高含水量软弱粘土隧道的施工方案

隧道工程钢拱架加工网www.gj007.com 四川工程焊工队伍QQ851596387 高含水量软弱粘土隧道的施工 梁　巍　　（中交第二公路勘察研究院　武汉　430052） 　　摘要：丹本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含水量激增，使其自稳能力大减，造 成拱顶上部地下沉，山体开裂，使已做好的17m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法和正台阶弧型导坑分部 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160m。左线隧道长1070 m，右线隧道长1035m，建筑限界净宽10．5m，净高5．5m。 丹东端进口地表为一缓坡地段，地形坡度10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20mm～200mm，含量占40％～50％，块石成分为混合花岗岩，含量占 10％～20％，充填物为亚粘土及角砾；亚粘土，湿—饱和，软塑—硬塑 状态，一般分布在约6．0m以下至基岩范围内。本层厚度21．0m～28． 0m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—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5cm～20cm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。         隧道进口于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与勘察报告相符，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，施工管棚时则发现成孔困难，岩芯难 以吐出，原设计的40m管棚只能钻进不到20m。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，将原18工字钢钢拱 架100cm一榀调整为50cm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的情况 下仍无法喷上，决定把喷射混凝土改为模筑C25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12月14号左线进口在ZK124＋271．6～＋288．4，共16．8m，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． 3m～0．7m，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ZK124＋265～ZK124＋291，长2 6m，最大下沉横向宽度7．4m，最大下沉量8m，塌陷处隧道埋深约5m～ 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　事故原因分析 2．1　地质条件较差，为事故发生的主要原因。该地质粘土中粉粒及粘粒组 （＜0．05mm）含量约占70％，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21．0％，塑性指 数18．1％，液性指数0．552，天然含水量31％，属于软塑状态， 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。 图1　左线工程地质纵断面示意 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，为了抢洞口段施工进度， 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3d，拱顶位移 急剧变化，多达4cm。 3　 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。 （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5m～30m。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。 图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3cm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1MPa，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，二次衬砌要立即跟 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1．5m左右深。因此系统锚杆改 用的是3m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规定的深度时，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间。 3．2　正台阶弧型导坑分部开挖法 图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5m，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，宜加临时长钢垫板。 （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。 （4）落底长度应视围岩状况而定，一般采用1m～3m，并不得大于6m。 （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30m左右，根据隧道周边 位移的量测结果，变形基本控制在1cm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 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。                                                   ●简　讯●