高含水量软弱粘土隧道的施工方案

第2期 (总第 135期) 2002年 4月 20日 华 东 公 路 EASr CHINA }ⅡGHWAY No．2 (Total No．135) April 21302 文章编号：1001—7291(2001)02—0059—04 文献标识码：B 高 含 水 量 软 弱 粘 土 隧 道 的 施 工 方 案 ● 粱 巍 (中交第二心路勘察设计研究院 武汉 430052) 摘要：丹毒高速公路下马塘隧道丹东端，在较大范围内为浅埋软弱粘土围岩。在施工过程中 由于围岩合水量激增，使其自稳能力大减，造成拱顶上部地表下沉，山体开裂，使 已做好的 l7 m拱部初期支护变形、开裂、下沉，使施工受阻。针对这种情况，采取严格限制施工用水，洞内 采用自钻式锚杆以加固围岩，并分别采取 CD法和正台阶弧型导境分部开挖法等一系列措施，避 免了隧道再次塌方 关键词：粘土；含水量；中隔墙法；自钻式锚杆 1 工程概况 下马塘隧道位于本溪市南芬区下马塘镇与王家崴 子之间，是辽宁省修建的第一一条山岭重丘区丹 (东) 本 (溪)高速公路的全线最长的一座隧道，为上下行 分离的4车道高速公路，最大埋深约 160 m 左线隧 道长 1 070 m，右线隧道长 1 035 m，建筑限界净宽 lO．5 m，净高 5．5 m 丹东端进口地表为一缓坡地段，地形坡度 l{)度 左右。区内和隧道进口有关的岩土层按成因时代、岩 性特征、埋藏分布条件及物理力学性质，可分为以下 情况 。 1．1 碎 石混 亚 粘土层 黄褐色，碎石成分为混合花岗岩、石英岩、变粒 岩及少量云母片岩，粒径 20 llqFlI～200 mm，含量 占 4O％ ～5o％．块石成分为混合花岗岩，含量占10％～ 20％，充填物为l砸粘土及角砾；亚粘土．湿一饱和， 软塑一硬塑状态，一般分布在约 6．0 m以下至基岩范 围内。本层厚度 21 0 m一28 0 m左右，主要分布在 山脚附近的缓坡上，形成坡积裙，属坡积成因 1．2 全风化混合花岗岩 灰一黄褐色，碎裂结构，岩石多呈碎块状，地表 风化呈土状 1．3 强风化混合花岗岩 黄褐色．碎裂结构，风化强烈，黑云母风化成褐 色，节理发育，将岩石切割成 5 cm～2{)cm的碎石 状，主要分布在地表全风化混合花岗岩下 隧道工程 地质纵断面见图 1 图2。 隧道进口f 1999年 9月份正式动工，施工队伍 进场拉路基边槽及明洞开挖，所揭示的地质 情况基本 * 收稿日期：2001．12一I3 修回日期：2002~2．03 与勘察相符，为较破碎的全风化混合花岗岩。但 明洞施工到成洞面时，地质情况则突然发生恶化，全 风化混合花岗岩消失，掌子面呈现褐黄色粘土层，且 土的含水量较大，施工管柳时则发现成孔困难，岩芯 难以吐出，原设计的40 m管棚只能钻进不到 20 m。 鉴于掌子面的围岩情况及管棚施工现状，现场对原设 计的初期支护作 了调整，将朦 l8工字钢钢拱架 100一一榀调整为50 cm一榀，其他支护参数不变， 见图 3 由于施工时粘土的含水量较大，喷射混凝土 不宜挂住，施工时常造成所喷上去的混凝土与黄粘土 整体大面积的滑落，施工单位多次改进工艺和方法的 情况下仍无法喷上，决定把喷射混凝土改为模筑c 25 混凝土，并要求模筑后注浆，以避免混凝土与围岩之 间形成的空洞，造成工程隐患。 1999年 l2月 14号左线进 口在 ZK 124+271 6～+ 288 4，共 16．8 m，已做好的初期支护 (一次模筑混凝 土)拱圈发生整体下沉。下沉量为 1．3 m一0．7 m，混 凝土及钢拱架本身未变形及损坏，地底两侧粘土向中 间鼓起．拱脚沉陷。洞顶地表下沉范围为 ZK 124+265 一 ZK 124+291，长26 m，最大下沉横向宽度 7．4 m， 最大下沉量 8 m，塌陷处隧道埋深约5 m～8m，拱圈 以上已成为松散土体，右线初期支护 (一次模筑混凝 土)也发生鼓起，混凝土出现多道纵横裂缝。 2 事故原因 2．1 地质条件较差，为事故发生的主要原因。该地 质牯土 中粉粒 及粘 粒组 (<0 05 mm)含量 约 占 7(1％，自身强度低，含水量较大。经取样试验，该段 围岩液限 39．1％，塑限 21．O％，塑性指数 18 1％， 液性指数 0 552，天然含水量 3l％，属于软塑状态， 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 60 华 东 公 路 2002年第2期 遇水极易造成围岩强度大幅度降低。从地质构造上 讲，本段前后为强风化花岗岩，渗透性较差，地表水 和地下水渗透于此基本被阻隔。因此，本段可以说是 一 个地下水富集地带。 ZK12㈣ + 0 +240 + +280 +300 +32。 340 +360 +38O +4O0 m O Ⅲ 0 +怕o Ⅲ 图 I 左线工程地质纵断面示意 YK124+240 +260 +280 +3OO +32o +34。 +3∞ +∞ 0 +4O0 +‘∞ +4柏 +4e口 +480 图 2 右线工程地质纵断面示意 图3 软弱围岩地段支护示意 2．2 由于施工正值东北地区冬季即将来临之际，为 了抢洞VI段施工进度，以便冬季洞内可以正常施工， 施工方在拉下导中槽时，未能及时排出洞内围岩涌水 和施以锚杆及一次模筑混凝土的施工用水，使得围岩 软化，造成拱脚承载能力急剧下降。而本段又为浅埋 段，围岩压力随着时间增长迅速，更加剧了拱脚承载 力的不足。事后查量测数据 ，发现事故前 3 d，拱顶 位移急剧变化，多达 4一 3 施工 由于左线隧道塌陷严重，经各方讨论，决定采用 洞内管棚跨越，钢架顶撑，分段拆换初期支护的措 施。右线为避免初期支护的进一步下沉，采取以下紧 急措施。 (1)及时排除洞内施工用水，以防止围岩受水的 浸泡后进一步软化。 (2)对下导中部的深拉槽进行压实回填，以保证 基础的承载力。 (3)疏通地表排水沟，用粘土封闭地表裂缝，以 减少地表水的下渗。 渤 ㈨ l弓 啪 m 啦 善； Ⅲ |i 撕 拗 啪 差言 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年第 2期 梁 巍 ：高含水量软弱粘土隧道的施 工方案 61 (4)在洞内用型钢或圆木设置可靠的内支撑，并 施以临时仰拱 ，以控制土体的下沉变形与破坏。 (5)要求二次衬砌及时施工。由于洞室上部土体 已遭到破坏，土压力应按全部覆土厚度计算，二次衬 砌改为配筋混凝土结构，以提高整个支护系统的承载 能力。 通过上述措施的处理，基本控制了隧道初期支护 的进一步下沉，开始转而研究下一步施工方案。 3．1 CD开挖 法 根据设计阶段的地质勘察报告，本段软弱围岩估 计左线长达 150m，右线长达 100m，埋深只有 5 m～ 30 m。为稳妥起见决定采用 CD法 (即中隔墙法)开 挖。CD法适用于覆盖层较薄，围岩稳定性较差，跨 度较大的隧道，具有以下优点 ：能有效控制拱顶及地 表沉降，施工安全性好，对地基承载力要求不高，适 应范围相对较广 其缺点是：工序较复杂，施工进度 慢，生产效率低 ，施工成本高。该 CD法开挖步骤见 图4 并作了以下要求。 圈 4 cD法开挖步骤示意 (1)开挖采用人工开挖，应严格控制超欠挖，断 面轮廓力求圆顺 ．以减少应力集中现象； (2)初期支护杜绝采用模筑混凝土，必须采用喷 射混凝土，可注意调整好喷射混凝土的配合比，并可 适当加密钢筋网，可在初喷 3 cm厚混凝土时，适当 加大速凝剂用量 ，保证喷射混凝土能与围岩粘接在一 起，复喷时再恢复到正常比例； (3)锚杆钻孔宜采用干式排渣的回旋式钻机，杜 绝采用水钻；锚杆注浆应采用浓浆，注浆压力大于 1 MPa，保证注浆饱满； (4)各分部的开挖必须在邻近作业面的初期支护 达到一定强度后才能进行；要求初期支护尽早封闭， 中壁、横联拆除后，二次村砌要立即跟上，以控制围 岩变形和缩短围岩暴露时间； (5)施工中洞内应有完整的排水措施，严禁施工 用水和地下水暴露在工作面； (6)本地段施工缝全部采用沉降缝； (7)加强围岩周边围岩位移监控量测，以监控量 测结果指导施工。 由于普通系统砂浆锚杆成孔困难 ，反复的钻孔、 清孔对土体的扰动严重．用水量大，该粘土对水又十 分敏感，实际施工要求采用的干式排渣的回旋式钻机 无法钻进设计深度，只能达 1．5 m左右深。因此系统 锚杆改用的是 3 m长 自进式锚杆，以高压风冲孔排 渣、注浆，避免对土体造成过多扰动。当锚杆的钻进 达到设计的深度时，孔内的所有浮土岩屑应利用 钻机的压缩空气清理干净，注浆主要采用水泥浆液， 其水灰比为 0．4～0．55。系统锚杆采用自钻式锚杆后， 具有施工快速，简便的优点，极大的缩短了支护时 问。 3．2 正台阶弧型导坑分部开挖法 围 5 正台阶弧型导坑法开挖步骤示意 按 CD法施工，施工单位月进尺为 15m左右，十 分安全但速度较慢。由于本段类似的粘土地段较长， 且下马塘隧道又为全线最长的隧道，工期非常紧张， 且随着天气转好，隧道掌子面仍为黄粘土，但含水量 明显减小，尤其是隧道起拱线下已经变为碎石土。基 于以上情况经各方讨论后同意按上下台阶法 (正台阶 弧型导坑分部法)施工，见图5。正台阶弧型导坑法 适用于围岩稳定性较差，但开挖后有一定的 自稳时 间，跨度适中的隧道，具有以下优点：工序简单，工 作面宽敞，施工进度快，生产效益高，便于大型机械 设备工作。缺点是上断面拱脚要求的承载能力较 cD 法高，控制拱顶下沉及变形不如前者。施工时要求承 包商除满足 cD法的一些施工注意事项外，还作了以 下要求。 (1)严格安装微台阶法施工，台阶不宜超过5 m， 初期支护必须早封闭。 (2)要认真加固拱脚，保证拱脚位于原状土上， 若拱脚所处岩石破碎及软弱时，宜加临时长锕垫板。 (3)边墙马口跳槽开挖必须单侧落底或双侧交错 落底，避免上部断面两侧拱脚同时悬空。 维普资讯 http://www.cqvip.com 华 东 公 路 2002年第2期 (4)落底长度应视围岩状况而定，一般采用 1 m ～ 3 m，并不得大于6 m。 (5)仰拱开挖前，宜架设临时横撑顶紧两侧墙 脚，防止边墙内挤，待仰拱混凝土达到混凝土强度 70％才能拆除。 (6)量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边 墙中部的位移值，当发现速率增大时，应立即浇筑二 次衬砌 ，或先行构件支顶。 (7)当围岩压力极大，其变形速率难以收敛时， 可先修筑临时仰拱，并考虑采用其它开挖方法。 施工方案修改后．施工速度达到正常的月进尺 30 m左右，根据隧道周边位移的量测结果．变形基 本控制在 1 cm之间 ．表明结构是稳定的，应用该方 法顺利的通过了前方软弱围岩地段 4 结 语 4．1 对于两车道断面的隧道．当围岩开挖后具有一 ●简 讯 ● 定的自稳时间，可采用工序简单，开挖次数少，施工 效率高的施工方法，不一定要采用安全系数大，但工 序烦琐的CD法。 4．2 在软弱围岩中施工时，必须严格执行 “强支护、 短开挖、快封闭、早成环”的原则。 4．3 软弱粘土隧道系统锚杆宜采用 自钻式锚杆，且 干钻，避免因水而造成围岩自身强度的降低。 4．4 应强调直喷混凝土，尽量不采用模喷或模筑， 否则容易造成初期支护与围岩之间不密实。即使后期 采用预留钢管注浆也难以保证没有空洞，造成安全稳 患 4．5 新奥法施工，尤其对于软弱围岩，围岩周边量 测对设计与施工都是个不可忽视的手段，可以根据反 馈的信息把握施工节奏，调整施工方法和修正有关设 计参数 限 2．7 参考文献限于作者亲自闻读、本文明确}：用、膺开发表者 文献全部列入文后，按文中出现的先后次序鳊号，在 文内右上角注明序号 文献著录格式如下： 期刊：作者 ．文题 ．刊名，出版年份．卷 (期)：起止页码 专著：作者 书名 ．译者 版次 (第 1版不注) 出版地 ：出版单住，出版年份 ．起止页码 集：作者 文题 ．见：论文巢编者 论文巢名称 出版地：出版单住 ，出版年份 起止页码 学位论文：作者 文题：[学住论文] 保存地点：保存单拉，年份 专利文献：专利申请者 ．题 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