洞口小型溜塌體黃土隧道進(jìn)洞技術(shù)研究

馬 帥

（中鐵二十局集團(tuán)市政工程有限公司，甘肅 蘭州 730046）

1 引言

隨著國家西部大開發(fā)政策的推行，近些年來中西部地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加快了步伐，其中橫跨陜甘寧地區(qū)的黃土高原分布有面積廣闊的濕陷性黃土，其表層部分在雨水長期的沖刷下形成大大小小的溜塌體，成為了工程施工的攔路虎。尤其是當(dāng)隧道洞口位于溜塌體時(shí)，進(jìn)洞施工難度較大，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。文章通過某鐵路隧道洞口位于小型溜塌體進(jìn)洞的實(shí)例，提出了一種全新的安全、環(huán)保的進(jìn)洞理念，為類似工程提供了一種新的思路。

2 工程概況

蒙西到華中煤運(yùn)鐵路是國內(nèi)一次建成最大規(guī)模的運(yùn)煤專線，線路北起內(nèi)蒙古浩勒?qǐng)?bào)吉，終點(diǎn)到達(dá)江西省吉安，線路全長1 837 km，規(guī)劃設(shè)計(jì)輸送能力為2億噸/年。跨越蒙、陜、晉、豫、鄂、湘、贛七省區(qū)，投資概算1 700億元，是繼大秦線(山西大同至河北秦皇島)之后國內(nèi)又一條超長距離的運(yùn)煤大通道。

蒙華鐵路某隧道位于陜西省延安市境內(nèi)，隧道全長1 369 m，最大埋深138 m，為單z洞雙線隧道。隧道進(jìn)口處地質(zhì)情況為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)新黃土，淺黃色，硬塑，呈松軟結(jié)構(gòu)。

洞口處穿越小型溜塌體上部，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示表層土為砂質(zhì)新黃土，下層為黏質(zhì)老黃土，新老黃土交界面較明顯。地表水通過交界面滲透出地表，導(dǎo)致溜塌體坡腳前緣土體含水量較高，局部達(dá)到液限，呈流塑狀。

3 設(shè)計(jì)變更情況

該隧道進(jìn)口原設(shè)計(jì)采用常規(guī)A108大管棚超前支護(hù)措施進(jìn)洞，明洞長11 m，洞門采用直切式明洞門。業(yè)主組織的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)核對(duì)時(shí)發(fā)現(xiàn)原地表出現(xiàn)輕微裂縫，小型溜塌體前緣富水，局部土體含水量已達(dá)飽和狀態(tài)。考慮到按照原設(shè)計(jì)施工進(jìn)洞風(fēng)險(xiǎn)極高，施工難度大，業(yè)主召集設(shè)計(jì)院及施工單位對(duì)此進(jìn)行了設(shè)計(jì)變更。變更后暗洞長度延長22 m，洞門變更為端墻式洞門。洞口左側(cè)溜塌體前緣土體采用三七灰土換填并夯實(shí)，開挖工法采用護(hù)拱暗挖法，護(hù)拱基礎(chǔ)下設(shè)置A89鋼管樁，鋼管樁下部嵌入硬質(zhì)黏土層不小于2 m。取消長管棚超前支護(hù)措施，進(jìn)入暗洞后超前支護(hù)措施采用密排小導(dǎo)管。

4 施工過程

4.1 方案概述

由于該隧道進(jìn)洞施工時(shí)已接近冬季，考慮到洞口附屬工程冬季施工保溫措施投入大，費(fèi)用高，施工單位決定對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，在保證安全前提下加快進(jìn)度，提早進(jìn)入暗洞施工。經(jīng)過多方案比選，最后決定采用初支逆作法，即首先施做地表以上部分的初支結(jié)構(gòu)，其次施工護(hù)拱結(jié)構(gòu)，最后反壓回填后進(jìn)行暗洞掘進(jìn)的施工順序。

4.2 溜塌體前緣體三七灰土換填

線路左側(cè)溜塌體前緣土體含水率較高，局部達(dá)液限狀態(tài)。設(shè)計(jì)采用的軟弱地基加固方法為機(jī)械挖除后換填三七灰土并分層夯實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖揭示軟弱土層厚度約1.5~2 m。軟弱土層底部為黏質(zhì)老黃土，堅(jiān)塑狀，圍巖穩(wěn)定性較好。分層夯實(shí)每層虛鋪厚度不大于30 cm，由于場(chǎng)地面積較小，作業(yè)空間有限，采用蛙式打夯機(jī)進(jìn)行夯實(shí)。石灰采用新鮮消石灰粉，其顆粒不得大于5 mm，且不得含有未熟化的生石灰顆粒及其他雜質(zhì)，也不得含有過多的水分。

4.3 架設(shè)地表以上部分格柵拱架并噴射混凝土

對(duì)原地表進(jìn)行清表后測(cè)量人員放出拱腳部位邊線并做標(biāo)記，根據(jù)拱架高度搭設(shè)鋼管架作業(yè)平臺(tái)架設(shè)鋼架，拱架采用H230四肢格柵鋼架，拱架間距0.6 m，拱架之間設(shè)置B22縱向連接筋，環(huán)向間距1 m，與格柵拱架主筋采用單面焊，焊縫長度22 cm。拱架每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置4根A42壁厚5 mm無縫鋼管作為鎖腳錨管，單根長度6 m，管內(nèi)灌注M30砂漿以增強(qiáng)管體剛度。拱腳處通長鋪設(shè)36a槽鋼以減少初支拱架的不均勻沉降。為保證初支結(jié)構(gòu)與護(hù)拱有效連接，噴射混凝土前預(yù)埋錨固筋，錨固筋間距縱環(huán)向均為1.2 m，與鋼架焊接牢固。

初支砼采用掛底模法噴射，在鋼架內(nèi)側(cè)滿鋪5 cm厚木板并固定牢固。格柵拱架與木模間設(shè)置3 cm厚墊塊，保證初支混凝土保護(hù)層厚度滿足設(shè)計(jì)要求。噴射作業(yè)采用鐵建重工HPS3016濕噴機(jī)械手，最大噴射效率30 m3/h。為保證施工安全，每次噴射分段長度不大于5 m。

4.4 護(hù)拱施工

護(hù)拱厚60 cm采用C30混凝土澆筑而成，內(nèi)部設(shè)置B25環(huán)向主筋間距20 cm，縱向鋼筋B16間距20 cm。護(hù)拱基礎(chǔ)寬度1.2 m，厚0.6 m，基礎(chǔ)下設(shè)置3排A89鋼管樁，縱向間距1 m，單根長8 m，管內(nèi)灌注1∶1水泥漿。

護(hù)拱施工前必須對(duì)已施做初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加固，防止護(hù)拱澆筑過程中初支結(jié)構(gòu)受力過大而產(chǎn)生較大沉降。護(hù)拱混凝土澆筑分兩次進(jìn)行，先澆筑兩側(cè)護(hù)拱基礎(chǔ)及以上50 cm部分，再澆筑其余部分。澆筑采用天泵進(jìn)行，澆筑過程中保證布料均勻左右對(duì)稱澆筑。護(hù)拱澆筑完畢及時(shí)覆蓋灑水保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期為7天。

4.5 反壓回填及正洞掘進(jìn)

護(hù)拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后開始進(jìn)行線路左側(cè)及拱部反壓回填。反壓回填施工時(shí)要注意保證護(hù)拱結(jié)構(gòu)兩側(cè)受力均勻。回填應(yīng)分層夯實(shí)，每層厚度不大于20 cm。回填期間嚴(yán)密注意初支結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)情況，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

反壓回填完畢后進(jìn)行正洞掘進(jìn)，開挖工法采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法，臺(tái)階長度不大于5 m，初支成環(huán)距掌子面距離不大于1倍洞徑。

護(hù)拱段正洞掘進(jìn)完畢后進(jìn)入暗洞施工時(shí)，超前支護(hù)措施采用超前密排小導(dǎo)管，上臺(tái)階拱部150°范圍內(nèi)設(shè)置A42壁厚3.5 mm無縫鋼管，環(huán)向間距20 cm，單根長4 m。管內(nèi)灌注1∶1水泥漿。縱向每3榀拱架設(shè)置一環(huán)，鋼管外插角10~15°。

4.6 監(jiān)控量測(cè)情況

洞口段圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，襯砌類型為Ⅴb（土），監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布置間距為5 m，共設(shè)置1個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2排周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)。施工期間護(hù)拱段監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 護(hù)拱暗挖段監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)

施工期間拱頂最大沉降斷面為DK344+260，累計(jì)拱頂沉降值為49.8 mm。該斷面的累計(jì)沉降折線圖見圖1。

圖1 護(hù)拱暗挖段拱頂下沉量測(cè)數(shù)據(jù)折線圖

通過監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，采用該方案施工期間，初支結(jié)構(gòu)整體較穩(wěn)定，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)間-累計(jì)沉降值曲線走勢(shì)符合實(shí)際情況，前期初期支護(hù)結(jié)構(gòu)未封閉成環(huán)時(shí)拱頂沉降較大，封閉后拱頂沉降值趨于穩(wěn)定。

5 初支逆作法優(yōu)點(diǎn)

隧道的常規(guī)進(jìn)洞方式為先反壓回填后人工修整筑護(hù)拱的胎膜（俗稱土牛），再施工護(hù)拱，在護(hù)拱的保護(hù)下開挖并施做初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，為保證在冬季施工來臨前進(jìn)入暗洞施工，搶抓工期，技術(shù)人員在研究了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況后積極打破一般隧道進(jìn)洞的常規(guī)思路，采用先施作部分初支結(jié)構(gòu)作為護(hù)拱的底模，再施作上部護(hù)拱結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行暗洞開挖掘進(jìn)。采用該方案的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）縮短了進(jìn)洞時(shí)間，加快了施工進(jìn)度。按照原設(shè)計(jì)方案原地形需先分層回填再開挖出護(hù)拱底膜進(jìn)而施作護(hù)拱。按照優(yōu)化后的方案，取消了反壓回填的工序及人工挖護(hù)拱底模及修整護(hù)拱輪廓的時(shí)間，大大加快了施工進(jìn)度。確保在冬季施工來臨前進(jìn)入暗洞。

（2）該方案根據(jù)原地形情況人工適當(dāng)修整并整平后立架，鋼架分節(jié)部位根據(jù)地形起伏進(jìn)行調(diào)整。實(shí)現(xiàn)了零刷坡，減少對(duì)地表擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了安全進(jìn)洞。

（3）原設(shè)計(jì)方案，反壓回填后暗洞部分的土方在進(jìn)行暗洞掘進(jìn)時(shí)需要開挖運(yùn)走。采用優(yōu)化后的方案節(jié)省了該部分土方的開挖運(yùn)輸費(fèi)用，為項(xiàng)目創(chuàng)造了效益。

6 結(jié)論

該隧道按照此方案實(shí)現(xiàn)了安全、快速、高效進(jìn)洞，達(dá)到了既定的工期節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，總結(jié)主要有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

（1）該方案中對(duì)小型溜塌體前緣體處理采用的是換填后三七灰土夯實(shí)，施工中必須保證施工質(zhì)量，分層攤鋪后夯實(shí)，切實(shí)起到改善地基承載力的作用，減少工后沉降。

（2）初支鋼架采用H230格柵鋼架，根據(jù)原地形起伏設(shè)置分節(jié)部位，盡量減少由于開挖原狀土對(duì)原地表的擾動(dòng)，減少溜塌體下滑的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）必須保證初支鋼架的安裝質(zhì)量，鎖腳錨管采用單根長度6 m的φ42無縫鋼管，每節(jié)點(diǎn)設(shè)置4根，鎖腳錨管注1∶1水泥漿加強(qiáng)管體的剛度。施做過程中嚴(yán)格控制鎖腳錨管的打設(shè)角度，切實(shí)起到“抬”拱架的作用。

（4）初支結(jié)構(gòu)施作完成后及時(shí)進(jìn)行拱頂沉降和周邊收斂等隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)要及時(shí)采取加固補(bǔ)強(qiáng)等應(yīng)急措施。

（5）護(hù)拱施作完成后待線路左側(cè)滑坡體前緣反壓回填至右側(cè)山體基本持平后方可進(jìn)行暗洞掘進(jìn)。

（6）洞口段圍巖較軟弱，開挖工法采用三臺(tái)階預(yù)留核心法，初支仰拱及時(shí)封閉成環(huán)，上、下臺(tái)階長度不大于5 m。初支仰拱及時(shí)封閉成環(huán)，距掌子面距離不大于1倍洞徑，確保施工安全。