張 琦,宋 佳,趙寶毓,隋雨佳

(黑龍江省龍建路橋第一工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150028)

高寒地區(qū)鐵路隧道排水多采用深埋中心水溝與雙側(cè)側(cè)溝組合的方式,極大程度上減少了凍害的發(fā)生,為隧道整體防排水質(zhì)量提供了有力的保證[1]。目前高寒地區(qū)單線隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少,深埋中心水溝施工經(jīng)驗(yàn)極少。深埋水溝施工工序多(含開(kāi)挖、支護(hù)、埋管、防水、澆筑混凝土或碎石填充等),而且單線鐵路隧道凈空限界小,施工作業(yè)狹小且中心深埋水溝開(kāi)挖較深,開(kāi)挖時(shí)對(duì)周圍圍巖的擾動(dòng)較大。此外,地區(qū)地質(zhì)特殊條件也會(huì)增加施工安全風(fēng)險(xiǎn),由于深埋中心水溝的開(kāi)挖較深、坡度陡,若土體強(qiáng)度不高,則極易發(fā)生開(kāi)裂甚至滑坡,影響隧道整體受力的平衡。不僅會(huì)威脅到施工人員的安全,還會(huì)影響工程質(zhì)量和進(jìn)度,已成為困擾隧道施工的重點(diǎn)問(wèn)題。膨脹土有吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì),深埋中心水溝開(kāi)挖后一旦發(fā)現(xiàn)基底、側(cè)壁滲水,則會(huì)產(chǎn)生因脹縮變形導(dǎo)致的基坑失穩(wěn),造成施工安全隱患。在這種復(fù)雜條件下,如果沒(méi)有合適的解決方案應(yīng)對(duì)膨脹土體影響下的深埋中心水溝施工,則極易造成施工安全事故,還有可能影響隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)的排水效果,對(duì)工期、造價(jià)等產(chǎn)生巨大影響。以北黑鐵路(龍鎮(zhèn)至黑河段)升級(jí)改造工程項(xiàng)目臥牛隧道深埋中心水溝的施工為例,采用試驗(yàn)與理論分析方法,綜合考慮施工條件、造價(jià)等因素,用預(yù)制構(gòu)件代替鋼架噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的傳統(tǒng)支護(hù)方法,以改良支護(hù)措施進(jìn)行施工,對(duì)已完成的相似工程施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了擴(kuò)充,并總結(jié)出相應(yīng)的施工方法和具體參數(shù)。

1 工程簡(jiǎn)介

北黑鐵路(龍鎮(zhèn)至黑河段)升級(jí)改造工程項(xiàng)目臥牛隧道全長(zhǎng)680 m,為全線重點(diǎn)控制性工程,圍巖等級(jí)為V級(jí)。隧道最大埋深為33 m,隧址區(qū)溫差較大,冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng),最冷月平均氣溫-23.2 ℃,極端最低氣溫為-44.5 ℃,最大凍結(jié)深度為2.98 m,因此需要設(shè)置深埋中心水溝防止?jié)B漏水凍結(jié)。深埋中心水溝洞內(nèi)680 m,洞外140 m,全長(zhǎng)820 m均為膨脹土區(qū)域。深埋中心水溝基坑總開(kāi)挖深度為3.71 m,基坑放坡坡度為1∶0.2,支護(hù)方式為初噴4 cm厚C25混凝土+組合型鋼鋼架支護(hù)+復(fù)噴C25混凝土,每榀鋼架由3個(gè)工18型鋼單元組成,縱向間距為0.6 m,每榀間以Φ8鋼筋網(wǎng)和縱向鋼筋進(jìn)行連接。支護(hù)完成后進(jìn)行上部混凝土基座、排水管及回填施工。

1.1 地質(zhì)概況

1.2 水文概況

在綜合分析鉆探揭示的各類巖體特征及節(jié)理發(fā)育程度的基礎(chǔ)上,對(duì)隧道洞身涌水量進(jìn)行了初步預(yù)測(cè)。為了初步估算出隧道涌水量,采用大氣降水入滲法。綜合各計(jì)算結(jié)果,結(jié)合隧址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件,確定臥牛隧道最大涌水量為520.82 m3/d,隧道正常涌水量為233.41 m3/d。

1.3 前期施工概況

臥牛隧道整體長(zhǎng)距離淺埋,地層工程性質(zhì)差,結(jié)構(gòu)松散,易坍塌掉塊。前期進(jìn)洞時(shí),掌子面開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)拱頂有滲水現(xiàn)象,在后續(xù)的深埋中心水溝開(kāi)挖時(shí),發(fā)現(xiàn)基坑底部、側(cè)壁有嚴(yán)重的滲水現(xiàn)象。由于隧道穿越膨脹性巖土層,滲水對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響極大,加之深埋中心水溝基坑深且窄的特點(diǎn),基坑基本無(wú)自穩(wěn)能力,開(kāi)挖后項(xiàng)目部及時(shí)在基底開(kāi)挖截水溝、集水坑,用水泵將滲出的水抽至隧道外,以防止基底軟化。在進(jìn)行基坑內(nèi)鋼架拼裝工作時(shí),基坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)若干處已噴射混凝土的滲水現(xiàn)象,并伴隨變形破壞。項(xiàng)目部立即撤出坑內(nèi)人員,初步分析為深埋中心水溝所在地層的砂質(zhì)泥巖遇水軟化變形,抗剪強(qiáng)度急劇降低,使土壓力增大,初噴混凝土的剛度太小,不足以抵抗土壓力產(chǎn)生的變形,故發(fā)生上述情況。

2 影響施工原因分析

2.1 地質(zhì)因素

隧道所在地層均為膨脹土,以砂質(zhì)泥巖為主,在其遇水或失水時(shí),土體體積和強(qiáng)度發(fā)生顯著變化,造成開(kāi)挖后基坑失穩(wěn),膨脹土有很高的承載力,但被水浸泡后體積逐漸膨脹,失水后體積又顯著縮小,性質(zhì)極不穩(wěn)定,導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)度變化大。膨脹土由于其水脹、軟化和脫水收縮、開(kāi)裂等特點(diǎn)一直是工程應(yīng)用的難點(diǎn)[2]。為研究膨脹土的性質(zhì),對(duì)深埋中心水溝基坑部位土體取樣并進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。試驗(yàn)操作步驟見(jiàn)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[3]。計(jì)算公式為

(1)

式中:δef為膨脹土的自由膨脹率,%;vw為土樣在水中膨脹穩(wěn)定后的體積,mL;v0為土樣原始體積,mL。

試驗(yàn)結(jié)果如下。

表1 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果分析,本工程土體自由膨脹率為49%,屬于弱膨脹土,試驗(yàn)同時(shí)表明在遇水2 h內(nèi),土體體積的變化速率最快。

項(xiàng)目部在臥牛隧道深埋中心水溝基坑開(kāi)挖時(shí),發(fā)現(xiàn)基坑壁、基底均有嚴(yán)重的滲水現(xiàn)象,基坑內(nèi)的臨時(shí)排水措施雖然可以保證基坑內(nèi)不積水,但仍然無(wú)法阻止基坑壁的原土體因滲水發(fā)生強(qiáng)度驟降而導(dǎo)致的基坑側(cè)壁失穩(wěn)。

2.2 施工工藝因素

2.2.1 開(kāi)挖因素

在基坑開(kāi)挖時(shí),由于基坑開(kāi)挖面以上的土體被挖除,致使土體的自重應(yīng)力不斷向外釋放,造成坑底土體在豎直方向上發(fā)生變形,當(dāng)豎向變形過(guò)大時(shí),會(huì)破壞基坑的穩(wěn)定性[4]。同時(shí),膨脹土地區(qū)隧道深埋中心水溝的基坑一般采用機(jī)械開(kāi)挖的方式一次成型,機(jī)械開(kāi)挖過(guò)程中,不可避免地會(huì)對(duì)基坑底部、側(cè)壁原巖土層產(chǎn)生擾動(dòng),一定程度上使原狀土的抗剪強(qiáng)度降低,誘發(fā)基坑坍塌事故,危及施工人員、機(jī)械及其他財(cái)產(chǎn)安全。

隧址區(qū)砂質(zhì)泥巖在天然狀態(tài)下強(qiáng)度較高,形成的邊坡穩(wěn)定性較好,對(duì)開(kāi)挖產(chǎn)生的擾動(dòng)敏感程度不高,但當(dāng)其遇水后強(qiáng)度急劇下降,極易產(chǎn)生失穩(wěn)。故在膨脹土地層施工深埋中心水溝時(shí),因開(kāi)挖產(chǎn)生的土體擾動(dòng)程度明顯低于土體遇水軟化崩解的影響程度。

2.2.2 支護(hù)因素

臥牛隧道深埋中心水溝基坑設(shè)計(jì)的支護(hù)方法為:在基坑開(kāi)挖后,采用4 cm厚C25噴射混凝土對(duì)坑壁進(jìn)行初噴,隨后架設(shè)型鋼骨架,再?gòu)?fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。型鋼鋼架由3個(gè)單元組成,各單元在洞外預(yù)制,洞內(nèi)組裝,由工18型鋼、連接鋼板焊接而成,各單元間以螺栓連接,型鋼鋼架與初噴混凝土間緊密接觸,空隙處用混凝土墊塊楔緊。型鋼鋼架間設(shè)縱向連接筋,采用Φ22的HRB400鋼筋,按環(huán)向間距1.2 m設(shè)置,每個(gè)鋼架單元設(shè)置3根Φ16定位鋼筋,左右均勻布置,每根長(zhǎng)1 m并與鋼架焊接。

設(shè)計(jì)采用的Vb級(jí)襯砌支護(hù)方式對(duì)臥牛隧道而言有一定的不適用性,一是單線鐵路隧道洞內(nèi)作業(yè)空間狹窄,流水作業(yè)種類多,型鋼在洞內(nèi)組裝極其困難。二是每榀鋼架的連接需要工人在基坑內(nèi)進(jìn)行作業(yè),作業(yè)時(shí)基坑的支護(hù)體系剛度很小,基坑邊坡易產(chǎn)生滑塌,人員存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。本工程深埋中心水溝基坑深,空間小,工人在基坑內(nèi)操作不便、滯留時(shí)間長(zhǎng),且基坑內(nèi)有滲水情況,地質(zhì)條件極差,對(duì)作業(yè)人員的人身安全產(chǎn)生了極大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。對(duì)于本工程深埋中心水溝的施工,減少基坑的敞開(kāi)時(shí)間是保證工程作業(yè)安全的決定性因素。

3 改良工藝設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)工藝分析

施工圖的傳統(tǒng)施工工藝,是在深埋中心水溝的基坑開(kāi)挖后人工鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片,再對(duì)基坑的底板部位和側(cè)壁部位進(jìn)行初噴混凝土施工,待噴射混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后在洞內(nèi)拼裝鋼架及連接鋼筋,上述工藝完畢后進(jìn)行復(fù)噴混凝土施工,至此完成深埋中心水溝的初期支護(hù)施工。

3.2 改良工藝設(shè)計(jì)

在有嚴(yán)重滲水的膨脹性巖土中開(kāi)挖較深的基坑,人員作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)是很大的。若按照傳統(tǒng)工藝進(jìn)行施工,流水周期時(shí)間、基坑敞開(kāi)時(shí)間均較長(zhǎng),安全風(fēng)險(xiǎn)較高。項(xiàng)目部對(duì)深埋中心水溝基坑傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行了改良,工藝改良的主要方向是:在隧道外按照原設(shè)計(jì)的鋼架單元預(yù)先安裝好,以每榀0.6 m的間距將3榀鋼架通過(guò)連接鋼筋與鋼筋網(wǎng)片連成整體,制作模板后并澆筑與噴射混凝土同強(qiáng)度的模筑混凝土形成預(yù)制支護(hù)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)節(jié),在基坑開(kāi)挖后,將預(yù)制好的標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)構(gòu)件節(jié)段直接吊放入基坑內(nèi)部,快速形成具有較大剛性的支護(hù)體系,隨后用水泥砂漿灌入到預(yù)制構(gòu)件與基坑側(cè)壁的縫隙中,完成后只需工人在各標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的預(yù)留鋼筋及鋼筋網(wǎng)處進(jìn)行焊接及復(fù)噴混凝土即可。此項(xiàng)優(yōu)化工藝可以減少作業(yè)人員在基坑內(nèi)部工作的時(shí)間,大幅降低傳統(tǒng)施工工藝由于支護(hù)前期剛度小而對(duì)基坑內(nèi)作業(yè)人員產(chǎn)生的危險(xiǎn),同時(shí)也可以節(jié)約人工、加快深埋中心水溝的施工進(jìn)度。

經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),將三榀鋼架連接起來(lái)組成預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為最佳方案(見(jiàn)圖1)。若采用2榀鋼架組成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(節(jié)段長(zhǎng)0.6 m),則節(jié)段間接頭過(guò)多,實(shí)際人工并沒(méi)有顯著的節(jié)約,且運(yùn)輸機(jī)械也沒(méi)有充分發(fā)揮能力,場(chǎng)內(nèi)倒運(yùn)次數(shù)多,并沒(méi)有取得預(yù)期效果。而4榀鋼架組成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(節(jié)段長(zhǎng)1.8 m),則節(jié)段重量太大,起吊運(yùn)輸困難,且起吊后混凝土容易開(kāi)裂破壞,同時(shí)由于棧橋的存在,下放到基坑內(nèi)也難以操作。因此選擇3榀鋼架組成模筑混凝土預(yù)制構(gòu)件為臥牛隧道深埋中心水溝施工的最佳選擇。

圖1 預(yù)制支護(hù)構(gòu)件

項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,最終預(yù)制構(gòu)件具體參數(shù)為:

預(yù)制構(gòu)件總長(zhǎng)200 cm,底寬76 cm,頂寬190 cm,高161 cm。預(yù)制構(gòu)件主骨架由3榀鋼架構(gòu)成,每榀間距60 cm,使用Φ8鋼筋網(wǎng)及Φ22鋼筋進(jìn)行縱向連接,鋼筋網(wǎng)及連接鋼筋兩側(cè)各預(yù)留40 cm以用于搭接,鋼架頂部預(yù)留吊環(huán),用于吊裝和運(yùn)輸。模筑混凝土使用與原設(shè)計(jì)噴射混凝土等強(qiáng)度的混凝土,澆筑前檢查配合比和強(qiáng)度是否符合要求,待模筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后方可拆模吊裝。將每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段運(yùn)輸?shù)街行乃疁虾?預(yù)制構(gòu)件之間使用搭接鋼筋網(wǎng)、縱向連接鋼筋及復(fù)噴的方式連接,按設(shè)計(jì)要求鋼筋網(wǎng)搭接20 cm,連接筋焊接長(zhǎng)度不小于22 cm,整體連接后復(fù)噴至設(shè)計(jì)要求厚度。

4 工藝優(yōu)化后的運(yùn)用

項(xiàng)目部采用優(yōu)化后的工藝進(jìn)行流水施工,取得了明顯成效。一是解決了基坑開(kāi)挖前期支護(hù)剛度小的問(wèn)題,作業(yè)人員在基坑內(nèi)作業(yè)時(shí)間明顯縮短,安全性有了大幅提高。二是節(jié)約了人員投入,采用預(yù)制支護(hù)構(gòu)件施工后,作業(yè)人員不再需要在坑內(nèi)進(jìn)行掛網(wǎng)初噴、鋼筋綁扎、焊接、栓接鋼架單元等工作,只需要在預(yù)制構(gòu)件吊裝之后進(jìn)行各標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段之間的焊接工作及復(fù)噴混凝土工作,大幅減少了各工序的施工周期。

臥牛隧道采用此工藝施工后,期間并未出現(xiàn)基坑邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象,未出現(xiàn)人員傷亡及機(jī)械損壞事件,在保障施工安全的前提下,比預(yù)計(jì)完工時(shí)間提前了16 d,節(jié)約人工成本約10萬(wàn)元,結(jié)果表明,在高寒地區(qū)膨脹土隧道的深窄基坑內(nèi)存在滲水的惡劣施工條件下,采用預(yù)制支護(hù)構(gòu)件代替洞內(nèi)施作鋼架、錨網(wǎng)噴的方式可行,合理有效。

5 結(jié) 論

(1)在高寒、膨脹土的復(fù)雜地質(zhì)情況進(jìn)行隧道中的開(kāi)挖前,施工單位需要先對(duì)地勘資料進(jìn)行仔細(xì)的閱讀和分析,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘、挖試坑,必須重視基坑滲水對(duì)施工安全產(chǎn)生的影響,切勿盲目施工,以規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)所采用的支護(hù)改良施工工藝,在洞外預(yù)制好支護(hù)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段,再將預(yù)制構(gòu)件用機(jī)械吊裝入坑,支護(hù)更加提前,施工更加方便,減少了人員在基坑內(nèi)的滯留時(shí)間,極大程度地降低了施工事故風(fēng)險(xiǎn),增加了安全性,同時(shí)減少了工程施工成本,并最大限度地節(jié)約工期。

(3)此改良工藝適用于膨脹土地區(qū)單線鐵路隧道深埋中心水溝施工,其他工程中的深、窄基坑及遇水易失穩(wěn)的基坑設(shè)計(jì)、施工也可借鑒。

(4)所述工藝對(duì)基坑開(kāi)挖尺寸的要求較高,預(yù)制的支護(hù)構(gòu)件與基坑側(cè)壁不可避免地會(huì)存在縫隙,可用水泥砂漿進(jìn)行填灌,實(shí)際施工中效果良好。