天恒山大断面浅埋土质隧道“两台阶五步”施工技术

池春生

(中铁十三局集团公司第四工程有限公司,黑龙江哈尔滨150081)

0 引 言

随着我国公路建设事业的飞速发展,隧道工程在高速公路建设中所占的比例越来越大,在这些隧道工程中,有相当数量的浅埋土质隧道[1-2]。浅埋土质隧道的施工方法很不成熟,在当前的隧道设计、施工中,浅埋土质隧道往往被作为软弱围岩处理,这严重忽视了土质隧道的特性[3-5],导致浅埋土质隧道支护结构受力复杂,在施工或运行中普遍出现衬砌的开裂现象。因此,对浅埋土质隧道施工动态进行研究,分析隧道开挖引起的周边土体的变形特性,进而根据变形特性分析隧道的稳定性,指导隧道的施工是十分必要的。

随着新奥法(NATM)被广泛应用在隧道施工中,作为新奥法的灵魂,现场监控量测也越来越受到重视[6]。以现场所采集的数据分析为基础,对隧道施工的稳定性和支护参数进行调整,在整个隧道的新奥法施工过程中起到了极其重要的“眼睛”作用。在建天恒山隧道是我国在高寒地区设计建造的第一座大跨度浅埋土质隧道,其施工难度大、危险性高。论文以该隧道为工程背景,针对严寒地区大断面浅埋土质隧道的特点,在改进并革新“三台阶七步施工法”基础上提出了适用于浅埋土质隧道的“两台阶五步施工工法”,并详细介绍该施工工法在天恒山隧道的应用情况及其基于现场监测数据分析的隧道支护结构稳定性评价技术。

1 天恒山隧道工程概况

1.1 隧道工程概况

天恒山隧道位于哈尔滨市绕城高速公路道外区团结镇、民主乡境内,隧道设计为上下行分离式隧道,两线间最小净距38.5 m,上行线的起止里程K88+320～K89+980,全长1 660 m;下行线里程K88+325～K91+015,全长1 690 m。隧道按高速公路等级设计,建筑限界为净宽11.5 m,净高5 m。普通断面开挖量为129 m2,紧急停车带加宽断面开挖面积达163m2,属大断面隧道。隧道最大埋深30m,标准断面跨度14.28 m,高11.17 m;加宽段跨度16.83 m,高12.06 m。设计行车速度80 km/h。隧道净空断面为三心圆曲墙断面,隧道净面积A=76.782 m2,普通断面开挖量为126 m2。隧道上行隧道和下行隧道纵坡,均为双向人字坡,坡度均为1.775%和-0.900%。隧道设人行横道4处,车行横道1处,人行横道设置间距为250 m左右,车行横道设置间距800 m左右。

隧道上、下行线各设置紧急停车带1处,设置间距800 m左右。隧道明洞为现浇70 cm钢筋混凝土衬砌机构。隧道主体结构为以新奥法为核心的锚喷支护复合衬砌,初期支护以锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系,二次衬砌采用模注混凝土结构,初期支护与二次衬砌之间设防排水保温层。初期支护参数主要依据工程类比确定,各种围岩及断面条件下的支护参数不同,主要采用超前小导管注浆、工字钢拱架、Ф 25中空注浆锚杆、初喷 C20钢纤维混凝土及复喷C20素混凝土。二次衬砌采用C30泵送自防水混凝土结构。天恒山隧道标准段面的设计支护参数见表1。

表1 标准段面的设计支护参数

1.2 隧道工程地质和水文地质

天恒山隧道工作区位于松嫩中断陷带东南隆起区内,地层分区为松嫩平原分区,地层分布主要有白垩系(K)及第四系(Q),隧道处岩土主要为亚粘性土,局部见砂层,含水率在20%～24%之间。隧道穿越地层主要是第四系堆积层,土质以亚粘土、粘土、中砂、细砂为主。天恒山隧道施工区间围岩划分为Ⅴ、Ⅵ级,其中,隧道上行线Ⅴ类围岩段长942.88 m,占隧道全长的56.8%,隧道Ⅵ类围岩段长717.12 m占隧道全长的43.2%;隧道下行线Ⅴ类围岩段长966.68 m,占隧道全长的57.2%;隧道Ⅵ类围岩段长723.32 m,占隧道全长的42.8%。隧道最大埋深30 m,为全隧浅埋型隧道。

天恒山隧道范围内地下水为上层滞水,赋存于软可塑及软塑亚粘土层中,钻孔后出现渗水现象,渗水里程桩号为上行线K89+148～K89+600,下行线K89+152～K89+550,测得部分钻孔渗水量,计算出24小时平均值渗水量12.2 L/m2。

本区属大陆性季风气候,为北寒带气候条件。冬季长达五个月之久,春秋季节较短,年平均气温为5.7℃,极端最高气温 39.1℃,极端最低气温-41.4℃;最大冻深2.05 m,地面稳定冻结日期为11月下旬,稳定解冻日期为翌年4月中旬。本地区气候特点是冬季受极地大陆气团控制,严寒干燥;夏季受副热带海洋气团影响,气候炎热多雨;春秋两季因受冬、夏风的交替影响,气候多变,春季多大风,降水少蒸发快,易发生干旱;秋季多寒潮袭击,降温急剧,易发生冻害。

2 天恒山隧道两台阶五步施工法

隧道的开挖方法关系到施工的安全性和经济性,它是影响围岩稳定性的重要因素之一。在选择开挖方法时须充分考虑隧道断面的大小与形状、地层条件、支护条件、工期要求、机械配备能力、经济性等因素综合分析,选用能最大限度地利用围岩本身的承载能力、不使围岩出现有害松弛、开挖断面尽可能大的开挖方法。另外,选用的开挖方法应是能容易适应所预料到的地质变化、涌水等现象,不需中途大幅度改变的开挖方法。按隧道横断面分布情况来分,开挖方法可为全断面开挖、台阶开挖和分部施工法。天恒山隧道在开挖初期采用了“三台阶七步施工法”(在同一断面分上、中、下三次开挖,为之三台阶;上台阶第一步先进行环形开挖,进行上拱支护;其后第二步进行核心土开挖;中台阶分左右开挖,谓之第三步和第四步;下台阶分左右错开施工,谓之第五步和第六步;第七步进行仰拱一次开挖)。

现场实践表明,采用“三台阶七步”施工法能迅速及时地建造拱部初期支护,开挖面稳定性较好,核心土和下部开挖是在拱部初期支护保护下进行的,施工安全性好,多作业面平行作业,工效较高,单口月成洞45m～50 m。由于“三台阶七步”施工法将隧道断面仰拱以上分为三个台阶(包括仰拱在内时为四台阶),各台阶在纵向上间隔一定距离,以保证包括仰拱在内的四台阶能平行作业。因此,“三台阶七步”施工中,由于台阶分步多,单台阶作业尺寸受限,不利于大型机械作业,施工功效受限;同时,多次开挖对土体扰动次数增加,且受限于“三台阶”纵向上平行作业的要求,仰拱封闭距离长。以上原因造成“三台阶七步”施工中隧道拱顶沉降量较大,当前方出现险情时,不利于及时封闭成环。

为之,在试验段施工中,基于严寒地区浅埋土质隧道特点,借鉴“三台阶七步”施工法,提出了“两台阶五步”施工法,其施工图见图1～图2所示,其施工工法核心如下:

(1)上台阶开挖,预留核心土。开挖①部时采用人工风镐配合挖掘机开挖,开挖时每次进尺0.75 m。同时,拱脚处至少留深20 cm土用人工开挖,严禁拱脚超挖,拱脚采用方木垫实,防止因拱脚原状土被破坏或承载力不足而造成支护下沉。

图1 两台阶五步法施工工序控制图

图2 天恒山两台阶五步施工法照片

(2)上台阶支护。在开挖完成后立即架设间距为0.75 m的20 a号工字钢拱架,相邻两榀工字钢之间纵向采用φ 22连接钢筋在工字钢内外缘交错连接,环向间距80 cm,且在拱脚处打设锁脚锚管并与钢拱架焊接牢固。然后布设φ 8间距为20 cm×20 cm的钢筋网片,喷射25 cm厚C30早强混凝土对开挖面进行封闭。

(3)下台阶交错开挖支护。首先通过在上台阶的钢拱的拱脚打锁脚锚管,以防止拱架及围岩变形与下沉。拱架两侧以等间距各打2根锚管,锚管长度5 m,通过钢筋与型钢拱架焊接,以便整体受力。在上台阶初期支护稳定的条件下,开始左右交错开挖下台阶(错开距离为一榀钢拱架的间距)。

(4)仰拱开挖及支护。仰拱开挖采用全幅施工,上面铺设仰拱栈桥,开挖长度控制在每次3榀拱架,仰拱开挖后,立即初喷4 cm～6 cm喷射混凝土封闭围岩。然后安装仰拱拱架并浇筑混凝土达到设计厚度,使初期支护成环。

3 “两台阶五步”施工隧道结构稳定性评价

3.1 现场监测

隧道监控量测,是为了获取围岩变化信息,是施工管理的有效手段。量测信息能预报破坏和变形等未来的动态,为设计变更和各项要求提供重要参数。隧道工程施工比较强调围岩变形,因为岩体变形是应力性态变化的最直观反映,是隧道开挖时围岩动态、围岩条件、支护效果的综合体现[7]。隧道的拱顶下沉和收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目,拱顶下沉值和收敛值为两次量测的距离之差,是最基本的量测数据,是判断围岩动态最主要的量测项目。天恒山隧道“两台阶五步施工法”施工中,位移监测项目见表2所示。测点距开挖面不宜大于2 m,在每次初次支护完成后24 h以内,在下一开挖循环开始前,初次记录读数,以3次平均值作为初始读数。利用工作基点使用水准测量方法观测,观测精度为1 mm。工作基准点设在洞口,保证基点稳定可靠。表3给出了典型断面收敛监测结果统计表。由表3可见,当采用“两台阶五步”施工法进行施工,不同断面最大收敛位移均小于25 mm,其最终变形速率均小于0.02 mm/d,表明隧道结构是稳定的。

表2 隧道现场监控量测项目及方法

表3 典型断面围岩净空收敛监测结果

3.2 隧道结构稳定性评价

监控量测信息反馈的方法一般是通过经验或理论计算的方法制定监控量测的基准值,在施工中同实际量测结果进行比较,对设计进行修正,确保支护的合理性。在天恒山隧道施工期,初次支护稳定性的判断可根据施工期跟踪掌子面进行的位移监测图判定,根据《隧道施工设计规范》9.3.5条规定周边位移率小于0.1 mm/d～0.2 mm/d或拱顶下沉速率小于0.07mm/d～0.15 mm/d时,判定支护结构的稳定性。

天恒山隧道典型断面XK89+605洞内净空收敛监测观测结果见图3所示,该断面拱顶下沉监测从埋设测点到铺设防水板、进行二衬浇筑准备工作,共历时27 d。按不同拟合曲线结果,拟合效果最好的是双曲线,以该曲线作为XK89+605拱顶下沉过程的函数表达。根据此函数可得到以下结论:

(1)t=∞时,u=8.70,即最终位移值为8.70。开始浇筑二衬混凝土时间为开挖30d后,将t=30d带入方程,得到位移值为 7.04,占最终位移的81.1%。

(2)拟合曲线的微分表示位移速率,在t=30 d时,得位移速率为0.044 mm/d。

图3 天恒山隧道XK89+605断面沉降量预测

根据《隧道施工设计规范》9.3.5规定,当隧道已产生位移达到总位移的80%～90%,隧道周边收敛小于0.1 mm/d～0.2 mm/d,或隧道拱顶沉降速率小于0.07 mm/d～0.15 mm/d,应当施作二衬,此时隧道初期支护变形已经稳定,因此,天恒山隧道重点监测洞段按既定方案施工是合理、可行的。

4 结 论

天恒山隧道是我国第一座严寒地区在建的浅埋大跨度土质隧道,国内外尚缺乏成熟的可供借鉴的该类隧道建设经验;设计和施工中该类隧道周边土体均被作为软弱岩体考虑,这严重忽视了土质隧道的本质特性,导致施工和运营中土质隧道事故频发。笔者针对该类隧道特点,在深入调研和借鉴国内外先进经验基础上,针对严寒地区大断面浅埋土质隧道的特点,在改进并革新“三台阶七步施工法”基础上提出了适用于浅埋土质隧道的“两台阶五步”施工工法,安全、经济、快速地穿越了天恒山软可塑状态的亚粘土地层,实现了严寒地区浅埋大跨度土质公路隧道的快速施工。天恒山土质隧道的施工实践为同类隧道的施工提供了可供参考的技术资料,丰富了土质隧道的施工方法。

[1] 孙辉.黄土连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[D].重庆:重庆大学,2005:15-20.

[2] 沈卫平.浅埋黄土隧道施工方法及支护受力研究[J].岩土工程界,2000,3(4):29-32.

[3] 池春生,宋战平.严寒地区大断面浅埋大断面土质隧道施工方法探讨[J].水利与建筑工程学报,2008,6(3):74-77.

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[5] 徐维垣.土质隧道新奥法设计施工[J].铁道标准设计,1997,(4):20-22.

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