風積沙地層隧道施工方法及工藝研究

張利民

(中鐵二十局集團有限公司，陜西西安 710016)

1 工程概況

風積沙是在干旱地區輸送沙丘地面的沙在風力作用下，吹揚、搬遷堆積形成的沙地、沙堆、沙丘或沙攏。

駱駝場隧道風積沙段，其風積沙不均勻系數很小，表明級配差，粒徑介于0.5 mm～0.25 mm之間的顆粒含量占94.5%，沙中小于0.074 mm的顆粒含量僅為1.5%以下，粘聚力低，自穩能力差。

風積沙段開挖最大寬度為7.06 m，高度為9.86 m。復合式襯砌結構，使用大管棚、小導管進行超前支護，集由錨桿、鋼架、鋼筋網片、噴射混凝土組合而成的初期支護和模筑鋼筋混凝土二次襯砌所組成。承臺下設置碎石注漿樁，解決結構抗浮及整體穩定。

結合本隧道的特點，設計采用三臺階預留核心土進行開挖，雙層小導管進行超前支護，鋼拱架+錨噴進行初期支護。

但是在實際進行三臺階預留核心土下導坑開挖時，由于下臺階較高，拱背經常發生土體坍塌。因此，需要對隧道開挖方法進行改進。

2 隧道施工方法的確定

三臺階預留核心土開挖順序見圖1，四臺階預留核心土開挖順序見圖2。

比較兩種施工方法可以看出，采用四臺階預留核心土進行開挖施工時，增加了一個開挖面，拉大了掌子面與二襯之間的距離，由于拉開的距離并不大，對施工安全并不會產生影響。監控量測數據顯示，采用四臺階開挖后，由于中部的橫向型鋼支撐能夠提前施作，隧道初期支護的收斂有所減少，提高了隧道施工的安全性。

圖1 三臺階預留核心土開挖順序及支護布置圖（單位：m）

圖2 四臺階預留核心土開挖順序（單位：m）

在由三臺階變成四臺階開挖初期，由于最下面的臺階要停止施工，對碎石注漿樁、仰拱等后續工程的施工進度會產生一定的影響，但是采用四臺階開挖后，由于控制了拱背流沙現象的發生，節約了處理拱背流沙和坍塌的時間，尤其是，四臺階各作業面形成平行流水施工后，對施工進度并無影響。

通過對兩種施工方法對比分析，在后續風積沙段施工時決定采用四臺階預留核心土的開挖方法進行施工。

3 掌子面穩定性控制

風積沙隧道開挖掘進時，掌子面的穩定性是決定施工能否順利進行的關鍵。駱駝場隧道風積沙段開挖掘進時，我們采用了以下措施，對控制掌子面的穩定性起到了很好的作用:

1)合理預留核心土，保持上臺階有一定的長度(10 m～15 m)。合理地預留核心土對掌子面的穩定起著至關重要的作用。因上臺階的高度為3 m，施工時核心土的長度一般控制在3 m～5 m為宜。為避免掌子面出現大量涌沙因上臺過短而使部分涌沙流到中臺階致使沙體難以自穩，造成大的坍方，上臺階應保持一定的長度。

2)拱部雙層小導管改為單層小導管，縱向間距由2 m改為0.5 m，使小導管在隧道開挖時形成棚架作用。

3)小導管一次性打入，減少對沙體的擾動。小導管施工時，將φ42小導管的前面加工成錐形，用風槍直接打入，以減少對沙體的過度擾動，以降低開挖過程中流沙出現的概率。

4)開挖前準備好鋼插板或編織袋，在開挖過程中如有流沙出現應立即進行封堵，以防出現涌沙。

5)噴射前對容易流沙或塌落的地方進行處理，必要時可在鋼筋網片后面緊貼圍巖鋪一層土工布，以防在噴射混凝土時由于噴射料的沖擊而引起沙層塌落。

4 仰拱快速封閉技術

因駱駝場隧道風積沙段采用碎石注漿樁對仰拱下地基進行加固處理，下導坑開挖完成后要施作碎石注漿樁，因此，無法立即進行仰拱施工，為了保證施工的安全，我們采用加設臨時型鋼支撐，使初期支護臨時封閉成環。

具體做法是:在接近拱腳處增設臨時橫向Ⅰ20型鋼支撐，間距50 cm，型鋼端部和初期支護的鋼架焊接，并沿縱向用Φ22的鋼筋將橫向支撐焊連起來，以增加支撐的整體性和剛度。

5 風積沙地層鋼架拱腳加固技術

5.1 施工情況

當掌子面施工開挖至DK4+579.5處發生坍塌。在對掌子面進行處理后的第三天，施工人員就在DK4+580處發現拱頂初期支護出現兩條環向裂縫。隨后的施工中又在DK4+570處發現兩條環向裂縫，并在施工中導坑時發現原來在施工上導時在拱架下墊的紅磚已被壓碎。在開挖中導及下導坑時拱背流沙頻繁出現。

在對幾個斷面的監控量測數據進行分析后發現，每天拱頂的下沉量大于2.0 mm/d，凈空收斂值大于1mm/d，均大于規范允許值。通過對數據的回歸分析，結果顯示周邊收斂值達到規范允許上限的0.5%，有些地段甚至超過該上限。

5.2 原因分析及處理措施

5.2.1 原因分析

本段地層風積沙形成時間有先后，風積沙顆粒的組成會有一定的差異，風積沙中粘粒含量較前段有明顯減少，顆粒間的表面張力減小，砂層自穩能力較差，圍巖對初期支護的壓力也隨之增大，從而致使拱頂下沉量增加，最終使拱頂出現環向裂縫，中導坑施工所引起的拱頂下沉，也是拱頂出現環向裂縫的一個重要原因。上導坑在施工拱架鎖腳錨桿對拱背風積沙的擾動及下導開挖高度過大是引起拱背流沙的主要原因。

5.2.2 處理措施

1)抗收斂措施。鎖腳錨桿改為自進式鎖腳錨管，增設橫向鋼支撐等控制初期支護收斂。a.將原設計每處拱腳設置兩根φ22長度為4 m鎖腳錨桿改為每處設置3根R32N自進式鎖腳錨管，以增加拱腳的抗收斂能力并減少對拱背沙層的二次擾動。b.在初期支護不同部位增設三道橫向Ⅰ20型鋼鋼支撐，間距為50 cm，同排鋼支撐用Φ22鋼筋連接成整體以增加支撐的整體性和剛度。三排鋼支撐的位置自上而下分別位于上導拱腳處、中導拱腳處及下導拱腳以上2 m處。

2)拱腳加固措施。采用大拱腳，擴大拱腳的接觸面積，降低拱腳對土體的壓力，減小拱頂下沉。施工時自拱腳以上100 cm處向斜下方開挖至拱腳外側50 cm處，掛網后噴射C20混凝土并與拱架部分的噴射混凝土形成一個整體。拱腳底部改用25 cm×25 cm×10 cm墊塊，以加固拱腳基礎。

3)預防拱背流沙措施。a.下導坑分兩臺階進行開挖，降低臺階高度;b.鋼筋網片由20 cm×20 cm改為10 cm×10 cm，沙體表面貼一層300 g/m2土工布，并用網片將土工布頂緊;c.鎖腳錨桿改用自進式，以減少對沙層的二次擾動。

6 結語

1)通過對三臺階與四臺階預留核心土兩種施工方法的對比分析，確定了駱駝場隧道風積沙段采用四臺階預留核心土的方法進行施工，上臺階高度為3 m，長度3 m～5 m為宜，中臺階、下臺階上部和下臺階下部高度在2 m～2.5 m，長度在10 m～15 m為宜，仰拱開挖段不宜大于15 m。

2)通過采用預留核心土、雙層超前小導管改為單層并一次性打入以及鋼插板和編織袋對流沙進行封堵、土工布隔離等措施，有效地減少了流沙的發生，保證了掌子面的穩定。

3)架設橫向型鋼支撐使初期支護臨時封閉成環，保證了仰拱施工的安全順利進行。

4)拱腳加固措施(自進式錨桿、設大拱腳、橫向鋼支撐、加鋼架墊塊)很好地解決了風積沙隧道拱頂下沉、初支收斂、拱背流沙嚴重的施工難題，為風類地質條件下的隧道施工提供了成功的經驗，具有很高的借鑒意義。

5)創造性地利用在網片背后巾鋪土工布的簡單方法就很好地解決了拱頂和拱背在噴射作業時沙體塌落的施工難題。

［1］ 黃長松，黃俊文，肖 均.風積沙地區公路隧道施工方案研究［J］.隧道建設，2011，31(2):14-19.

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［3］ 邵天寶.風積沙隧道施工安全技術方案［J］.山西建筑，2009，35(7):310-311.

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