淺論濕陷性黃土隧道的施工方法

于 波

1 濕陷性黃土

黃土分類及其對隧道施工的影響:

黃土是在干燥氣候條件下形成的一種具有褐黃、灰黃或黃褐等顏色,并有針狀大孔、垂直節理發育的特殊性土。

黃土按其形成的年代可分為,形成于下更新世Q1的午城黃土和中更新世Q2的離石黃土,稱為老黃土。普遍覆蓋在上述黃土上部及河谷階地地帶上更新世Q3的馬蘭黃土及全新世Q′4下部的次生黃土,稱之為新黃土。此外,還有新近堆積黃土,為Q4的最新堆積物,多為近幾十年至近幾百年形成的。

根據其物理性質不同,按塑性指數(Ip)的大小可分為:黃土質粘砂土(1＜Ip≤7),黃土質砂黏土(7＜Ip≤17)及黃土質黏土(Ip＞17)。

黃土地層對隧道施工的影響主要有:1)黃土節理:在紅棕色或深褐色的古土壤黃土層,常具有各方向的構造節理,有的原生節理呈X形,成對出現,并有一定延續性。在隧道開挖時,土體容易順著節理張松或剪斷。如果這種地層位于坑道頂部,則極易產生“塌頂”;如果位于側壁,則普遍出現側壁掉土,若施工時處理不當,常會引起較大的坍塌。2)黃土沖溝地段:當隧道在黃土沖溝或塬邊地段施工時,隧道在較長的范圍內沿著沖溝或塬邊平行走向,在覆蓋較薄或偏壓很大的情況下,容易發生較大的坍塌或滑坡現象。3)黃土溶洞與陷穴:黃土溶洞與陷穴是黃土地區經常見到的不良地質現象,隧道若修建在其上方,則有基礎下沉的危害;隧道若修建在其下方,常有發生冒頂的危險;隧道若修建在其鄰側,則有可能承受偏壓。4)水對黃土隧道施工的影響:在含有地下水的黃土層中修建隧道,由于黃土在干燥時很堅固,承壓力也較高,施工可順利進行。當其受水浸濕后,呈不同程度的濕陷性,會突然發生下沉現象,使開挖后的圍巖迅速喪失自穩能力,如果支護措施滿足不了變化后的情況,極容易造成坍塌。

眾所周知,隧道洞口的施工安全是整體隧道施工安全中的重中之重,而濕陷性黃土往往都是處在隧道的洞口位置,一般隧道的洞口往往還伴隨著淺埋偏壓等情況,因此,根據實際情況選擇一個實用的施工方法,對保證隧道的施工安全有著不可替代的作用。下面通過忻保高速公路L21標的沙塔隧道的右線來談一下濕陷性黃土的施工方法。

2 沙塔隧道的施工方法

2.1 沙塔隧道簡介

沙塔隧道是忻保高速第二十一合同段內的單位工程,隧道單線全長 1 027 m,其中左線440 m,右線 587 m,Ⅴ級淺埋段(濕陷性黃土段)長245 m。隧道內輪廓按三心圓設計,橫斷面單洞凈寬10.86 m,洞內路面橫坡2%。沙塔隧道洞口仰坡開挖高度約50 m,隧道的中心線處在黃土沖溝內,頂部埋深約0.5 m～3.0 m。

沙塔隧道為典型的高仰坡、淺埋、偏壓隧道。由于洞頂埋深較淺,黃土沖溝地表水極易滲到隧道開挖斷面內,含水率達到了20%,造成開挖時圍巖失穩,極易造成塌方。

2.2 沙塔隧道原設計的開挖方法

沙塔隧道原設計的開挖方法為側壁導坑法開挖,如圖1所示。

眾所周知,側壁導坑法的主要目的就是通過減小開挖面積來控制變形和下沉。但是,這個方法在設計時忽略了以下幾個方面:

1)側壁導坑內的施工為上下導坑法,由于面積太小,無法預留核心土。濕陷性黃土由于含水量太大,自穩能力太差,隧道極易產生小塌方。2)側壁導坑內的施工面積太小,無法用機械施工,而且出碴運輸太慢,使鋼支撐不能及時封閉,極易造成塌方和隧道拱頂下沉。3)由于分步太多,對隧道的圍巖進行了多次擾動,濕陷性黃土含水量又大,圍巖的特性本身就很難穩定,再加上多次擾動,圍巖極易失穩,造成塌方和隧道的收斂與拱頂下沉數據加大。4)側壁導坑法的施工步驟最后為封閉仰拱,由于封閉仰拱不及時,反而造成隧道下沉和變形。5)隧道下沉大,側壁的鋼拱架與另外一側的鋼拱架對接難度大。

在施工時,按照設計的側壁導坑法施工,循環進尺0.75 m,剛剛施工約10 m,隧道的一次支護混凝土就出現了破壞性裂縫,隧道地表出現裂縫,隧道內的下沉和收斂的速度遠遠超出了規范要求。隧道已經處在失穩狀態,無法進行開挖作業。當時采取了停止掘進,對周邊圍巖進行注漿加固和仰拱封閉,調整支護參數,調整開挖方法。

2.3 沙塔隧道調整后的開挖方法

2.3.1 調整支護參數

原設計一次支護支護參數為:Ⅰ20a的工字鋼架,間距75 cm,φ22砂漿錨桿,間距75 cm×75 cm。調整后一次支護支護參數為:Ⅰ20a的工字鋼架,間距60 cm,φ22砂漿錨桿,間距75 cm×60 cm。拱腳部位每邊增加四根φ42鎖腳錨管,長3.5 m。

2.3.2 調整開挖方法

經過討論,最后決定采用環形導坑短臺階法施工。環形導坑短臺階法主要有如下優點:1)開挖分步少,減少了對圍巖的多次擾動。2)開挖面積大,能采用機械施工,減少施工時間,鋼拱架能及時封閉,減少圍巖暴露時間。3)一次支護成環時間短,利于隧道的穩定。4)開挖面積大,但是由于預留有核心土,掌子面圍巖的暴露面積反而小,利于圍巖穩定。5)鋼支撐連接沒有薄弱處。

2.3.3 環形導坑短臺階法施工

環形導坑短臺階法施工示意圖如圖2所示。

2.3.4 施工工序說明

短臺階法側向示意圖如圖3所示。

環形導坑短臺階法:首先施工拱部,拱部預留核心土,核心土與拱頂圍巖的距離為1.9 m,人員剛好能在頂部站立,方便施工,兩邊與圍巖的距離為2.0 m,除方便人員的施工外,還由于暴露面積小,不容易塌方,能保證人員的安全。拱部每一循環進尺為0.6 m;拱部開挖的土方由下導運輸出洞,這樣施工作業面積大,利于機械施工,減少循環時間,減少圍巖暴露時間,減小圍巖變形。

拱部每次施工一個循環的同時,邊墻單邊施工兩個循環,這樣拱部和邊墻距離能保持同步,利于下一道工序的施工。

邊墻開挖達到8 m后,開始開挖仰拱,仰拱開挖完8 m后,施作二次支護仰拱和填充,二次支護仰拱的快速封閉,對隧道的穩定起最重要的作用。

2.3.5 核心土安全說明

眾所周知,濕陷性黃土要達到穩定,它的坡度必須達到1∶1。上導的開挖高度為6 m,如果核心土也剛好預留6 m,它的坡度就剛好達到1∶1,這樣上導就不容易坍塌,對于隧道的安全施工有著決定性的作用。

2.3.6 環形導坑短臺階法施工后的量測結果

經過近一段時間的施工,從施工安全、施工進度、施工質量上,都達到了比較滿意的結果。

3 結語

通過上一段時間的施工和量測結果可知,環形導坑短臺階法比較適合濕陷性黃土的施工。當然這是我從自己的實際施工中得到的結論,僅供大家參考。