淺談膨脹土超淺埋、大斷面隧道進洞施工關(guān)鍵技術(shù)

唐應(yīng)鵬，劉代賢

（中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,成都 611130）

1 引言

紅土嶺隧道位于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣師崗鎮(zhèn)境內(nèi)，為蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道單洞雙線隧道，全長2995m，開挖直徑12m，隧道設(shè)進出口兩個工作面同時掘進。隧道出口采用正切Ⅱ式洞門，外接路塹，洞頂為弱膨脹土，具有遇水膨脹、失水收縮的特點，最小埋深僅3.93m，圍巖強度低、自穩(wěn)能力差，變形控制和施工難度極大，安全風險高。為此，選擇合理的進洞方案，對膨脹土進行隔水封閉，采取切實可行的超前支護、開挖方法、初期支護等措施，是隧道安全進洞的重要技術(shù)保障。

2 進洞方案的選擇

方案比選階段，主要提出了兩種方案，一是洞口段暗挖法改明洞或暗墻明挖,二是超長大管棚超前支護。

2.1 暗挖改明洞或暗墻明拱

洞口段暗挖法改明洞或暗墻明拱，即延長現(xiàn)有明洞長度，可以解決沉降甚至開挖冒頂?shù)碾y題。由于洞口上方均為基本農(nóng)田，改明洞開挖會擴大原始地貌擾動范圍，不符合“少刷坡、早進洞”的要求，同時，會增加紅線征地，開挖后的邊坡臨時支護及明洞再回填處理均會產(chǎn)生較大成本，雖然在技術(shù)上可行，但經(jīng)濟上不合理。同期考慮到的暗墻明拱法，盡管可以較明洞開挖減少部分地表擾動和征地，但仍然在經(jīng)濟上不合理，且洞口有一定偏壓，封頂之后的拱腳開挖亦存在較大施工安全風險。

2.2 超長大管棚超前支護

超長大管棚超前支護，即在洞口邊仰坡臨時網(wǎng)噴的基礎(chǔ)上，設(shè)置導(dǎo)向墻，采用長55m，直徑108mm的管棚進行超前支護。由于洞口為具有弱膨脹性的黏性土，水平鉆孔過長后，鉆孔角度和方位的控制異常困難，鉆孔偏斜加之鉆孔被擠壓變形，會造成鋼管下設(shè)困難，甚至部分管棚侵限或管棚冒頂，無法實現(xiàn)預(yù)期的超前加固目的。

2.3 超前支護與初期支護優(yōu)化

遵循少刷坡、技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的原則，對管棚方案進行優(yōu)化，將55m長管棚縮短，采用42根108mm，長33m的管棚，大大減少鉆孔偏斜的風險。加大預(yù)留沉降變形量至30cm，改變原設(shè)計型鋼支撐，采用H230格柵鋼架進行柔性支護，三臺階臨時仰拱法短進尺，快封閉，待洞口形成1-2倍洞徑鎖扣圈后，根據(jù)開挖掌子面圍巖情況，實時采取在洞身段設(shè)置10m長108mm管棚，按有效長度6m循環(huán)漸進，安全通過V級圍巖淺埋段。

3 方案的實施

3.1 洞口排水系統(tǒng)及黏土層的封閉

完善洞口排水系統(tǒng)，對黏土層進行封閉，防止雨水滲入弱膨脹性黏土層。洞口施工首先施工截水天溝，由于洞頂有一緩坡平臺，在洞頂平緩地段與山坡坡腳交界處增設(shè)一條漿砌片石臨時排水溝，與設(shè)計天溝連通。天溝末端設(shè)集水坑，采用機械抽排入當?shù)厮怠?/p>

對洞頂溝、坑等凹處進行回填夯實，紅線范圍內(nèi)平緩地段采用5cm厚M10水泥砂漿進行封閉，平臺后矮邊坡進行臨時噴射混凝土封閉。隧道出口進洞段臨時邊仰坡、出口明挖段邊坡均采用噴錨（網(wǎng)）加固，錨桿采用φ22砂漿錨桿，L=4m，間距1.5×1.5m，梅花型布置。噴射混凝土采用10cm厚C25網(wǎng)噴混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ8，網(wǎng)格間距25×25cm。沿擋墻1m寬度范圍內(nèi)邊仰坡采用M10漿砌片石護坡，厚30cm。

3.2 長管棚與導(dǎo)向墻施作

超前支護采用“導(dǎo)向墻+超前長大管棚”。導(dǎo)向墻采用C30混凝土，在開挖輪廓線以外拱部150°范圍內(nèi)施作，斷面尺寸為1.0×1.0m，導(dǎo)向墻內(nèi)埋設(shè)2榀I18工字鋼架支撐，導(dǎo)向墻兩拱腳在設(shè)計基礎(chǔ)上，擴大60cm，以避免或減小由于地基沉降而造成導(dǎo)向墻失穩(wěn)。導(dǎo)向墻完成后，在拱圈及空口周邊采用10cm厚C25噴射混凝土對周圍仰坡面進行封閉，以防止注漿時向開挖面跑漿。

隧道頂部設(shè)42根長33m大管棚，導(dǎo)向墻澆筑前，在工字鋼架外緣設(shè)φ140壁厚5mm導(dǎo)向鋼管，采用φ12加勁箍筋固定導(dǎo)向管，導(dǎo)向鋼管及加勁箍筋與鋼架焊接，防止?jié)仓炷習(xí)r產(chǎn)生位移，以此保證管棚鉆孔孔向準確。

在膨脹土地層采用普通鉆桿鉆孔施工時，返碴困難、卡鉆，鉆孔施工效率非常低，通過探索，采用對螺旋鉆桿、鉆頭進行改進。在鉆頭上加焊薄鋼板，將通氣、通水孔正面遮擋，采用側(cè)面通氣通水，確保鉆進時不堵孔；將鉆桿的螺旋片切割掉1/3,確保返渣有充分的通道。徹底解決的堵孔和不返碴難題，工效大大提高。

管棚環(huán)向間距40cm。采用直徑Φ108mm，壁厚6mm熱軋無縫鋼管，鋼管上鉆注漿孔，孔徑10～16mm，孔間距15cm，呈梅花形布置，尾部留110cm不鉆孔的止?jié){段。鋼管軸線與襯砌外緣夾角 1°～3°；注漿采用水灰比為 1：1（重量比）水泥漿液，注漿壓力 0.5～2MPa。

3.3 超前地質(zhì)預(yù)報與監(jiān)控量測

3.3.1 加強超前地質(zhì)預(yù)報

隧道開挖前，根據(jù)邊仰坡開挖情況，結(jié)合管棚鉆孔施工，對洞口30m范圍內(nèi)圍巖情況已較充分了解，在開挖之前，進一步采用地質(zhì)雷達進行超前地質(zhì)預(yù)報，通過多方位印證和掌握了進洞地質(zhì)條件與預(yù)判基本一致，洞頂淺埋弱膨脹土，洞身下部為強風化泥質(zhì)頁巖。

3.3.2 重視監(jiān)控量測

監(jiān)控量測工作納入工序管理，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入監(jiān)控量測管理系統(tǒng)，建立預(yù)警預(yù)報機制，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，必須根據(jù)預(yù)警機制采取相應(yīng)措施，查明原因。設(shè)置地表沉降觀測、洞內(nèi)拱頂下沉和水平收斂觀測點，及時了解和掌握隧道支護結(jié)構(gòu)變形情況，保障施工安全，為調(diào)整施工方法，指導(dǎo)二襯施作時機，進行動態(tài)設(shè)計提供可靠依據(jù)。

3.3.2.1 地表沉降測點

①在隧道開挖前布設(shè)地表沉降觀測點，橫向間距為2～5m，在隧道中線附近測點應(yīng)適當加密。②隧道中線兩側(cè)監(jiān)測范圍不應(yīng)小于隧道埋深+隧道寬度。③基準點應(yīng)設(shè)置在隧道施工影響范圍以外穩(wěn)定處，并設(shè)置復(fù)核性測點，保證其數(shù)據(jù)可靠性。

當變形處于初期勻速變形階段和平穩(wěn)發(fā)展階段時，隧道處于相對安全的狀態(tài)；圍巖變形過程中，在圍巖不失穩(wěn)的正常情況下，在量測斷面附近進行開挖施工時，受施工擾動，存在一定的變形加速現(xiàn)象，屬于正常加速，其余變形加速屬于異常加速。異常加速是圍巖失穩(wěn)的征兆，隧道施工安全存在威脅，應(yīng)進行預(yù)警。

3.3.2.2 拱頂下沉和水平收斂測點

在開挖支護過程中，洞口段在洞內(nèi)拱頂布設(shè)1個工點下沉檢測點，拱墻布設(shè)兩條水平收斂觀測線，洞內(nèi)觀測斷面與地表沉降觀測點在同一樁號。初支與圍巖密貼，測點埋設(shè)在格柵鋼架、柵格等初期支護上。測點在初支支護后立即埋設(shè)，初始讀數(shù)在測點埋設(shè)12h內(nèi)讀取。

3.4 三臺階臨時仰拱法

3.4.1 調(diào)整預(yù)留沉降量

紅土嶺隧道出口段圍巖為Ⅴ級，洞口33m長管棚施工完成后，隧道按新奧法原理設(shè)計與施工采用三臺階臨時仰拱法施工，設(shè)計V級圍巖預(yù)留沉降量8-12cm，施工階段洞口30m調(diào)整為30cm，以防止變形較大后初支侵入隧道設(shè)計凈空。

3.4.2 機械開挖設(shè)備改進

進洞30m主要為弱膨脹土和強風化泥質(zhì)頁巖，采用機械開挖的方式，避免爆破引起圍巖失穩(wěn)，常規(guī)挖機和開挖設(shè)備在隧道周邊較困難，需要采用人工，安全風險高，施工效率低，在此基礎(chǔ)上，改裝一種新型隧道土質(zhì)區(qū)域開挖輔助設(shè)備，在挖機斗背面兩側(cè)按照開挖鋼叉，確保周邊和拱頂開挖到位。

3.4.3 三臺階臨時仰拱法施工工序

①先施作超前支護（管棚）；開挖拱頂；施作上臺階周邊的初期支護，并設(shè)鎖腳鋼管；施作上臺階臨時仰拱，鋪設(shè)H230格柵鋼架，噴23cm厚混凝土；封閉掌子面8cm；復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

②在滯后于上臺階一段距離（不大于10m）后，開挖中臺階；臺階周邊初噴混凝土，施作中臺階臨時仰拱，及掌子面封閉。

③在滯后于中臺階一段距離（不大于15m）后，開挖下臺階；初期支護并設(shè)鎖腳鋼管。

3.5 初期支護

初期支護在開挖后立即施作，以保護圍巖的自然承載力。初期支護由噴射混凝土、錨桿（管）、鋼筋網(wǎng)和格柵鋼架等組成，各部分聯(lián)合受力。將原設(shè)計I22工字鋼型鋼支撐改為H230格柵鋼筋，以適應(yīng)圍巖變形，充分發(fā)揮支護結(jié)構(gòu)的柔性支護作用。

格柵鋼架采用H230格柵鋼架，每榀間距0.6m。拱墻采用φ22砂漿錨桿，錨桿長3.5m，間距1.0m×0.8m；鋼筋網(wǎng)采用φ8，網(wǎng)眼間距20×20cm；濕噴機械手噴射C25噴射混凝土。

完善洞內(nèi)臨時防排水系統(tǒng)，嚴禁積水浸泡拱（墻）腳及在施工現(xiàn)場漫流，防止基底承載力降低。

3.6 短進尺，及時封閉成環(huán)，形成鎖口圈

3.6.1 開挖進尺控制

臺階開挖循環(huán)進尺應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和初期支護格柵鋼架間距合理確定，上臺階每循環(huán)開挖支護進尺不應(yīng)大于0.6m，邊墻每循環(huán)開挖支護進尺不得大于1.2m，仰拱每循環(huán)開挖進尺不得大于3m。

3.6.2 臺階高度、長度控制

應(yīng)根據(jù)圍巖條件，合理確定臺階長度和高度。各部臺階長度不宜過長，上臺階長度不得大于5m。中臺階長度不得大于15m。下臺階開挖左、右側(cè)應(yīng)錯開3m拱架的距離。

3.6.3 及時封閉成環(huán)

初期支護仰拱設(shè)置格柵鋼架地段應(yīng)及時封閉成環(huán)，仰拱緊跟下臺階施工（特殊情況仰拱距離掌子面的極限距離：三臺階施工時按2倍洞徑控制，兩臺階施工時按1倍洞徑控制）。3.6.4盡早形成洞口鎖口圈

紅土嶺隧道出口為Vc級圍巖，采用三臺階臨時仰拱法施工。為保證施工質(zhì)量安全，進洞后應(yīng)及時形成鎖口圈（鎖口圈長度不得小于1倍洞徑）。

進洞12m（紅土嶺隧道出口Vc類圍巖開挖洞徑為11.52m）內(nèi)按上臺階3m、中臺階4m開挖，當中臺階形成4m的臺階后下臺階即可開挖，下臺階開挖后及時封閉成環(huán)。最終形成上臺階3m，中臺階4m，下臺階5m的格局，確保進洞12m范圍內(nèi)能以最快的速度封閉成環(huán)，形成鎖口圈。

4 總結(jié)

紅土嶺隧道出口段進洞前，施作洞頂排水系統(tǒng)，封閉黏土層，防止雨水滲入，避免了膨脹土軟化變形；加強超前地質(zhì)預(yù)報、地表沉降觀測和洞內(nèi)監(jiān)控量測，為施工決策提供了科學(xué)依據(jù)。采用“導(dǎo)向墻+超長管棚注漿”加強超前支護，順利成拱；采用三臺階臨時仰拱法進行開挖，格柵鋼架小間距進行柔性初期支護，并及時封閉成環(huán)，盡早形成洞口鎖口圈，實現(xiàn)了施工安全；適當加大預(yù)留變形量，確保了初支斷面不侵限。實踐證明，采取上述措施和工法，能夠?qū)崿F(xiàn)膨脹土地層超淺埋、大斷面隧道順利進洞。