王興旺,佘麗麗
(1.湖南省建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410007; 2.湖南省交通工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)
近些年,隨著鐵路行業(yè)的快速發(fā)展和先進(jìn)技術(shù)的不斷應(yīng)用,在地質(zhì)復(fù)雜的地區(qū),長大隧道的應(yīng)用越來越廣泛。但受到各類因素的影響,塌方成為隧道施工中常遇問題之一[1]。
現(xiàn)階段隧道預(yù)防及處治塌方的常見方式有:地表注漿、超前導(dǎo)管、管棚技術(shù)等。陜北分布著大量砂質(zhì)黃土山體,對于塌方體的單一處理方式很難達(dá)到理想效果[2],特別是在隧道穿越洞口段,對于溜塌體的處理,需要經(jīng)過嚴(yán)格的論證和綜合的治理,確保隧道施工安全平穩(wěn)進(jìn)行。
該文以砂質(zhì)黃土山體隧道(郝家坪隧道)為例,通過各種工程措施綜合處理隧道洞口溜塌體,論證所提方案的可行性,為后續(xù)的砂質(zhì)黃土隧道施工提供借鑒與經(jīng)驗(yàn)。
該線鐵路有多段隧道分布黃土段落,黃土類型包含黏質(zhì)新黃土、黏質(zhì)老黃土、砂質(zhì)新黃土、砂質(zhì)老黃土,結(jié)構(gòu)性能差異較大[3]。覆蓋在隧道洞口段頂部及局部洞頂處的為砂質(zhì)新黃土,主要特點(diǎn)是:淺黃色,稍密~中密,土質(zhì)均勻,砂感較強(qiáng),孔隙率高[4],具濕陷性,為Ⅳ級(嚴(yán)重)自重濕陷性場地。
砂質(zhì)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)具體如下:
(1)孔隙率大、密度小、透水性好。黃土的滲透性比粒度成分類似的一般細(xì)粒土要強(qiáng),滲透具有方向性,一般水平方向比垂直方向要弱得多,滲透系數(shù)相差幾倍甚至幾十倍[5]。
(2)含水率較高。含水率在10%~29%之間,飽和度85%~90%之間,呈現(xiàn)硬塑~流塑狀態(tài)。
(3)抗水性差。以粉粒、砂類和親水性弱的礦物為主要成分的黃土,具有大孔結(jié)構(gòu)、天然含水率低的特性[5]。在干燥時可以承擔(dān)一定載荷而變形不大,但遇水浸濕后,土粒黏結(jié)性能顯著減弱,引起結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生濕陷變形,特別是干燥的黃土遇水極易崩解[6]。
(4)黃土濕陷性差異大。由于黃土成因、結(jié)構(gòu)特征及粉粒含量不同,濕陷性差異較大,濕陷性系數(shù)在0.015~0.126,特性可以從不具濕陷性到具有強(qiáng)烈濕陷性。
(5)塑性較小。通過大量試驗(yàn)測得黃土的液限取值范圍通常為23%~33%,塑限取值范圍一般為15%~20%,塑性指數(shù)取值范圍為8~13[7]。
(6)低抗剪強(qiáng)度。自然狀態(tài)下的黃土,黏聚力通常為0.03~0.06 MPa,且隨著黃土含水率的增加,抗剪強(qiáng)度相應(yīng)顯著降低。
隧道進(jìn)出洞按照“早進(jìn)晚出”的設(shè)計(jì)理念,按照“一洞一策”的總體要求針對性地進(jìn)行研究,以不刷坡或少刷坡,盡量保持原地貌為原則,摒棄以往洞口開挖平臺的傳統(tǒng)進(jìn)洞方式,積極推行回填反壓、護(hù)拱暗挖為主的“零開挖進(jìn)洞方式”,確保隧道洞口段山坡穩(wěn)定。
隧道洞門以削竹式和擋翼端墻并重轉(zhuǎn)變?yōu)閾跻矶藟橹鞯亩撮T結(jié)構(gòu)形式,通過加強(qiáng)背后填土反壓,穩(wěn)定砂質(zhì)黃土仰坡坡腳,確保山體穩(wěn)定。
坡體為結(jié)構(gòu)松散的砂質(zhì)黃土,針對溜塌體一般采用在洞口兩側(cè)的坡腳設(shè)置一定數(shù)量的抗滑樁嵌入基巖一定深度,抗滑樁上施工擋土墻,背后填土反壓。坡面一定范圍設(shè)置框架錨索(錨桿)穩(wěn)定坡體。
考慮洞口段砂質(zhì)黃土結(jié)構(gòu)松散,一般沿拱墻180°范圍施作長度30~40 m 的超前管棚或水平旋噴樁進(jìn)行超前加固。推薦采用施作精度高、咬合度好的水平旋噴樁加固方式,確保拱頂以上形成連續(xù)的承載拱結(jié)構(gòu),防止地層因失壓而出現(xiàn)坍塌。
洞口段開挖工法采用三臺階預(yù)留核心土法開挖,臺階的控制長度3~5 m,下臺階帶仰拱一次開挖到位。開挖進(jìn)尺1~2榀鋼架間距,超前支護(hù)采用小50 mm超前小導(dǎo)管,各臺階處采用小42 mm 鎖腳錨桿穩(wěn)定鋼架基腳。及時施作洞口“鎖口圈”,隧道洞口段在開挖長度達(dá)1~1.5 倍洞徑時,初期支護(hù)必須做到全斷面封閉成環(huán)以形成鎖口圈。
郝家坪隧道全長1 184.59 m,最大埋深116.64 m。隧道出口與喬坪村特大橋浩方臺對接,毗鄰省道子安公路,橋臺距離公路路肩僅10 m。地形起伏較大,植被稀疏,出口黃土自然邊坡為30°~60°,表層分布砂質(zhì)新黃土,結(jié)構(gòu)松軟,具有濕陷性,為Ⅳ級自重濕陷性場地,遇水易崩解、坍塌。
隧道出口端70 m 范圍內(nèi)為淺層溜塌體,上部寬15 m、下部寬100 m,平均厚6 m。坡腳因公路局部刷坡清方,常年清理排水溝淤積土,加上雨季沖刷,地表形成多層錯落體和裂縫,最大溜塌錯臺高差8 m,地面裂縫沿錯層環(huán)向分布,寬度2~5 cm。經(jīng)測溜塌面積> 4 500 m2,淺層溜塌方量> 24 000 m3,溜塌體如圖1 所示。
圖1 溜塌體現(xiàn)狀
3.2.1 設(shè)計(jì)情況
考慮浩方臺距離公路路肩僅10 m,橋臺及洞口施工無作業(yè)平臺,填筑平臺需占用公路范圍較大,溜塌體邊坡采用刷坡、卸載、清方,可能造成二次溜塌。各方經(jīng)過現(xiàn)場勘驗(yàn)、專家論證、仔細(xì)研討,確定在溜塌體坡腳設(shè)置21 根2.2 m 抗滑樁,樁長12 m,樁間距控制為4 m。改加固樁布置橫斷面圖如圖2 所示。
圖2 溜塌體坡腳抗滑樁布置橫斷面圖
抗滑樁樁頂設(shè)冠梁縱向連接,冠梁尺寸設(shè)為2.2 m×2 m (寬×高),冠梁上部采用高度5.5 m 的鋼筋混凝土擋墻擋護(hù),擋墻后夯填土石確保溜塌體坡腳及整體穩(wěn)固,坡面采用1 ∶1.25 的骨架護(hù)坡。
3.2.2 現(xiàn)場施工情況
為最大限度地減小對溜塌體坡腳影響,抗滑樁施工前沿作業(yè)區(qū)填筑1.5~2 m 厚黃土,增加成孔虛樁量,避免削坡;樁基采用旋挖鉆成孔,減少成孔暴露時間;合理劃分抗滑樁、冠梁、擋墻施工段,每段長度控制在16 m。
隧道出口地表起伏較大,洞口與公路面高差達(dá)24 m,洞口施工無作業(yè)平臺,需修筑便道至洞口。為減少便道修筑對砂質(zhì)黃土坡腳影響,按照“不刷坡、少擾動、先擋護(hù)”的施工原則,沿原有地形順擋墻背回填土石進(jìn)行反壓護(hù)坡,形成運(yùn)輸便道。
為最大限度地減小隧道進(jìn)洞對溜塌體的擾動,坡面采用錨網(wǎng)噴防護(hù)后,洞口超前預(yù)加固采用30 m 長水平旋噴樁,進(jìn)洞采用護(hù)拱暗挖法施工。
采用噴錨支護(hù)對隧道洞口臨時邊仰坡及明暗分界直立面進(jìn)行加固,打設(shè)小22 mm 砂漿錨桿,采用梅花形布置,長度為4.0 m,間距為1.5 m×1.5 m;鋪設(shè)小8 mm 鋼筋網(wǎng)片,網(wǎng)孔尺寸為25 cm×25 cm;噴射C25 混凝土厚度15 cm。
采用水平旋噴樁在拱墻180°范圍內(nèi)進(jìn)行超前加固,旋噴樁長度30 m,樁徑為0.5 m,樁間距0.4 m,咬0.1 m;所有旋噴樁內(nèi)插等長度的小42 mm×5 mm 鋼管,增強(qiáng)旋噴樁抗剪強(qiáng)度。拱墻旋噴樁超前支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。
圖3 拱墻旋噴樁超前支護(hù)設(shè)計(jì)圖(單位:cm)
考慮暗洞開挖上部土層受擾動易滑塌,存在安全風(fēng)險(xiǎn),采用護(hù)拱暗挖。先行沿著明暗分界處施作導(dǎo)向墻,沿導(dǎo)向墻反向接長明洞段初期支護(hù),接著施作100 cm 厚的C35鋼筋混凝土護(hù)拱,澆筑混凝土與圍巖密貼形成上部拱結(jié)構(gòu)。護(hù)拱施作完成后采用三臺階預(yù)留核心土法開挖。
4.4.1 開挖工法
郝家坪隧道洞口段開挖尺寸為跨度11.42 m,高度為11.3 m,采用微三臺階預(yù)留核心土法開挖,如圖4 所示。上臺階高度3.6 m,長度5 m,預(yù)留核心土距頂面高度約1.7 m,核心土長約3 m;中臺階高度3.6 m,長度5 m,下臺階帶仰拱一次開挖成型,循環(huán)進(jìn)尺為1~2榀鋼架間距。在隧道洞口段,當(dāng)開挖長度達(dá)到1~1.5 倍洞徑時,初期支護(hù)必須做到全斷面封閉成環(huán)以形成鎖口圈。
圖4 三臺階預(yù)留核心土法(單位:m)
4.4.2 支護(hù)參數(shù)
超前支護(hù)采用小42 mm×3.5 mm 鋼管,長度為3.5 m,環(huán)向間距為40 cm/根,在拱部120°范圍施工作業(yè),外插角范圍宜取5°~10°,縱向每隔兩榀鋼架施作一環(huán);掌子面自穩(wěn)能力較差時,適當(dāng)增設(shè)長度6 m 的小60 mm×5 mm 長導(dǎo)管。全環(huán)采用H230 格柵鋼架,鋼架基腳設(shè)置兩根小42 mm×3.5 mm 鋼管,長度為4 m,每環(huán)設(shè)置根數(shù)為12 根;全環(huán)設(shè)置雙層小8 mm 鋼筋網(wǎng)片,網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm;全環(huán)噴射厚度為30 cm 的C25 混凝土。
4.4.3 施工效果
郝家坪隧道出口段通過快挖快支快封閉成環(huán),隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形收斂得到有效控制(相關(guān)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)見表1),最大地表沉降值24.1 mm,最大拱頂沉降值53.6 mm,最大水平收斂值30.9 mm,均遠(yuǎn)小于變形管理控制總量值要求(地表沉降正常限90 mm、拱頂沉降正常限值75 mm、水平收斂正常限值35 mm),施工安全質(zhì)量可控。
表1 出口段結(jié)構(gòu)體監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表
(1)砂質(zhì)黃土隧道洞口段溜塌體施工應(yīng)遵循“不刷坡、少擾動、先擋護(hù)”的原則,坡腳嚴(yán)禁挖方卸載;通過溜塌體坡腳設(shè)置抗滑樁,夯實(shí)回填土石反壓坡腳,最大限度地減小對溜塌體的擾動。
(2)砂質(zhì)黃土溜塌體段采用施作精度高、咬合度好的水平旋噴樁超前加固方式,確保拱頂以上形成連續(xù)的承載拱結(jié)構(gòu);通過接長明洞段初期支護(hù),施作護(hù)拱后暗挖。上述措施有效防止了砂質(zhì)黃土因開挖失壓而出現(xiàn)溜塌現(xiàn)象。
(3)采用微三臺階預(yù)留核心土法開挖,通過快挖快支快封閉成環(huán)施工技術(shù),及早形成洞口鎖口圈,做到有效控制初期支護(hù)變形收斂,確保了砂質(zhì)黃土隧道洞口段的施工安全。