淺埋砂質(zhì)新黃土隧道下穿國道進(jìn)洞技術(shù)研究

郭 明 黃樹彬

（1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006；2.中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710043）

1 引言

進(jìn)洞施工是隧道施工的難點(diǎn)，洞口的安全穩(wěn)定是保證隧道正常施工的先決條件。隧道進(jìn)洞普遍存在圍巖差、淺埋、偏壓等不良地質(zhì)，以及易受鄰近既有道路或其他建筑物等的環(huán)境限制，進(jìn)洞安全問題往往發(fā)生在開挖和初支過程中，特別是成環(huán)前，因此控制初支成環(huán)前的變形問題，是研究隧道進(jìn)洞技術(shù)的關(guān)鍵。通常情況下，進(jìn)洞采用大管棚超前支護(hù)、分部開挖工法（CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等），施工效率低，多次擾動(dòng)圍巖、風(fēng)險(xiǎn)大，洞口易出現(xiàn)大變形、塌方等問題［1-3］。本工程采用雙層長管棚預(yù)支護(hù)、加強(qiáng)拱腳控制沉降措施，配合微臺(tái)階工藝等進(jìn)洞技術(shù)，順利完成了蒙華鐵路武家坡隧道進(jìn)洞施工，該技術(shù)具有安全性高、速度快等優(yōu)點(diǎn)［4］。

2 工程概況

蒙華鐵路武家坡隧道位于陜西省靖邊縣，全長2 672 m，為單洞雙線隧道，洞口開挖斷面109 m2，最大埋深169 m。隧道進(jìn)口地質(zhì)為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)新黃土，黃褐色，稍密，稍濕，呈松散狀，垂直節(jié)理發(fā)育，具濕陷性，易溜塌，穩(wěn)定性較差。洞口自然坡度65°左右，坡面有少量植被覆蓋。

隧道進(jìn)口下穿307國道，與線路交角60°，國道邊緣距洞口23 m，最小埋深約35 m。307國道為瀝青路面，路面寬度8 m，土路肩，車流量較大，重型車輛多。洞口段圍巖差，埋深淺，隧道進(jìn)洞困難，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

3 結(jié)構(gòu)檢算

施工前，根據(jù)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)、地形地貌、隧道埋深、圍巖地質(zhì)特征、施工工法建立模型，對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)和初支強(qiáng)度、隧道沉降變形、國道穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，明確隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性、受力薄弱環(huán)節(jié)，以及變形控制標(biāo)準(zhǔn)，以便在施工過程有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，保證進(jìn)洞安全和國道穩(wěn)定［5］。

3.1 隧道進(jìn)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)檢算

采用Flac3D有限差分軟件進(jìn)行分析，模型橫向長100 m、高100 m，縱向長40 m，隧道埋深40 m，見圖1。圍巖和初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察情況選取［6-8］，見表 1～表2。隧道開挖方式采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法。

圖1 隧道數(shù)值計(jì)算模型

表1 砂質(zhì)新黃土物理力學(xué)參數(shù)

表2 初期支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

由圖2圍巖塑性區(qū)云圖可以看出，開挖后圍巖的塑性區(qū)主要分布在拱腰邊墻及拱腳處。由于施作了管棚，拱頂處圍巖未進(jìn)入塑性區(qū)。同時(shí)塑性區(qū)沒有貫通，表明該隧道整體穩(wěn)定。

圖2 圍巖塑性區(qū)云圖

圖3 初期支護(hù)最大拉應(yīng)力云圖

從圖3初期支護(hù)最大拉應(yīng)力云圖可以看出，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂處，值為0.74 MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。

圖4 初期支護(hù)最大壓應(yīng)力云圖

從圖4初期支護(hù)最大壓應(yīng)力云圖可以看出，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰處，值為6.57 MPa，拱腳處最大壓應(yīng)力也較大，值為5.64 MPa，都小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，可以看出初期支護(hù)處于安全狀態(tài)。

從數(shù)值建模計(jì)算分析可以看出，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，支護(hù)安全，拱腰、拱腳處為受力薄弱處，施工中需加強(qiáng)控制。

3.2 隧道及國道變形檢算

從圖5拱頂沉降變化曲線可以看出，上臺(tái)階開挖后拱頂沉降為1 mm，中臺(tái)階開挖時(shí)拱頂沉降增長至3.3 mm，下臺(tái)階開挖時(shí)拱頂沉降為5.8 mm。隨著掌子面向前推進(jìn)，拱頂沉降緩慢增長至最大值，最終沉降為10.7 mm。

圖5 拱頂沉降變化曲線

圖6 凈空收斂變化曲線

從圖6凈空收斂變化曲線可以看出，凈空收斂的變化規(guī)律與拱頂沉降相同，隨著隧道的開挖凈空收斂緩慢增大，最終上臺(tái)階收斂穩(wěn)定在4.5 mm，中臺(tái)階穩(wěn)定在10.7 mm。

圖7 國道路面沉降變化曲線

從圖7國道路面沉降變化曲線看，隨著隧道的開挖，路面沉降線性增大，當(dāng)隧道完全通過時(shí)路面最大沉降5.3 mm。

通過對(duì)拱頂沉降、凈空收斂、路面沉降建模分析，確定監(jiān)控量測(cè)方案，實(shí)施過程中及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，保證洞內(nèi)、路面施工安全［9］。

4 隧道進(jìn)洞工藝措施及控制技術(shù)

按照新奧法施工原理，遵循早進(jìn)晚出的施工原則，進(jìn)洞施工按照先施工洞口防護(hù)，再施工導(dǎo)向墻和長管棚，最后進(jìn)行洞內(nèi)掘進(jìn)的總體順序進(jìn)行。

導(dǎo)向墻采用人工開挖，木模板，泵車澆筑混凝土。雙層長管棚使用TTHD-100型水平定向管棚鉆機(jī)，跟管作業(yè)法施工，鋼筋籠分段安裝，在孔口焊接接長，注漿管與鋼筋籠同步安裝。采用后退式注漿工藝。管棚內(nèi)水泥漿液達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行洞口開挖，采用三臺(tái)階預(yù)留核心土工法、微臺(tái)階施工工藝［10］。

4.1 長管棚施工工藝及精度控制

管棚采用φ159 mm（t＝7 mm）熱軋無縫鋼管，長度86.75 m，一次施作，環(huán)向間距40 cm，內(nèi)層33根，外層36根，傾角 0°～3°。鋼管遠(yuǎn)端施工誤差：徑向≤20 cm、環(huán)向≤5 cm。鋼管采用內(nèi)套絲扣接頭連接工藝，同一斷面內(nèi)接頭數(shù)不超過總管數(shù)的50%。管內(nèi)注水泥漿，水灰比0.5∶1～2∶1，注漿壓力 0.5～2.0 MPa［11］。

4.1.1 雙層長管棚施工工藝流程

施工工藝流程見圖8。

圖8 雙層長管棚施工工藝流程

4.1.2 導(dǎo)向墻及導(dǎo)向管精確定位

導(dǎo)向墻拱部120°范圍設(shè)置，采用C20混凝土，截面尺寸為1 m×1 m，內(nèi)層兩榀 18、外層兩榀 16型鋼，導(dǎo)向管為1 m長φ180無縫鋼管，固定在鋼架上。導(dǎo)向墻采用人工明挖法施工，兩端基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，防止沉降。導(dǎo)向管采用全站儀準(zhǔn)確定位，并固定牢固。

4.1.3 精準(zhǔn)導(dǎo)向鉆孔工藝

鉆孔遵循“先上部后下部，先易后難”的原則，按照“先拱頂后拱腰”的順序，上下孔位錯(cuò)開，梅花形兩側(cè)對(duì)稱施工。鉆機(jī)臺(tái)架采用可升降平臺(tái)，便于行走起降，方便精準(zhǔn)調(diào)節(jié)角度及方位。鉆孔采用定位導(dǎo)向儀進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)設(shè)定好的鉆孔軌跡，輸入導(dǎo)向儀自動(dòng)控制。鉆孔參數(shù)通過試驗(yàn)確定。鉆頭采用可變鉆進(jìn)方向?qū)蜚@頭，可靈活調(diào)整軌跡，保證每個(gè)孔位鉆進(jìn)深度、角度。由于管棚段為砂質(zhì)新黃土，且長度較長，容易塌孔，成孔后管棚安裝困難。鉆進(jìn)時(shí)采用全孔跟管作業(yè)法，邊鉆進(jìn)邊裝管，管棚安裝與成孔同步完成。

4.1.4 鋼筋籠接長安裝

成孔后采用高壓風(fēng)清孔，在鋼管內(nèi)安裝鋼筋籠，端頭焊接楔形鋼板尖頭，保證鋼筋籠順利穿入。鋼筋籠分段送入安裝，孔口焊接接長。安裝后封閉管口，并設(shè)置排氣孔、注漿孔及止?jié){閥。

4.1.5 注漿工藝

注漿從孔底開始，采用后退式注漿工藝，注漿配合鉆孔進(jìn)行，成孔1根注漿1根。采用1∶1純水泥漿，注漿終壓根據(jù)試驗(yàn)確定，并持壓10～15 min，且注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量的95%時(shí)，可結(jié)束注漿。

4.2 初期支護(hù)及變形控制

按新奧法原理，洞口段采用曲墻帶仰拱的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，由初期支護(hù)、防水隔離層與二次襯砌組成。初期支護(hù)采用噴錨結(jié)構(gòu)，C25噴射混凝土厚30 cm，22鋼架間距60 cm，φ8 mm鋼筋網(wǎng)片，間距20 cm。拱部150°范圍內(nèi)設(shè)置φ42 mm（t＝3.5 mm）超前密排小導(dǎo)管，長3.5 m，環(huán)向間距20 cm，每兩榀施作1環(huán)。

對(duì)鋼架采用以下五項(xiàng)措施，以控制初支成環(huán)前的沉降變形：一是增加鎖腳數(shù)量和長度，每節(jié)點(diǎn)處采用4根鎖腳錨管，長度為6 m；二是中、下臺(tái)階采用φ76 mm（t＝5 mm）鎖腳錨管；三是鋼架采用大拱腳形式；四是增強(qiáng)鋼架底部的穩(wěn)定性，在上、中臺(tái)階鋼架底部采用輕型硬質(zhì)楔形墊塊臨時(shí)支墊，在下臺(tái)階拱腳處鋼架底部設(shè)置槽鋼支墊；五是采用混凝土濕噴工藝，使用大型濕噴機(jī)械手，具有速度快、混凝土密實(shí)度好、早期強(qiáng)度高、提高鋼架與混凝土整體性的優(yōu)點(diǎn)。

4.3 采用微臺(tái)階工藝“早成環(huán)”

采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法，減少臺(tái)階一次開挖高度，采用微臺(tái)階工藝，短進(jìn)尺，早成環(huán)，保證初支穩(wěn)定和安全。根據(jù)武家坡隧道設(shè)計(jì)斷面確定臺(tái)階參數(shù)為：上臺(tái)階高3.07 m、長3～5 m，進(jìn)尺1榀；中臺(tái)階高3.58 m、長6～8 m，左右側(cè)對(duì)稱開挖，進(jìn)尺2榀；下臺(tái)階及仰拱開挖高5.0 m，進(jìn)尺2榀，左右側(cè)對(duì)稱開挖，仰拱初期支護(hù)與下臺(tái)階同步施工，及時(shí)封閉成環(huán)。噴射混凝土完成后清除坡道洞渣，繼續(xù)下一循環(huán)施工。待洞口形成1倍洞徑的封閉環(huán)后再進(jìn)行掌子面掘進(jìn)［12］。微臺(tái)階開挖工法工藝流程見圖9。

圖9 微臺(tái)階開挖工法工藝流程

5 監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)采用觀察和測(cè)量相結(jié)合的方法。觀察主要對(duì)地表開裂、邊坡松動(dòng)、洞內(nèi)初支滲滴水、洞內(nèi)初支混凝土開裂等現(xiàn)象進(jìn)行觀察和記錄；測(cè)量采用全站儀重點(diǎn)對(duì)地表觀測(cè)點(diǎn)的沉降和位移、洞內(nèi)拱頂沉降點(diǎn)和水平收斂點(diǎn)的變形進(jìn)行測(cè)量和記錄。

觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置：洞內(nèi)按5 m間距設(shè)置監(jiān)控量測(cè)斷面，在國道下方40 m段落按間距3 m設(shè)置。洞內(nèi)設(shè)置拱頂沉降觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)，上、中臺(tái)階設(shè)置水平收斂線2條（4個(gè)點(diǎn)）。地表于洞口仰坡每隔5 m設(shè)置1個(gè)觀測(cè)斷面，與洞內(nèi)觀測(cè)斷面在同一位置。國道兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)觀測(cè)斷面。

據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，洞口段沉降變形可控，安全、質(zhì)量得到保證。洞口段穩(wěn)定后最大累計(jì)沉降值為16.3 mm（DK256＋680），最大周邊收斂值為12.1 mm（DK256＋691），日拱頂沉降平均值約0.9 mm，收斂值約為0.2 mm。國道側(cè)沉降觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)最大沉降值為7.8 mm。洞內(nèi)外及國道均無開裂現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

武家坡隧道進(jìn)口采用長管棚超前支護(hù)，結(jié)合三臺(tái)階預(yù)留核心土工藝、微臺(tái)階工法，成功完成了下穿307國道進(jìn)洞施工，經(jīng)測(cè)算比常規(guī)施工方法提前19 d，降低成本近20萬元。

（1）長管棚超前支護(hù)、加強(qiáng)拱腳措施、微臺(tái)階及時(shí)成環(huán)工法等隧道組合進(jìn)洞方案，具有技術(shù)性強(qiáng)、進(jìn)度快、較經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)控制隧道沉降變形效果明顯，是一種較為新穎的進(jìn)洞方法。

（2）拱腳支墊、大拱腳等系列加強(qiáng)拱腳控制措施，在隧道初支成環(huán)前，對(duì)有效控制隧道沉降變形具有重要作用。拱腳支墊方法簡(jiǎn)單、作用明顯、性價(jià)比高，對(duì)于軟弱圍巖隧道應(yīng)推廣。

（3）微臺(tái)階工法能夠縮短隧道初支封閉成環(huán)時(shí)間，在隧道安全和控制沉降變形方面起重要作用。

同時(shí)，施工過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，需進(jìn)一步研究改進(jìn)，如φ76 mm鎖腳錨管打設(shè)難度大、時(shí)間長，施工機(jī)械對(duì)周邊軟弱圍巖擾動(dòng)較大，增加了溜塌、掉塊現(xiàn)象；大拱腳在安裝時(shí)，在拱腳處圍巖向外擴(kuò)挖較多，現(xiàn)場(chǎng)多采用人工或風(fēng)鎬作業(yè)，施工時(shí)間長，同時(shí)發(fā)生砂質(zhì)新黃土掉塊現(xiàn)象。