呂偉

【摘 要】本文通過(guò)青榮城際蓁山隧道腐殖土段洞身開(kāi)挖的理論分析和施工實(shí)踐，從地表注漿加固、長(zhǎng)管棚超前支護(hù)、預(yù)留核心土、臨時(shí)仰拱等幾個(gè)施工關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了數(shù)值分析和闡述，對(duì)控制隧道圍巖變形、保證隧道安全施工、降低工程造價(jià)都具有重要的理論指導(dǎo)和工程實(shí)踐意義。

【關(guān)鍵詞】軟弱腐殖土；隧道；開(kāi)挖；施工技術(shù)

1 工程概況

由中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司承建的青榮城際鐵路蓁山隧道，位于煙臺(tái)市芝罘區(qū)境內(nèi)，全長(zhǎng)5505m，大部分地段為淺埋段暗挖，出口青煙DK210+513-青煙DK210+440段位于市區(qū)內(nèi)，多處下穿城市道路及建筑物，地質(zhì)差，屬于舊水庫(kù)回填區(qū)，埋深8-16m，中臺(tái)階以上為軟弱腐殖土，主要為素填土、雜填土以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，雜填土主要為建筑垃圾、生活垃圾及工業(yè)垃圾土；水塘底的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為軟塑～流塑，強(qiáng)度低。自穩(wěn)能力極差，圍巖變形控制非常困難，開(kāi)挖后極易產(chǎn)生坍方，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生涌泥、涌水及坍塌等現(xiàn)象，給工程施工安全帶來(lái)極大的危害 。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 腐殖土地層聯(lián)合加固技術(shù)

2.1.1 地表注漿

首先根據(jù)軟弱腐殖土的特性通過(guò)注漿設(shè)計(jì)計(jì)算出注漿施工參數(shù)。在隧道開(kāi)挖輪廓線外2m內(nèi)，使用KR909-1液壓多功能鉆機(jī)在地表打設(shè)Φ89×6mm無(wú)縫鋼管，按1m×1m矩形布置，注漿作業(yè)。注漿施工時(shí)先施工隧道兩側(cè)兩排，兩側(cè)注水泥水玻璃雙液漿，后用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿補(bǔ)注，以堵截兩側(cè)水路，封閉中間段落。將水泥-水玻璃雙液漿注入一定范圍內(nèi)需加固的軟弱腐殖土中，使?jié){液與周圍的腐殖土產(chǎn)生凝結(jié)，從而達(dá)到改變土體工程性質(zhì)增加土體強(qiáng)度的目的，具體見(jiàn)圖1地表注漿施工布置圖 。

2.1.2 打設(shè)超前管棚

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，合理確定大管棚支護(hù)參數(shù)。采用導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)在隧道拱部144°范圍內(nèi)采用一環(huán)長(zhǎng)20m，直徑Φ108mm，壁厚t=6mm的超前大管棚支護(hù)，管棚環(huán)向間距30cm，注水泥漿，見(jiàn)圖2管棚橫斷面布置。每完成一根鋼管，即開(kāi)始注漿施工，注漿采用水泥漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥采用PO.42.5水泥。由孔口注入水灰比為1：1的水泥漿，泵壓不宜過(guò)大，一般注漿壓力控制在0.8～1.5MPa，以充滿鋼管內(nèi)外空隙為度，停止注漿15～30分鐘后進(jìn)行二次補(bǔ)漿，確保管內(nèi)外填充質(zhì)量，二次補(bǔ)漿可采用超細(xì)水泥作為注漿材料。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：終壓下注漿量小于0.1L/min，持壓10min即可。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐過(guò)程中上臺(tái)階開(kāi)挖超過(guò)15m時(shí)，長(zhǎng)管棚離開(kāi)挖輪廓較遠(yuǎn)，其作用已不明顯，此時(shí)洞頂會(huì)有小型坍塌。根據(jù)設(shè)計(jì)、理論計(jì)算諸結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)確定軟弱腐殖土地層長(zhǎng)管棚最佳長(zhǎng)度為20m，每環(huán)搭接長(zhǎng)度5m。大管棚施工技術(shù)在軟弱腐殖土地層中可有效的提高土層物理參數(shù)，增大地層自穩(wěn)能力，從而起到控制地層變形、避免塌方現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2 三臺(tái)階開(kāi)挖技術(shù)

根據(jù)大量理論分析進(jìn)行方案比選以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明軟弱腐殖土圍巖中采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法并在掌子面預(yù)留核心土支撐掌子面可有效的控制圍巖變形，隧道開(kāi)挖后在掌子面預(yù)留核心土可有效的控制掌子面位移及掌子面前方的地表沉降。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)反饋結(jié)果顯示在此類圍巖在掌子面開(kāi)挖后3-10d變形速度最快變形量最大，此時(shí)在其他主動(dòng)防護(hù)措施在外臨時(shí)仰拱作為一種有效補(bǔ)充控制圍巖周邊收斂及地表變形作用明顯。

2.2.1 預(yù)留核心土

實(shí)踐證明，在隧道施工中，留核心土法是增強(qiáng)掌子面穩(wěn)定的一種有效的輔助施工方法。

預(yù)留核心土尺寸：

核心土尺寸具有最佳值，且合理留設(shè)核心土可以取得較好的工程效果。核心土尺寸主要包括核心土長(zhǎng)度和核心土高度，建模分析如下：

1）工作面核心土長(zhǎng)度

利用三維有限元方法對(duì)對(duì)其進(jìn)行分析，所建立的有限元模型如圖3有限元計(jì)算模型所示。

計(jì)算考慮了以下幾種工況參數(shù)：埋深變化為1D、1.5D和2.0D；臺(tái)階留設(shè)長(zhǎng)度變化為0（全斷面開(kāi)挖）、0.5D和1.0D，分別考慮有無(wú)核心土情況。

（1）對(duì)工作面應(yīng)力分布的影響

對(duì)隧道埋深為2D，有無(wú)核心土?xí)r，沿工作面縱軸方向中心線處不同臺(tái)階長(zhǎng)度的工作面大、小主應(yīng)力分布如圖4。由圖知，工作面土體最有可能因松弛而發(fā)生破壞的是全斷面條件，因此時(shí)主應(yīng)力差值為最小且最小主應(yīng)力幾乎為零，工作面土體處于平面應(yīng)力狀態(tài)。這一情況，隨著臺(tái)階法開(kāi)挖而有所改善，但并沒(méi)有改變最小主應(yīng)力的大小。但當(dāng)留設(shè)核心土?xí)r，從圖中很明顯看出，工作面大、小主應(yīng)力的分布得到顯著改善，且最小主應(yīng)力較大。這使得工作面的土體易于維持三向應(yīng)力狀態(tài)，從而保證了工作面正面土體的穩(wěn)定。

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（2）對(duì)工作面土體位移的影響

有無(wú)核心土的比較與分析

不同埋深及臺(tái)階長(zhǎng)度下，工作面有無(wú)核心土?xí)r，沿隧道推進(jìn)方向的工作面水平位移的變化特征見(jiàn)圖5（a、b、c）。當(dāng)埋深為1.5D時(shí)，不同核心土（臺(tái)階）長(zhǎng)度條件下，沿隧道推進(jìn)方向的工作面水平位移變化見(jiàn)圖5。

（a）工作面水平位移變化特征

（b）工作面水平位移變化特征

（c）工作面水平位移變化特征

由圖可得以下認(rèn)識(shí)：

在相同的臺(tái)階長(zhǎng)度條件下，工作面留設(shè)核心土能明顯抑止向隧道內(nèi)空運(yùn)動(dòng)的水平位移。

隨隧道埋深增加，向隧道內(nèi)空的水平位移逐漸增大。

隨核心土留設(shè)長(zhǎng)度的增加，其水平位移量減少。但由圖6也可以看出，核心土增大一倍后的抑止水平位移效果并不是非常顯著。埋深為1D和2D時(shí)，也反映與此相同的規(guī)律。這意味著核心土（臺(tái)階）長(zhǎng)度存在著最佳值。

（3）核心土對(duì)工作面前方水平位移的影響

在隧道埋深為1.5D，臺(tái)階（核心土）長(zhǎng)度為1D時(shí)，沿工作面自由表面高度范圍內(nèi)，工作面前方不同點(diǎn)的水平位移分布特征見(jiàn)圖7。不同埋深、核心土條件下，工作面前方各點(diǎn)沿隧道推進(jìn)方向的水平位移變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8（a、b、c）。

由圖表明如下規(guī)律：

沿隧道開(kāi)挖方向，水平位移在臨空面處表現(xiàn)為最大?？傮w呈現(xiàn)的特征為中間大、拱部和近核心土面處小。

核心土的設(shè)置盡管能抑止水平位移，但其作用范圍有限。在超前工作面1m左右處其作用最大，然后隨超前距離的增加，其抑止作用弱化。當(dāng)工作面超前距離大于3m時(shí)，核心土抑止水平位移的相對(duì)值趨于零。這從另一方面了說(shuō)明了在地層條件差時(shí)，擬單純依靠核心土的作用并不能控制水平位移。

在一定的地層條件下，工作面前方范圍存在著松弛區(qū)（水平位移方向朝向隧道內(nèi)空運(yùn)動(dòng)）和壓密區(qū)（水平位移背離隧道內(nèi)空方向）。這一表現(xiàn)特征與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致。

隨埋深增大，水平位移增大；而隨核心土長(zhǎng)度增加，水平位移趨于減少，但降低的幅度有限。

工作面不留設(shè)核心土?xí)r，其工作面前方1D以外地層仍在運(yùn)移，而留設(shè)核心土以后，可大幅度降低此范圍。對(duì)不同埋深條件下，若核心土長(zhǎng)度為0.5D時(shí)，則約在工作面前方2m處的水平位移漸趨于零；而當(dāng)核心土長(zhǎng)度增加至1D時(shí)，工作面前方約1.5m處的水平位移表現(xiàn)為背離隧道內(nèi)空方向，土體顯示出擠壓趨勢(shì)。由此也說(shuō)明了淺埋暗挖隧道核心土留設(shè)的必要性。

由圖可得出以下幾點(diǎn)基本認(rèn)識(shí)：

工作面留設(shè)核心土對(duì)控制地層下沉有一定的作用，但效果不如抑止水平位移明顯。

隨核心土長(zhǎng)度的增加，地層下沉雖有所減少，但由圖表明，核心土留設(shè)長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，地層下沉卻表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。這一點(diǎn)與核心土抑止水平位移的效果卻相反，說(shuō)明核心土長(zhǎng)度存在合理值。

隨埋深增大，地層下沉也呈遞增趨勢(shì)。

地層下沉的超前影響范圍大。這一特征表現(xiàn)是隨埋深增加而增加。

綜合以上分析，對(duì)工作面留設(shè)核心土可得出以下幾點(diǎn)初步結(jié)論：

合理的核心土長(zhǎng)度，能同時(shí)抑止地層的水平位移和地層的垂直位移，但其控制地層水平位移的效果優(yōu)于下沉。

工作面處及工作面前方地層的運(yùn)移是以水平位移為主，因此工作面正面預(yù)支護(hù)主要是抑止向隧道內(nèi)空的水平位移。盡管其對(duì)地層下沉也有一定的作用，但作用甚微。

增大核心土長(zhǎng)度能顯著控制水平位移，但超過(guò)一定值后卻會(huì)導(dǎo)致地層下沉增加。這清楚地表明：核心土（臺(tái)階）長(zhǎng)度存在著最佳長(zhǎng)度。分析認(rèn)為，對(duì)臺(tái)階（核心土）長(zhǎng)度的建議值為：最小值不宜小于0.5D，而最大值不宜大于1D。

工作面留設(shè)核心土不僅能有效降低松弛區(qū)的范圍，而且能在工作面前方產(chǎn)生壓密區(qū)。

2）工作面核心土高度

工作面核心土的高度是核心土留設(shè)的另一重要參數(shù)，圖10說(shuō)明了不同工況條件下，核心土留設(shè)高度與工作面臨界高度的關(guān)系。

工作面留設(shè)一定高度的核心土，能有效控制工作面的開(kāi)挖穩(wěn)定性。

核心土留設(shè)高度愈大，計(jì)算臨界高度值愈大，工作面愈穩(wěn)定。

盡管增大核心土高度利于控制工作面穩(wěn)定，但畢竟存在一個(gè)施工上的極限高度。

無(wú)核心土的工作面自由表面處，如前所述，水平位移依然產(chǎn)生，若地層條件差，則必然造成工作面土體剝落坍塌。因此這意味著為控制工作面自由表面處的穩(wěn)定，工作面正面預(yù)支護(hù)的存在有其必要性。

根據(jù)以上原理計(jì)算并結(jié)合圍巖量測(cè)情況，確定在此地層中開(kāi)挖核心土預(yù)留長(zhǎng)度為6-8m，高度為4m。

增大核心土長(zhǎng)度能顯著控制水平位移，但超過(guò)一定值后卻會(huì)導(dǎo)致地層下沉增加。這清楚地表明：核心土（臺(tái)階）長(zhǎng)度存在著最佳長(zhǎng)度。分析認(rèn)為，對(duì)臺(tái)階（核心土）長(zhǎng)度的建議值為：最小值不宜小于0.5D，而最大值不宜大于1D。經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度及高度核心土對(duì)對(duì)圍巖影響效果對(duì)比，，確定在此地層中開(kāi)挖核心土預(yù)留長(zhǎng)度為6-8m，高度為4m。

2.2.2 臨時(shí)仰拱法

臨時(shí)仰拱作為地質(zhì)條件較差情況下隧道施工方法的一種輔助措施，施工工藝簡(jiǎn)單實(shí)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著，在隧道輔助措施中得到了廣泛應(yīng)用。在可能發(fā)生大變形的淺埋地段，以注漿加固為主進(jìn)行主動(dòng)加固，臨時(shí)仰拱作為必要補(bǔ)充。

臨時(shí)仰拱采用I18工字鋼，縱向間距1m，并噴射混凝土，必要時(shí)應(yīng)加大支護(hù)拱腳及臨時(shí)豎撐。

3 結(jié)論

實(shí)踐表明蓁山隧道腐殖土段開(kāi)挖施工中采用優(yōu)化的三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法并在掌子面預(yù)留核心土支撐掌子面可有效的控制圍巖變形，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)反饋結(jié)果顯示在此類圍巖在掌子面開(kāi)挖后3-10d變形速度最快變形量最大，此時(shí)在其他主動(dòng)防護(hù)措施在外臨時(shí)仰拱作為一種有效補(bǔ)充控制圍巖周邊收斂及地表變形作用明顯，該技術(shù)可以更加有效的控制隧道圍巖變形、保證隧道安全快速施工、降低工程造價(jià)，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

【參考文獻(xiàn)】

[1]樓曉明，鄭俊杰，張榮軍.隧道施工引起的地表變形數(shù)值模擬[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]