劉萬生

(中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

國內(nèi)外工程技術人員在砂層隧道施工方法和變形破壞機理方面做了大量細致的研究，運用物理模型、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等手段，對隧道開挖時的變形破壞規(guī)律進行分析研究，對其變形破壞機理取得了一定的認識[1]。以往的砂層隧道工程施工，主要采取加密超前導管預注漿和掌子面錨噴支護封閉手段，但在實際施工過程中，易出現(xiàn)注漿量小、注漿壓力上升快難于控制，注入漿液水分軟化降低砂層穩(wěn)定性等問題[2]。對于圍巖變形的控制實際上是對圍巖松弛的控制，只要確保圍巖整體結構穩(wěn)定、不松弛就能夠有效避免圍巖變形，通過開挖以及支護可有效確保圍巖結構的穩(wěn)定，避免圍巖變形[3]。任鵬[4]提出抑制圍巖變形的主要方法是加強初期支護，進而提高初期支護對圍巖變形的抵抗力，即通過“強支硬頂”保持初期支護具有足夠的強度。因此根據(jù)以往砂層隧道施工技術的研究，針對關角隧道風積淺埋砂層結構松散、無黏聚力等特點，采取了管棚工作室超前管棚＋超前導管支護、四臺階＋擴大拱腳開挖方法、篩子網(wǎng)雙層支護體系等安全技術措施，有效解決了砂層滑塌、涌砂及支護變形等對施工的影響，同時為類似工程建設積累了經(jīng)驗。

2 工程概況及難點分析

2.1 工程概況

新建關角隧道屬于青藏鐵路西寧至格爾木增建第二線標志性、控制性工程，全長32.645 km，隧道進口存在1.1 km淺埋風積砂層段，覆蓋層厚度2～23 m，主要是以第四系細砂為主的砂土層，貧水，地質(zhì)條件差，砂土膠結性差，強度低，且隧道受一定偏壓影響，開挖后洞室自穩(wěn)能力差，有變形迅速、變形量大、收斂時間長的特點[5]。

2.2 難點分析

根據(jù)工程實踐和實驗室試驗分析，淺埋風積砂層主要有以下工程性質(zhì)[6]:

(1)細砂粒徑分布均勻，且粒徑范圍很小，結構松散，在外界荷載作用下易變形，在破壞滑移時往往是瞬間的、突然的。

(2)細砂體主要靠顆粒間法向壓力形成粒間摩擦力維持本身穩(wěn)定和承載能力，在剪力作用下土體極易失穩(wěn)。

貧水區(qū)淺埋風積砂層的物理力學性質(zhì)較差，強度低、黏聚力小，砂土體松散，致使開挖后圍巖自穩(wěn)能力差，拱頂、拱腰以及掌子面變形大，易誘發(fā)圍巖坍塌甚至冒頂?shù)仁鹿?，施工過程中有效地控制變形，避免出現(xiàn)滑塌、塌方、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災害難度較大。

軟弱圍巖隧道施工的核心是“控制變形、防止塌方”，因此應采取人工配合機械開挖方式，降低對開挖面砂層的擾動，并采取小臺階法控制砂層的穩(wěn)定，及時加強支護控制初支變形及盡早封閉成環(huán)形成整體支護結構體系，確保施工安全。

關角隧道科研人員針對砂層結構特征進行研究分析，輔以力學模型模擬試驗，并在現(xiàn)場反復試驗驗證。在施工中通過明確技術控制要點，關注超前支護加固措施的有效性、及時性。加強過程管控，優(yōu)化管棚及小導管布設方式，提高架設精度，嚴格控制注漿范圍、壓力等參數(shù)，以保證隧道超前支護加固效果[7-8]。通過總結最終形成管棚工作室超前管棚＋超前導管支護、四臺階＋擴大拱腳開挖法、篩子網(wǎng)雙層支護體系及仰拱、襯砌緊跟為核心的國家級工法技術[9]，保證了淺埋風積砂層段順利施工。

3 超前支護技術

3.1 管棚工作室

為調(diào)整管棚施工仰角過大問題，優(yōu)化管棚施工工藝，即每循環(huán)管棚長度30 m，搭接5 m施作管棚工作室。管棚工作室比正常斷面挑高60 cm，使管棚角度達到0°，避免管棚角度過大造成管棚與支護間夾層過大導致砂體滑落，見圖1～圖2。

管棚工作室支護參數(shù):管棚工作室采取雙層支護體系，即開挖后及時掛設篩子網(wǎng)、噴射8 cm厚混凝土，避免砂體長時間暴露出現(xiàn)滑塌；第二層支護采用2榀/m的 16型鋼鋼架，掛網(wǎng)后噴射25 cm厚混凝土，且在施工過程中每臺階底部增設 16臨時橫撐以便施工中進行倒用。拱部及邊墻采取超前小導管超前支護措施，長度3.5 m，搭接長度不小于1 m，環(huán)向間距20 cm，并預注漿加固砂體。

圖1 管棚洞室示意

3.2 超前管棚＋超前導管超前支護

隧道拱部120°范圍內(nèi)施作?89超前管棚，管棚長25 m，外插角0°，環(huán)向間距40 cm。開挖過程中，在管棚間加設超前導管，導管長3.5 m，外插角5°～10°，并預注水泥漿加固地層，主要起到加固管棚間砂體，提高超前支護結構的整體受力能力，避免開挖過程中砂體自管棚間滑落、涌漏。管棚間加設超前導管現(xiàn)場見圖3。

圖2 管棚工作室

圖3 管棚間加設超前導管

4 開挖掘進施工技術

4.1 開挖方法確定

通過數(shù)值模擬及試驗方法對砂層隧道四種方案的圍巖變形和支護結構受力情況進行分析。方案一為三臺階臨時仰拱法；方案二為四臺階＋擴大拱腳與臨時仰拱法；方案三為四臺階＋擴大拱腳與臨時橫撐法。各臺階長度相同，不同點為方案二采用10 cm厚的C10噴射混凝土臨時仰拱，而方案三為 16型鋼橫撐臨時仰拱。方案四為三臺階＋留核心土＋臨時橫撐，其中上臺階長5 m，核心土長3 m，中臺階、下臺階長均為3 m，仰拱滯后上臺階15 m，臺階處設 16型鋼橫撐。張海勇[10]指出臺階法有利于開挖面的穩(wěn)定性，當圍巖變形較大或突然變化時，可及時調(diào)整關閉時間，確保安全，滿足凈空要求。通過模擬分析，不同方案圍巖變形與支護結構受力情況，見表1及圖4、圖5。

表1 四種方案圍巖變形和支護結構受力

從支護結構受力方面看，各方案對應的支護結構所受到的最大拉、壓應力均較小；在圍巖變形控制方面，與方案一和方案二相比，方案三、方案四圍巖拱頂下沉、水平收斂值均明顯減小，表明后兩種方案較好地控制了圍巖周邊變形；從掌子面擠出變形看，四臺階(方案二、方案三)與預留核心土施工(方案四)時上臺階掌子面擠出變形均小于三臺階施工時(方案一)掌子面擠出變形。綜合上述結論，方案三、方案四相比方案一與方案二能較好地控制隧道周邊的收斂變形、掌子面擠出變形，支護結構受力明顯得到改善。但考慮到預留核心土法(方案四)相對于不留核心土(方案三)的臺階法施工，其難度較大，且受隧道斷面操作空間影響不便于施工機械操作，施工速度慢，最終確定采用四臺階＋擴大拱腳與臨時橫撐方案施工(方案三)。

圖4 各方案對應支護結構受力

圖5 各方案對應沉降及收斂值

4.2 四臺階九步＋擴大拱腳開挖技術

于介[11]等指出各工法下支護結構隨隧道開挖壓應力數(shù)值逐漸增大，在開挖完成后達到最大值。四臺階九步開挖法是將隧道自上至下分成四個開挖臺階，每臺階左右側交錯施工，每級臺階開挖支護后挖除預留核心土，仰拱開挖作為一步臺階跟進施工的施工方法。其中上臺階長度不超過4 m，采取人工環(huán)形開挖方式，中間預留核心土；中部臺階分成二臺階以降低開挖高度[12]，減小砂體臨空面，降低滑塌頻率，長度均不超過3 m，且每臺階均預留核心土；下臺階長度不超過3 m；仰拱開挖支護緊跟下臺階，不超過6 m，具體見圖6。

圖6 四臺階九步開挖施工

擴大拱腳即為每步臺階底腳根據(jù)弧形斷面向外放大30 cm，使上下臺階交接部位開挖斷面能夠平順順接，保證開挖砂體穩(wěn)定。超挖部分掛設網(wǎng)片噴射混凝土進行回填，增加支護結構整體受力剛度。上一臺階施作的大拱腳在下一臺階開挖時將起到支撐拱部結構的重要作用[13]。擴大拱腳見圖7。

圖7 超前管棚及擴大拱腳

4.3 雙層支護體系

每步臺階開挖后及時采用篩子網(wǎng)支護，即在開挖面打設鋼筋、掛設篩子網(wǎng)(網(wǎng)格為5 cm×5 cm)，噴射8 cm厚混凝土，達到開挖砂體及時封閉的目的，避免因開挖砂體長時間暴露出現(xiàn)剝落滑塌現(xiàn)象。

第一層支護完成后，及時清理開挖砂體，并及時施作第二層初期支護。第二層全斷面設2榀/m的 16型鋼鋼架，拱墻設?8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，全斷面噴厚25 cm的C25混凝土，每臺階底部設置 16型鋼橫向支撐，橫向支撐間距根據(jù)初期支護鋼架間距逐榀設置，施工中進行倒用。

4.4 仰拱、襯砌施工措施

仰拱采取全斷面逐榀開挖，開挖后及時施作16型鋼仰拱鋼架，并及時噴射25 cm厚混凝土封閉，使整個隧道斷面支護形成閉環(huán)受力體系，保證施工安全。仰拱初期支護達到6 m后開始施作仰拱鋼筋及混凝土，仰拱初期支護封閉距離掌子面距離不得超過16 m。襯砌采用12 m整體式襯砌臺車施作，距離掌子面不得大于35 m，及時形成二次襯砌受力體系，盡早變?yōu)殡p層受力體系整體結構，避免砂層對初期支護體系的破壞控制變形(見圖8)。

圖8 仰拱與襯砌及時跟進

5 效果分析

關角隧道砂層段設置管棚工作室，施工25 m長超前水平管棚，全斷面設置?42超前小導管，并預注漿加固地層，形成的超前支護體系較好地控制了掌子面變形；采用四臺階九步＋擴大拱腳開挖方法，施工中按照順序逐級開挖支護施工，同臺階左右側交錯施工，較好地控制了開挖砂體的穩(wěn)定，避免了砂體滑塌、涌砂現(xiàn)象；開挖后及時采用篩子網(wǎng)支護及雙層支護體系，防止貧水區(qū)風積砂的滑溜，導致出現(xiàn)大范圍的滑塌；采取擴大拱腳與臨時橫撐措施控制邊墻變形，并將仰拱作為開挖臺階及時跟進下臺階施作，襯砌距掌子面不超過35 m，盡早形成雙層受力體系，有效控制了砂體對初期支護造成破壞從而產(chǎn)生變形。上述措施形成了超前支護體系、初期支護體系及二次襯砌體系，從預加固到整體受力保證了砂層段施工安全、有序進行，為長距離淺埋砂層隧道施工積累了寶貴的工程經(jīng)驗。

6 結論與建議

通過對關角隧道淺埋風積砂層隧道施工技術研究，總結形成了管棚洞室、超前管棚加導管超前支護體系，增加篩子網(wǎng)支護的雙層支護體系及仰拱、襯砌緊跟的二次襯砌體系，控制拱頂圍巖下沉，水平收斂及掌子面擠出變形明顯減小，洞室穩(wěn)定性增強(隧道圍巖最大拱頂下沉量減少12 mm和最大水平收斂量減少16 mm，上臺階掌子面擠出位移減少2.5 mm)，支護結構受力減小，支護結構更趨安全。針對今后砂層隧道施工，超前支護可根據(jù)實際情況采用水泥灌注樁以增加超前支護受力；初期支護采用剛度較大的型鋼以增加支護體系剛度；優(yōu)化濕噴工藝為潮噴工藝以減小對砂體的軟化程度，最大限度加強砂體的穩(wěn)定性，以達到控制砂體變形的目的。