李建飛

(中鐵二十二局集團第四工程有限公司 天津 301700)

1 引言

地下工程建設(shè)時為避免影響上覆建筑物或交通正常運行，常采取蓋挖法先向下開挖一定深度，再將頂部恢復(fù)后進行內(nèi)部施工[1]。由于蓋挖法施工安全性高、受外界氣候影響小的特點，在山嶺隧道淺埋開挖時常有應(yīng)用。

溫志勇[2]對隧道穿越超淺埋段的施工方法進行研究，結(jié)合開挖、支護措施介紹了蓋挖法在山嶺隧道淺埋段中的應(yīng)用；楊仲杰[3]針對穿越風(fēng)景區(qū)隧道拱頂外露區(qū)段，采用蓋挖法施工后的現(xiàn)場應(yīng)用及數(shù)值計算均表明，該工法能有效降低對風(fēng)景區(qū)的環(huán)境破壞并減少對山體的擾動；劉傳力等[4]針對隧道出口段與V形沖溝斜交下穿及最小埋深2.47 m的工程特點，選取蓋挖法施工，并運用數(shù)值模擬方法分析了隧道受力變形的變化規(guī)律，并總結(jié)了淺埋偏壓段蓋挖法施工要點；亓文新[5]結(jié)合蓮花山2號隧道進口段施工，分析明挖、暗挖、蓋挖法優(yōu)缺點并進行了方案比選，較為詳細(xì)地介紹了蓋挖法施工關(guān)鍵技術(shù)；孫秋紅等[6]針對某隧道超淺埋段施工，分析了該段存在的施工風(fēng)險，并從經(jīng)濟、技術(shù)、安全和可行性等多方面對淺埋段開挖方案進行對比。

綜上，目前山嶺隧道建設(shè)中，蓋挖法在進出洞段應(yīng)用較多，淺埋洞身段應(yīng)用較少，特別是穿越溝谷淺埋富水段的明洞蓋挖法綜合施工技術(shù)，更是少有研究報道。因此，本研究內(nèi)容在山嶺隧道建設(shè)領(lǐng)域具有重要的實際應(yīng)用價值。

2 工程背景及風(fēng)險分析

2.1 工程概況

安山隧道設(shè)計為單洞單線無砟鐵路隧道，隧道全長1 194 m。其中DK1825+312～DK1825+357明洞段原設(shè)計為Ⅴ級圍巖明挖法施工，該段最小埋深約2.5 m，見圖1。隧址區(qū)地形起伏較大，自然坡度15°～40°；明洞段三面環(huán)坡，地處低洼處，線路右側(cè)為谷底，山體有三股沖溝水匯流至該處，匯水面積大。

圖1 DK1825+312～DK1825+357明洞段平面

(1)工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，DK1825+312～DK1825+357段表層為第四系坡殘積層粉質(zhì)黏土，硬塑，厚約0.5～6 m，溝谷處表層有薄層的角礫土，下伏基巖主要為全風(fēng)化～弱風(fēng)化花崗巖，其中全～強風(fēng)化層厚度10～25 m?；鶐r內(nèi)部侵入接觸帶，帶內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，見圖2。

圖2 DK1825+312～DK1825+357明洞段縱剖面(單位：cm)

(2)水文地質(zhì)

隧區(qū)內(nèi)地表水主要分布于山間溝谷，水量不大，主要受大氣降水補給，地下水類型主要為基巖裂隙水及風(fēng)化物中的孔隙水。裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙中，主要補給來自大氣降水。4、5月份為江西地區(qū)的雨季，雨水頻繁，山體匯水量大，雨水匯集后經(jīng)明洞流入線路右側(cè)谷底。

2.2 施工風(fēng)險分析

DK1825+312～DK1825+357明洞段地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地表水發(fā)育。該段施工過程中可能存在以下風(fēng)險:

(1)施工期正好處于雨季，明洞段地處溝谷，地表徑流多，匯水面積大，土體開挖后施作護拱前若邊坡加固和引流措施不到位，易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

(2)明洞段表層為粉質(zhì)黏土，下伏花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化嚴(yán)重，土層承載力低；加上該淺埋段洞頂埋深小，若支護強度不足或支護措施不全面，洞內(nèi)施工完畢后，在地下水及地表水的作用下，易產(chǎn)生較大的地表沉降。

(3)對于明洞段附近的淺埋弱偏壓段而言，上覆土體難以自穩(wěn)，支護受力不均勻，易出現(xiàn)襯砌開裂、洞內(nèi)大變形等施工風(fēng)險；由于埋深淺，又三面環(huán)坡，塑性區(qū)向地表發(fā)展后土體變形增大，易導(dǎo)致地表開裂、洞內(nèi)大變形等施工風(fēng)險[7]。

2.3 支護設(shè)計變更

DK1825+312～DK1825+357段原設(shè)計為明挖法施工，洞內(nèi)設(shè)計為Vb級復(fù)合式襯砌，臺階法開挖；洞口臨時邊坡為1∶1放坡，坡面采用噴錨加固，錨桿采用長4 m的φ22砂漿錨桿，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置；噴射混凝土采用10 cm厚C25網(wǎng)噴混凝土，φ8鋼筋網(wǎng)間距采用25 cm×25 cm網(wǎng)格；部分邊坡采用錨桿框架梁防護。

蓋挖設(shè)計變更措施如下:(1)增設(shè)70 cm厚C35鋼筋混凝土護拱，初支鋼架設(shè)置在護拱內(nèi)，拱腳采用擴大基礎(chǔ)加大承載面積，抵抗軟土變形沉降。(2)在護拱兩側(cè)設(shè)置φ89鋼花管加固，間距2 m。為保證加固強度，增加開挖后洞身穩(wěn)定性，加固土體的防護深度應(yīng)不小于強風(fēng)化巖層的深度。(3)該段開挖工法變更為三臺階臨時仰拱法。(4)將部分錨桿框架梁防護取消，全部變?yōu)閲婂^加固。(5)優(yōu)化洞頂回填及排水措施，加強引排水能力，其余維持原設(shè)計。橫斷面DK1825+338處支護設(shè)計見圖3。

圖3 DK1825+338橫斷面支護設(shè)計(單位：cm)

3 優(yōu)選蓋挖法原因分析

明挖法一般具有施工簡單、快捷、經(jīng)濟、安全的優(yōu)點，但其受天氣影響大，開挖面積大[8]；同時易造成普遍較高的邊仰坡，既破壞環(huán)境又影響美觀，再加上防護不及時及降水等因素影響，很可能導(dǎo)致邊仰坡坍塌等工程病害。一般來說，除鐵路隧道頂部高出地面較多的情況外，在地面不低于起拱線時，適用于明挖法施工的隧道，均可以采用蓋挖法施工。蓋挖法和明挖法施工對比如表1所示[9]。

表1 蓋挖法和明挖法施工對比

蓋挖法在本工程應(yīng)用中有以下幾點優(yōu)勢:

(1)由于蓋挖法開挖基坑深度小，地層開挖暴露面積小，圍巖受擾動影響較小，因此在軟弱圍巖條件下的施工安全性更高。

(2)蓋挖施工不受季節(jié)和天氣影響，一旦拱蓋形成并具備一定的強度后即可在洞內(nèi)掘進；在相對封閉的環(huán)境下施工，既不受天氣影響，也避免了其他人為因素的干擾。

(3)通過減小蓋挖法施工時臨時邊坡的開挖高度，可大大減少永久性征地面積，地表受開挖影響的區(qū)域也更小，減小了對原地表植被的破壞。

(4)在工程造價方面，根據(jù)現(xiàn)場投入概算，蓋挖法較明挖法的直接費用大約增加30w，但相對于明挖法節(jié)省了工期，減少了雨季施工窩工現(xiàn)象，因此相對來說蓋挖法更經(jīng)濟。

綜上，結(jié)合地質(zhì)、地形、地表環(huán)境及氣候等條件，將DK1825+312～DK1825+357明洞段的明挖法變更為蓋挖法施工更為合理。

4 關(guān)鍵施工措施

現(xiàn)場蓋挖段的施工順序:排截水處理及截水天溝施工→蓋挖段護拱開挖防護→基礎(chǔ)注漿處理施工→護拱施工→暗洞施工→回填作業(yè)。

(1)基礎(chǔ)注漿處理

為保證加固強度，增加開挖后洞身穩(wěn)定性，加固土體的寬度不小于3 m，防護深度應(yīng)不小于強風(fēng)化巖層的深度。為達(dá)到預(yù)期的注漿效果，在大范圍注漿加固之前，選取了典型地層進行小規(guī)模注漿試驗?，F(xiàn)場注漿施工前選取DK1825+320斷面進行單鉆孔試驗，注漿漿液為單液漿，水灰比為1∶1；漿液凝固后取芯觀察，發(fā)現(xiàn)漿液擴散半徑在1.4～2.4 m之間，擴散半徑從上至下基本呈現(xiàn)遞減趨勢；5個芯樣的平均28 d無側(cè)限抗壓強度為2.46 MPa，平均滲透系數(shù)處于10-8量級，基本滿足預(yù)期要求。

試驗段基本達(dá)到預(yù)期效果，因此可進行明洞段注漿加固:①注漿管距離耳墻外緣95 cm，縱距2 m布置；②將鋼花管連續(xù)接長后裝入孔內(nèi)；③注漿，注漿壓力初始值控制在0.2～0.5 MPa，終壓2 MPa；④單孔達(dá)到設(shè)計注漿壓力并穩(wěn)定10 min后結(jié)束注漿，并采用M40水泥砂漿全孔封堵密實(見圖4)。

(2)暗洞防排水措施

圖4 鋼花管注漿加固

為保證隧道后期運營安全，本次施工采取以下防排水加強措施:①隧道拱墻防水板背后環(huán)向設(shè)置凸型排水板(寬50 cm，厚1 cm)排水，縱向間距4～5 m；②環(huán)向施工縫采用中埋式橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶，仰拱及底板兩道止水帶之間預(yù)埋可維護性注漿管，外徑20 mm；③縱向施工縫防水在先澆筑的混凝土頂面涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水涂料兩層；④變形縫處全環(huán)設(shè)置中埋式橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶，拱墻變形處襯砌外緣與防水板結(jié)合部位以聚硫密封膠封堵，襯砌內(nèi)緣3 cm范圍內(nèi)以聚硫密封膠封堵，以外2 cm范圍內(nèi)設(shè)置U型鍍鋅鋼板接水盒，其余空隙采用填縫材料填塞密實。

5 現(xiàn)場監(jiān)測及實施效果

5.1 地表沉降監(jiān)測方案

監(jiān)測斷面布置在DK1825+300～DK1825+360段地表，沿中線方向縱向每10 m設(shè)置一處沉降觀測樁，橫向兩側(cè)各15 m范圍內(nèi)每5 m設(shè)置一處沉降觀測樁，即7個監(jiān)測點，DK1825+300～DK1825+360段地表共設(shè)置49個沉降觀測點。地表下沉采用水準(zhǔn)儀加測微器觀測，在沉降曲線基本水平時為止。

5.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

(1)由于監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，選取DK1825+330典型監(jiān)測斷面的1#～7#監(jiān)測點進行沉降數(shù)據(jù)分析。其中，1#～3#監(jiān)測點位于沖溝上游(線路左側(cè))，4#監(jiān)測點位于隧頂，5#～7#監(jiān)測點位于沖溝下游(見圖5～圖6)。

圖5 DK1825+330斷面4#測點沉降速率曲線

圖6 DK1825+330斷面地表各測點累計沉降曲線

由圖5可知，隧道開挖5 d內(nèi)地表土體基本處于快速沉降期，但變形速率一直在減??；11 d時沉降速率有個突變，根據(jù)施工報告推測為下雨導(dǎo)致的土體強度降低，引起地層變形短暫加?。?5 d以后地表沉降速率接近0，說明隧道周圍土體基本穩(wěn)定。

從圖6可得出幾點信息:①沖溝上游土體沉降普遍大于沖溝下游，表明隧道施工對較高處的坡體影響更大；②按沉降理論，隧道開挖中線的地表沉降理應(yīng)最大，但實際上距線路中線5 m的3#測點沉降最大，表明注漿加固等施工措施起到了穩(wěn)定地層的作用；③隧道開挖沿橫向的強影響范圍為沖溝上游10 m至下游5 m，其余范圍地層所受施工影響較弱。

(2)單獨選取隧道地表正上方的3#監(jiān)測點，對監(jiān)測期內(nèi)DK1825+300～DK1825+360段的7個監(jiān)測斷面的沉降數(shù)據(jù)進行縱向變形分析。

如圖7所示，各斷面縱向地表變形呈峰狀分布，320斷面的累計沉降最小，兩端的地層變形加大。一方面由于蓋挖段土體軟弱，加上處于雨季，監(jiān)測段兩端處于高坡，蓋挖施工難免對坡體造成擾動；另一方面原因為320斷面基本處于蓋挖段中心，受兩端的坡體影響最小。

圖7 DK1825+300～DK1825+360各斷面測點沉降曲線

6 結(jié)論

本文針對蒙華鐵路安山隧道跨溝谷淺埋段蓋挖法施工進行綜合研究，現(xiàn)場實施效果良好，主要結(jié)論如下:

(1)蓋挖法與明挖法各有適用范圍，現(xiàn)場選擇淺埋段工法時應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性等要求，特別是雨季施工或地表水較豐富時，應(yīng)優(yōu)先考慮蓋挖法。

(2)洞外引流、隔水措施以及洞內(nèi)防排水措施是重中之重，特別是洞內(nèi)施工，應(yīng)注意接縫等易滲漏處的防水施工，以保證隧道后期運營安全。

(3)地表注漿的主要作用是加固地層、降低地層滲透性。注漿施工時，應(yīng)根據(jù)開挖范圍和地層巖性合理設(shè)置注漿加固范圍和深度；大范圍注漿前應(yīng)進行試驗，保證注漿體擴散范圍、強度和抗?jié)B性。

(4)從地表變形監(jiān)測分析來看，沖溝上游土體沉降普遍大于沖溝下游，且護拱兩端的坡體地表沉降較中心段更大，施工過程中應(yīng)注意采取相應(yīng)措施進行防范。