大斷面黃土隧道沉降突變段施工處理技術

昝愛琴

1 工程概況

賀家莊隧道全長1 815 m,起止里程 DK241+620～DK243+435,線路縱坡5.5‰,隧道按行車速度350 km/h以上客運專線雙線隧道設計,洞內采用旭普林無碴軌道結構,進出口均采用1∶2.5橢圓臺面帽檐斜切式洞門。隧道設計Ⅴ級圍巖96 m,Ⅳ級圍巖1 671 m,進出口明洞48 m。

隧道所處區域為黃土臺塬地貌,進出口黃土“V”字形沖溝切割強烈,相對高差較大,岸坡陡峻。洞頂地形平坦,墾為旱地或果林,植被差。地表水不發育,為溝內季節性流水。地下水為黃土內空隙潛水,由于黃土塬地勢較高,黃土垂直節理發育,沖溝切割較深,地下水排泄暢通,隧道所遇空隙潛水水量有限。

2 施工方法

Ⅳ級圍巖段采用七步流水法施工,支護參數為:Ⅰ20a型鋼鋼架,間距0.8 m～0.9 m。開挖過程中,分七個開挖面,以前后七個不同的位置相互錯開同時開挖,然后分部同時支護,形成支護整體;縮短作業循環時間,逐步向縱深推進,形成開挖及施作初期支護,混凝土仰拱緊跟下臺階及時施作構成穩固的初期支護體系。

2.1 開挖

由于黃土隧道開挖斷面大,為確保施工安全,Ⅴ類圍巖每循環開挖進尺80 cm,Ⅳ類圍巖每循環開挖進尺100 cm,分三個臺階三個工作面同時進行(見圖1),洞身采用人工風鎬配合挖掘機開挖,各臺階相距3 m～5 m,便于出渣。

2.1.1 第一步施工

人工風鎬配合機械沿開挖輪廓線由上而下開挖上臺階并預留核心土,每循環開挖長度Ⅴ類 0.8 m,Ⅳ類1.0 m,開挖后應及時噴射4 cm厚混凝土,封閉作業面,在含水量較大易掉塊處,應先鋪掛一層鋼筋網,再進行初噴,確保開挖面圓順且無大的超挖現象。Ⅴ,Ⅳ類圍巖均采用Ⅰ25a,Ⅰ20a工字鋼支撐,拱架間距Ⅴ類80 cm,Ⅳ類100 cm,上臺階拱架分五節安裝,環向為法蘭盤連接,縱向采用φ 22連接筋連接,間距 1.0 m,安裝完畢后即施作φ 22砂漿錨桿(鎖腳錨桿),長度為 4.0 m(拱部設2.5 m長藥包錨桿),間距1 m,錨桿端頭與拱架牢固焊接。

2.1.2 第二、三步施工

在上導承載拱作用下,進行中、下導施工,中、下導臺階3 m～5 m長,中、下導左右工作面相錯3 m左右,分段擴大拱腳,以一定的時間差按同樣的方法進行支護。

2.2 仰拱施工

黃土隧道在開挖后受各種因素影響,在前期即開挖后24 h內圍巖變化較大,根據臺階法施工特點,即快速封閉成環,掌子面距仰拱最大距離以不超過30 m為宜,仰拱開挖采用全幅施工,開挖長度以3 m～4 m最為安全,以防止邊墻拱腳處收斂,造成噴射混凝土面開裂等病害。仰拱開挖后,為保證其承載力,及時噴射厚度5 cm的C25混凝土進行封閉。

2.3 施工要點

1)超前小管棚支護較一般設計應加密,消除掉塊超挖現象。2)鎖腳錨桿是保證初期支護安全的重要措施,必須按設計做到位。3)加密初期支護鋼架的縱向連接筋,提高鋼架間整體受力能力。4)初期支護鋼架背后不密貼時應用同級混凝土墊塊填塞密實,以利于鋼架受力。5)通過監控量測及時取得實測數據,分析反饋用以修正設計參數和調整施工作業方法。6)仰拱及回填混凝土要緊跟開挖掌子面施作,一般距離控制在20 m～30 m;二次襯砌宜及早施工,以利盡早形成完整的隧道受力結構,一般距離控制在40 m～50 m。

3 沉降突變

當隧道掘進至DK243+333里程時,發現土層含水量增加,地質條件變差,與設計圍巖級別不符,土層結構較為松散,隨即發現地表出現裂紋,同時監測到已施工段拱頂下沉加劇,發現地表裂縫隨掌子面向前發展,于是停止掘進。

4 原因分析

經分析,引起該段沉降突變的原因主要有以下幾個方面:

1)該段分布不良地質體,地層巖性差,而支護參數未考慮加強;2)由于洞頂連霍高速公路三門峽生活服務區的下水管道斷裂,廢水下滲形成表層黃土坍落,范圍57 m×30 m,厚2 m～10 m,分布于隧道出口洞身上。排污管道污水下滲,導致土層自穩能力下降;3)地表裂縫顯示洞身存在偏壓現象;4)施工中仰拱未能及時閉合,仰拱距掌子面距離偏大。

5 采取的主要措施

5.1 現場措施

1)根據監控量測反饋,在發現拱頂下沉量較大后,隨即采取了抬高鋼架的措施,確保了二次襯砌厚度;2)增加鎖腳錨管根數,增大初期支護的強度;3)擴大拱腳,增加拱腳受力面積,提高鋼架支承能力;4)未閉合段仰拱采用臨時仰拱進行封閉,根據量測值必要時加設鋼筋混凝土橫撐。

5.2 設計措施

地表裂縫隨掌子面向前發展,根據裂縫走向判定隧道存在偏壓現象,并且山體有滑動跡象,設計采取了如下變更措施:1)洞頂局部清方減載,線路左側進行反壓回填,回填高度至隧道拱頂處。2)對地表高速公路生活區排污管道進行了改移。3)洞內掌子面暫時停止掘進,弧形開挖暴露面采用錨網噴封閉。4)該段初期支護拱架加密。

6 總結或體會

賀家莊隧道突變段經采取了以上處理措施,洞內及地表變形趨于穩定,確保了施工安全,說明我們采取的設計及施工措施及時、有效。而該隧道變形量測資料顯示,隧道下沉為初期支護的整體下沉,仰拱早封閉則總變形量小,仰拱晚封閉則總變形量大,仰拱封閉的時間是變形的一個關鍵控制點。因此施工中:1)要加強監控量測,切實做好監控量測工作,及時反饋信息、指導施工,以便及時調整預留變形量及初期支護參數。2)經常測量黃土含水量、觀察地質狀態等的變化。3)重視地表沖溝、陷穴對隧道的影響,同時也要考慮雨季對黃土隧道施工的影響。

[1]韓文斌,李曉俊.黃土質隧道的工程特性[J].山西建筑,2009,35(3):331-332.

[2]楊建民.鄭西客專超大斷面黃土隧道支護參數研究[J].科學技術通訊,2005(3):14-15.

[3]霍玉華.大斷面黃土隧道快速掘進施工方法研究[A].隧道年會論文集[C].2007.