浅论湿陷性黄土隧道的施工方法

于 波

1 湿陷性黄土

黄土分类及其对隧道施工的影响:

黄土是在干燥气候条件下形成的一种具有褐黄、灰黄或黄褐等颜色,并有针状大孔、垂直节理发育的特殊性土。

黄土按其形成的年代可分为,形成于下更新世Q1的午城黄土和中更新世Q2的离石黄土,称为老黄土。普遍覆盖在上述黄土上部及河谷阶地地带上更新世Q3的马兰黄土及全新世Q′4下部的次生黄土,称之为新黄土。此外,还有新近堆积黄土,为Q4的最新堆积物,多为近几十年至近几百年形成的。

根据其物理性质不同,按塑性指数(Ip)的大小可分为:黄土质粘砂土(1＜Ip≤7),黄土质砂黏土(7＜Ip≤17)及黄土质黏土(Ip＞17)。

黄土地层对隧道施工的影响主要有:1)黄土节理:在红棕色或深褐色的古土壤黄土层,常具有各方向的构造节理,有的原生节理呈X形,成对出现,并有一定延续性。在隧道开挖时,土体容易顺着节理张松或剪断。如果这种地层位于坑道顶部,则极易产生“塌顶”;如果位于侧壁,则普遍出现侧壁掉土,若施工时处理不当,常会引起较大的坍塌。2)黄土冲沟地段:当隧道在黄土冲沟或塬边地段施工时,隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向,在覆盖较薄或偏压很大的情况下,容易发生较大的坍塌或滑坡现象。3)黄土溶洞与陷穴:黄土溶洞与陷穴是黄土地区经常见到的不良地质现象,隧道若修建在其上方,则有基础下沉的危害;隧道若修建在其下方,常有发生冒顶的危险;隧道若修建在其邻侧,则有可能承受偏压。4)水对黄土隧道施工的影响:在含有地下水的黄土层中修建隧道,由于黄土在干燥时很坚固,承压力也较高,施工可顺利进行。当其受水浸湿后,呈不同程度的湿陷性,会突然发生下沉现象,使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力,如果支护措施满足不了变化后的情况,极容易造成坍塌。

众所周知,隧道洞口的施工安全是整体隧道施工安全中的重中之重,而湿陷性黄土往往都是处在隧道的洞口位置,一般隧道的洞口往往还伴随着浅埋偏压等情况,因此,根据实际情况选择一个实用的施工方法,对保证隧道的施工安全有着不可替代的作用。下面通过忻保高速公路L21标的沙塔隧道的右线来谈一下湿陷性黄土的施工方法。

2 沙塔隧道的施工方法

2.1 沙塔隧道简介

沙塔隧道是忻保高速第二十一合同段内的单位工程,隧道单线全长 1 027 m,其中左线440 m,右线 587 m,Ⅴ级浅埋段(湿陷性黄土段)长245 m。隧道内轮廓按三心圆设计,横断面单洞净宽10.86 m,洞内路面横坡2%。沙塔隧道洞口仰坡开挖高度约50 m,隧道的中心线处在黄土冲沟内,顶部埋深约0.5 m～3.0 m。

沙塔隧道为典型的高仰坡、浅埋、偏压隧道。由于洞顶埋深较浅,黄土冲沟地表水极易渗到隧道开挖断面内,含水率达到了20%,造成开挖时围岩失稳,极易造成塌方。

2.2 沙塔隧道原设计的开挖方法

沙塔隧道原设计的开挖方法为侧壁导坑法开挖,如图1所示。

众所周知,侧壁导坑法的主要目的就是通过减小开挖面积来控制变形和下沉。但是,这个方法在设计时忽略了以下几个方面:

1)侧壁导坑内的施工为上下导坑法,由于面积太小,无法预留核心土。湿陷性黄土由于含水量太大,自稳能力太差,隧道极易产生小塌方。2)侧壁导坑内的施工面积太小,无法用机械施工,而且出碴运输太慢,使钢支撑不能及时封闭,极易造成塌方和隧道拱顶下沉。3)由于分步太多,对隧道的围岩进行了多次扰动,湿陷性黄土含水量又大,围岩的特性本身就很难稳定,再加上多次扰动,围岩极易失稳,造成塌方和隧道的收敛与拱顶下沉数据加大。4)侧壁导坑法的施工步骤最后为封闭仰拱,由于封闭仰拱不及时,反而造成隧道下沉和变形。5)隧道下沉大,侧壁的钢拱架与另外一侧的钢拱架对接难度大。

在施工时,按照设计的侧壁导坑法施工,循环进尺0.75 m,刚刚施工约10 m,隧道的一次支护混凝土就出现了破坏性裂缝,隧道地表出现裂缝,隧道内的下沉和收敛的速度远远超出了规范要求。隧道已经处在失稳状态,无法进行开挖作业。当时采取了停止掘进,对周边围岩进行注浆加固和仰拱封闭,调整支护参数,调整开挖方法。

2.3 沙塔隧道调整后的开挖方法

2.3.1 调整支护参数

原设计一次支护支护参数为:Ⅰ20a的工字钢架,间距75 cm,φ22砂浆锚杆,间距75 cm×75 cm。调整后一次支护支护参数为:Ⅰ20a的工字钢架,间距60 cm,φ22砂浆锚杆,间距75 cm×60 cm。拱脚部位每边增加四根φ42锁脚锚管,长3.5 m。

2.3.2 调整开挖方法

经过讨论,最后决定采用环形导坑短台阶法施工。环形导坑短台阶法主要有如下优点:1)开挖分步少,减少了对围岩的多次扰动。2)开挖面积大,能采用机械施工,减少施工时间,钢拱架能及时封闭,减少围岩暴露时间。3)一次支护成环时间短,利于隧道的稳定。4)开挖面积大,但是由于预留有核心土,掌子面围岩的暴露面积反而小,利于围岩稳定。5)钢支撑连接没有薄弱处。

2.3.3 环形导坑短台阶法施工

环形导坑短台阶法施工示意图如图2所示。

2.3.4 施工工序说明

短台阶法侧向示意图如图3所示。

环形导坑短台阶法:首先施工拱部,拱部预留核心土,核心土与拱顶围岩的距离为1.9 m,人员刚好能在顶部站立,方便施工,两边与围岩的距离为2.0 m,除方便人员的施工外,还由于暴露面积小,不容易塌方,能保证人员的安全。拱部每一循环进尺为0.6 m;拱部开挖的土方由下导运输出洞,这样施工作业面积大,利于机械施工,减少循环时间,减少围岩暴露时间,减小围岩变形。

拱部每次施工一个循环的同时,边墙单边施工两个循环,这样拱部和边墙距离能保持同步,利于下一道工序的施工。

边墙开挖达到8 m后,开始开挖仰拱,仰拱开挖完8 m后,施作二次支护仰拱和填充,二次支护仰拱的快速封闭,对隧道的稳定起最重要的作用。

2.3.5 核心土安全说明

众所周知,湿陷性黄土要达到稳定,它的坡度必须达到1∶1。上导的开挖高度为6 m,如果核心土也刚好预留6 m,它的坡度就刚好达到1∶1,这样上导就不容易坍塌,对于隧道的安全施工有着决定性的作用。

2.3.6 环形导坑短台阶法施工后的量测结果

经过近一段时间的施工,从施工安全、施工进度、施工质量上,都达到了比较满意的结果。

3 结语

通过上一段时间的施工和量测结果可知,环形导坑短台阶法比较适合湿陷性黄土的施工。当然这是我从自己的实际施工中得到的结论,仅供大家参考。