章文波
(中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361000)
國(guó)內(nèi)高速公路經(jīng)過(guò)近十多年的發(fā)展,隨著公路向山區(qū)的延伸及受山嶺地形的限制,線路常常在崇山峻嶺中穿行,不可避免地會(huì)碰到V型溝谷、流沙地層和不良地質(zhì)。由于線路的走向及場(chǎng)地的限制,許多隧道進(jìn)出口的邊、仰坡陡峭,洞頂覆蓋層薄,存在嚴(yán)重偏壓等地質(zhì)條件問(wèn)題。本文結(jié)合漳州云平高速公路A9合同段九峰隧道右線進(jìn)口洞口淺埋段工程施工經(jīng)驗(yàn),淺談隧道洞口淺埋偏壓段流沙性軟弱圍巖施工工藝。
九峰隧道起迄樁號(hào)為右洞YK92+460—YK93+025,長(zhǎng)565 m;左洞ZK92+470—ZK93+040,長(zhǎng)570 m;左右洞平均長(zhǎng)567.5 m,屬中隧道。采用小凈距雙洞布置,隧道左右洞進(jìn)口分別處于半徑為4 000 m和5 000 m的圓曲線上;縱坡為2.8%,-0.7%的人字坡。
隧道進(jìn)口段順近南北向山脊線展布,地形陡峭,自然坡度達(dá)到30~40°,洞頂覆蓋層薄弱且存在嚴(yán)重偏壓,易坍塌,進(jìn)洞較困難,應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。左、右洞口邊坡高約5.8~8.4 m,坡體主要為坡積粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化巖,結(jié)構(gòu)較松散,開挖后穩(wěn)定性較差,需要采取放坡開挖,開挖坡率1∶0.75~1.0,并結(jié)合砌石護(hù)面墻、三維網(wǎng)植草護(hù)面等支護(hù)措施。由于坡體主要為坡積粉質(zhì)黏土及全-強(qiáng)風(fēng)化巖,隧道區(qū)地表殘破積黏土松散堆積層,孔隙發(fā)育,雨季孔隙含水。因施工區(qū)域位于福建東南地區(qū),雨水豐富,降雨量較大,雨季隧道洞口施工遇該層會(huì)有明顯滲水現(xiàn)象。隧道區(qū)內(nèi)坡面植被發(fā)育均為蜜柚種植區(qū),地下水系發(fā)達(dá),穿越不良地質(zhì)區(qū)域。九峰隧道右洞洞口淺埋段不良地質(zhì)主要是圍巖為坡積粉質(zhì)土、全風(fēng)化凝灰?guī)r構(gòu)成,土層遇水易軟化,含砂率大,結(jié)構(gòu)松散,地下水豐富,自穩(wěn)能力差,極易發(fā)生坍塌等。
圍巖級(jí)別劃分見表1,九峰隧道右洞縱斷面如圖1所示。
圖1 九峰隧道右洞縱斷面圖
表1 圍巖級(jí)別劃分表
九峰隧道右洞YK92+465—YK92+590段屬于Ⅴ級(jí)圍巖,埋深在5~25 m之間,其中YK92+465—YK92+530段采用支護(hù)類型為JZDK-1,YK92+530—YK92+575段采用支護(hù)類型為JZ5-1,YK92+575—YK92+590段采用支護(hù)類型為JZ5-1(b),施工輔助措施均為JF2-1(Φ50 mm鋼管,長(zhǎng)度5 m,150°范圍環(huán)距50 cm,間距3 m),見表2。
表2 初期支護(hù)參數(shù)表
2017年6月8 日九峰隧道進(jìn)口右洞按CD法進(jìn)行先行上導(dǎo)坑施工,開挖YK92+498.6—YK92+499.2段時(shí)掌子面出現(xiàn)滲水,圍巖軟弱,含沙量大,無(wú)自穩(wěn)能力,局部有溜塌跡象,施工班組立即對(duì)掌子面進(jìn)行回填處理并噴漿封閉。6月9日業(yè)主組織四方到九峰隧道進(jìn)口右洞現(xiàn)場(chǎng)查看施工情況,定制處置方案為:雙排Ф50 mm小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù),間距調(diào)整為2 m,恢復(fù)CD法掘進(jìn)。6月9日—6月10日現(xiàn)場(chǎng)完成掌子面軟弱圍巖處三榀鋼拱架支護(hù),并施做了Ф50 mm超前小導(dǎo)管,長(zhǎng)5 m;6月10日夜里23點(diǎn)開挖先行上導(dǎo)坑YK92+500—YK92+500.6段處掌子面又出現(xiàn)溜塌,持續(xù)時(shí)間將近1 h,溜塌體約300 m3、中隔壁臨時(shí)支護(hù)I14工字鋼被剪切破壞且初支表面出現(xiàn)不均勻裂縫(圖2),施工班組又立即對(duì)掌子面進(jìn)行回填處理并噴漿封閉。6月11日早晨在洞頂YK92+489—YK92+494段處發(fā)現(xiàn)地表沉陷,坑洞尺寸為5×3×2 m(長(zhǎng)×寬×深),我部立即撤離洞內(nèi)施工人員,等待四方到現(xiàn)場(chǎng)查看施工情況。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明,YK92+480—YK92+500段拱頂沉降和周邊收斂數(shù)據(jù)異常,第三方監(jiān)控量測(cè)單位下發(fā)的預(yù)警報(bào)告聯(lián)系單顯示當(dāng)日最大下沉量達(dá)到52.1 mm,開累下沉量達(dá)到466 mm。
圖2 YK92+500中隔壁剪切破壞效果圖
九峰隧道右洞進(jìn)口屬剝蝕丘陵地貌,丘頂渾圓,區(qū)內(nèi)峰頂標(biāo)高約380 m。隧道軸線大致呈近東西走向,2側(cè)坡面凹凸起伏,凸脊與凹坡相間展布,左側(cè)是個(gè)大沖溝,存在嚴(yán)重偏壓。左右洞間距小于12 m,屬于小間距隧道。地質(zhì)條件復(fù)雜,根據(jù)鉆孔揭示,隧址區(qū)表層多為第四系殘積積層(Qe1+d1),下伏侏羅南園組(J3n)凝灰?guī)r及其風(fēng)化層。洞口淺埋段主要地層特征性質(zhì)如下。
坡積黏土(Qd1):磚紅色,硬塑,干-稍濕7-122,成分以黏粒粉粒為主,略有砂感,黏韌性中等,干強(qiáng)度中等,巖芯刀切面光滑,稍有光澤反應(yīng),表層含少量植物根系。
坡積黏性土(Qel):淺紅色,硬塑,濕,母巖為凝灰?guī)r,組織結(jié)構(gòu)全部破壞,礦物成分除石英外大部分已風(fēng)化成土狀,表層0~0.70含有植物根系,巖心遇水易軟化。
全風(fēng)化凝灰?guī)r(J3n):灰黃色、紫紅色,芯呈沙土狀,礦物成分已基本風(fēng)化,遇水易軟化,手捏易散,原巖結(jié)構(gòu)可辨,巖體完整性程度為極破碎,巖石堅(jiān)硬程度為極軟巖,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ極。
受施工時(shí)間連續(xù)降雨的影響,地下水位高,巖體中裂隙水較豐富,致使巖層層面軟化,力學(xué)參數(shù)大大降低,易在巖體層面(弱面)形成滑動(dòng)面,掌子面滲水嚴(yán)重。
隧道洞口淺埋段原設(shè)計(jì)開挖方式為CD法,由于工作面狹小,掌子面核心土無(wú)法保留,并且圍巖為砂性土,無(wú)黏結(jié)力,自穩(wěn)能力弱,一旦掌子面溜塌一部分,就會(huì)形成較大臨空面,最后演變成流沙。流沙是沙土或粉質(zhì)黏土在水的作用下喪失其內(nèi)聚力后形成的,多呈糊漿狀,對(duì)隧道施工危害極大。流沙可引起圍巖失穩(wěn)坍塌,支護(hù)結(jié)構(gòu)變形,甚至倒塌破壞。
4.1.1 開挖方式調(diào)整
為了保證掌子面土體穩(wěn)定性,將開挖方式由CD法調(diào)整為三臺(tái)階七步環(huán)形開挖預(yù)留核心土法,如圖3所示。施工工藝流程主要步驟為:①上部弧形導(dǎo)坑環(huán)向開挖,施做拱部初期支護(hù);②中、下臺(tái)階左右錯(cuò)開開挖,施做墻部初期支護(hù);③中心預(yù)留核心土開挖、隧底開挖,施做隧底初期支護(hù);④每部開挖后均應(yīng)及時(shí)支護(hù),隧底初期支護(hù)后應(yīng)及時(shí)施做仰拱,盡早封閉成環(huán)。
圖3 三臺(tái)階七步開挖法施工作業(yè)圖
(1)技術(shù)特點(diǎn):①施工空間大,方便機(jī)械化施工,可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或土質(zhì)地段可以采用挖掘機(jī)直接開挖,工效較高;②在地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí),便于靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序,調(diào)整施工方法;③適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式,初期支護(hù)工序操作便捷;④在臺(tái)階法開挖的基礎(chǔ)上,預(yù)留核心土,左右錯(cuò)開開挖,利于開挖工作面穩(wěn)定;⑤當(dāng)圍巖變形較大或突變時(shí),在保證安全和滿足凈空要求的前提下,可盡快調(diào)整閉合時(shí)間;⑥三臺(tái)階七步開挖法規(guī)避了側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除臨時(shí)支護(hù)及受力轉(zhuǎn)換造成不安全的因素,及時(shí)調(diào)整閉合時(shí)間,方便機(jī)械施工,利于施工工序轉(zhuǎn)換。
(2)施工要求:①以機(jī)械開挖為主,必要時(shí)輔以弱爆破;②弧形導(dǎo)坑應(yīng)沿開挖輪廓線環(huán)向開挖,預(yù)留核心土,開挖后及時(shí)支護(hù);③其他分步平行開挖,平行施做初期支護(hù),各分部初期支護(hù)銜接緊密,及時(shí)封閉成環(huán);④仰拱緊跟下臺(tái)階,及時(shí)閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系;⑤施工過(guò)程通過(guò)監(jiān)控量測(cè),掌握圍巖和支護(hù)的變形情況,及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量,保證施工安全;⑥完善洞內(nèi)臨時(shí)防排水系統(tǒng),防止地下水浸泡拱墻腳基礎(chǔ);⑦采用三臺(tái)階七步開挖法施工,應(yīng)盡量縮短臺(tái)階長(zhǎng)度,確保初期支護(hù)盡快閉合成環(huán),仰拱和拱墻襯砌及時(shí)跟進(jìn),盡早形成穩(wěn)定的支護(hù)體系。
4.1.2 初期支護(hù)參數(shù)調(diào)整
YK92+480—YK92+500段臨時(shí)中隔壁拆除,采用I20b工字鋼在洞中央豎立支撐;YK92+480—YK92+500段變更增加徑向Φ50 mm注漿小導(dǎo)管,長(zhǎng)度5 m,間距0.8×0.8 m;YK92+500—YK92+590段初支I20b工字鋼間距由60 cm調(diào)整為50 cm;YK92+500—YK92+590段初支徑向Φ25 mm中空注漿錨桿替換為徑向Φ50 mm注漿小導(dǎo)管,長(zhǎng)度由4 m變更為5 m,間距0.8×0.8 m;YK92+500—YK92+590段鎖腳Φ22 mm砂漿錨桿替換為Φ50 mm注漿小導(dǎo)管,長(zhǎng)度由3 m調(diào)整為5 m,數(shù)量由2根調(diào)整為4根;加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),注意及時(shí)收集相關(guān)資料,如圖4、圖5所示。
圖4 初期支護(hù)參數(shù)調(diào)整布置圖
圖5 洞軸線豎向支撐圖
4.1.3 施工輔助措施調(diào)整
掌子面進(jìn)入YK92+500位置施作超前小管棚與原設(shè)計(jì)超前小導(dǎo)管共起超前加固作用,鋼管直徑為76 mm,長(zhǎng)度為9m/根,從起拱線位置開始環(huán)向布置間距為50 cm,縱向間距6 m;搭接長(zhǎng)度不小于3 m,外插角5°。注漿液選用水泥砂漿(水灰比W/C=0.5∶1,注漿壓力1~1.5 MPa),小管棚注漿固結(jié)圈厚度不得小于小管棚間距的0.7倍,如圖6所示。
圖6 超前小管棚圖
右洞洞頂采用地表注漿方案,施作樁號(hào)為YK92+500—YK92+530,中間采用Φ76×6 mm鋼管,鋼管入土至開挖輪廓線;左右2側(cè)各3根鋼管為Φ108×6 mm鋼管,鋼管入土至開仰拱基礎(chǔ)底1 m;間距按1.5 m×1.5 m梅花形布置,鋼管注漿采用水泥漿液,水灰比為0.8∶1,注漿壓力1~1.5 MPa,開挖輪廓線6 m以外不設(shè)注漿孔,如圖7所示。
圖7 洞頂?shù)乇碜{平面圖
不同施工方案效果對(duì)比見表3。在淺埋隧道施工中應(yīng)盡量少或不刷坡,超前支護(hù)后進(jìn)洞,盡量采用人工配合機(jī)械開挖,施工初期支護(hù)采用型鋼、錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴砼組合的支護(hù)方式。由于淺埋隧道覆蓋層很薄,隧道上方的巖土很難形成自承體系,而且圍巖早期壓力大,變形快,如果對(duì)隧道變形控制不當(dāng),圍巖會(huì)很快松弛,產(chǎn)生張裂破壞,將導(dǎo)致直達(dá)地表面的塌陷。所以淺埋隧道開挖時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)圍巖變形的控制而不應(yīng)強(qiáng)調(diào)圍巖應(yīng)力的釋放,支護(hù)必須采用強(qiáng)度較高和剛度較大的初期支護(hù),限制土體變形,以免破壞土體結(jié)構(gòu)。結(jié)合九峰隧道右洞洞口淺埋偏壓段軟弱圍巖施工,該工藝有利于保證施工質(zhì)量和安全,具有“安全、高效、節(jié)約、可靠”的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。并為今后類似和承接更為復(fù)雜環(huán)境條件下的隧道(城市地鐵、鄰近建筑物隧道等)工程施工提供技術(shù)保障;將推動(dòng)國(guó)內(nèi)隧道施工工法的升級(jí)換代,實(shí)現(xiàn)歷史性跨越,為全面推進(jìn)安全和諧社會(huì)建設(shè)作貢獻(xiàn)。
表3 不同施工方案效果對(duì)比表