)護。 在混凝土養(yǎng)護期間，混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度之差、 表面溫度與環(huán)境溫度之差不得大于20℃，養(yǎng)護用水溫度與混凝土表面溫度之差不得大于15℃。 氣溫低于5℃時，應進行保溫處理。

3.4.6 施工注意事項

（1）開挖前，應做好邊仰坡、洞口排水、截水措施，及時清理洞口危石，并加強洞口邊仰坡監(jiān)測及防護。（2）地表為黃土地層時，截水天溝應引排至溝底，嚴禁隨坡漫流。 （3）隧道邊仰坡開挖后，應及時施作邊仰坡防護、施工便道引入和施工場地布置，以減少對原地貌破壞和對洞口土層穩(wěn)定的影響。 在進行洞口開挖時，應防止洞口段整體滑動。 （4）對需要回填的部分，可根據(jù)實際情況，采取對環(huán)境無侵蝕作用的土石或改良土等進行回填?；靥钔敛坏煤惺瘔K、碎塊、灰渣及有機雜物，也不得有凍土。 回填施工采用小型機械從低處開始均勻、對稱分層填筑，壓實，每層厚度不大于20 cm。 （5）截水天溝位于濕陷性黃土上，施工前，應采用小型夯土機械夯實溝底基礎， 防止基底不均勻沉降造成截水天溝混凝土開裂。 （6）因沙質新黃土易滑塌，施工時，應及時支護，并注意排水。 （7）在溜塌體坡腳處，設置擋墻防護，擋墻深入地面不小于1.5 m。 （8）對進洞段拱頂進行下沉和水平收斂， 并對地表沉降的變形情況進行觀測。 量測管理等級分為正常、預警二級（黃色）、預警一級，具體如表1 和表2 所示。

管理等級為預警二級時，加強監(jiān)測，密切關注其發(fā)展變化情況， 分析原因，調(diào)整施工方式，使隧道變形趨穩(wěn)，并制訂應急方案和對策；管理等級為預警一級時，應暫停施工，加強監(jiān)測，啟動應急預案，采取相應工程措施。

表1 黃土地段Ⅴ級圍巖變形總量管理等級Tab.1 Management level ofⅤlevel surrounding rock deformation amount of the loess area

表2 黃土地段Ⅴ級圍巖變形速率管理等級Tab.2 Management level ofⅤlevel surrounding rock deformation rate of the loess area

4 結語

在進行淺埋段超大斷面黃土隧道開挖時， 做好超前支護相當關鍵；對洞口做好防排水措施，對地表裂紋及時處理很有必要； 鎖腳錨桿對提高拱腳附近圍巖的承載力和控制拱腳下沉具有重要意義。 由于淺埋新黃土具有拱部整體迅速下沉的特性， 通過施工中量測數(shù)據(jù)也可表明， 型鋼鋼架對控制急劇發(fā)生的變形作用顯著。另外，做好黃土大斷面隧道監(jiān)控量測是風險預控的前提和保障。