软弱腐殖土隧道开挖施工技术

吕伟

【摘 要】本文通过青荣城际蓁山隧道腐殖土段洞身开挖的理论分析和施工实践，从地表注浆加固、长管棚超前支护、预留核心土、临时仰拱等几个施工关键技术，进行了数值分析和阐述，对控制隧道围岩变形、保证隧道安全施工、降低工程造价都具有重要的理论指导和工程实践意义。

【关键词】软弱腐殖土；隧道；开挖；施工技术

1 工程概况

由中铁二十局集团第四工程有限公司承建的青荣城际铁路蓁山隧道，位于烟台市芝罘区境内，全长5505m，大部分地段为浅埋段暗挖，出口青烟DK210+513-青烟DK210+440段位于市区内，多处下穿城市道路及建筑物，地质差，属于旧水库回填区，埋深8-16m，中台阶以上为软弱腐殖土，主要为素填土、杂填土以及淤泥质粉质黏土，杂填土主要为建筑垃圾、生活垃圾及工业垃圾土；水塘底的淤泥质粉质黏土为软塑～流塑，强度低。自稳能力极差，围岩变形控制非常困难，开挖后极易产生坍方，严重时发生涌泥、涌水及坍塌等现象，给工程施工安全带来极大的危害 。

2 施工关键技术

2.1 腐殖土地层联合加固技术

2.1.1 地表注浆

首先根据软弱腐殖土的特性通过注浆设计计算出注浆施工参数。在隧道开挖轮廓线外2m内，使用KR909-1液压多功能钻机在地表打设Φ89×6mm无缝钢管，按1m×1m矩形布置，注浆作业。注浆施工时先施工隧道两侧两排，两侧注水泥水玻璃双液浆，后用超细水泥-水玻璃双液浆补注，以堵截两侧水路，封闭中间段落。将水泥-水玻璃双液浆注入一定范围内需加固的软弱腐殖土中，使浆液与周围的腐殖土产生凝结，从而达到改变土体工程性质增加土体强度的目的，具体见图1地表注浆施工布置图 。

2.1.2 打设超前管棚

根据结构计算与现场实践，合理确定大管棚支护参数。采用导向跟管钻进技术在隧道拱部144°范围内采用一环长20m，直径Φ108mm，壁厚t=6mm的超前大管棚支护，管棚环向间距30cm，注水泥浆，见图2管棚横断面布置。每完成一根钢管，即开始注浆施工，注浆采用水泥浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥采用PO.42.5水泥。由孔口注入水灰比为1：1的水泥浆，泵压不宜过大，一般注浆压力控制在0.8～1.5MPa，以充满钢管内外空隙为度，停止注浆15～30分钟后进行二次补浆，确保管内外填充质量，二次补浆可采用超细水泥作为注浆材料。注浆结束标准：终压下注浆量小于0.1L/min，持压10min即可。

现场实践过程中上台阶开挖超过15m时，长管棚离开挖轮廓较远，其作用已不明显，此时洞顶会有小型坍塌。根据设计、理论计算诸结果结合现场确定软弱腐殖土地层长管棚最佳长度为20m，每环搭接长度5m。大管棚施工技术在软弱腐殖土地层中可有效的提高土层物理参数，增大地层自稳能力，从而起到控制地层变形、避免塌方现象出现。

2.2 三台阶开挖技术

根据大量理论分析进行方案比选以及现场实践表明软弱腐殖土围岩中采用三台阶临时仰拱法并在掌子面预留核心土支撑掌子面可有效的控制围岩变形，隧道开挖后在掌子面预留核心土可有效的控制掌子面位移及掌子面前方的地表沉降。根据监控量测反馈结果显示在此类围岩在掌子面开挖后3-10d变形速度最快变形量最大，此时在其他主动防护措施在外临时仰拱作为一种有效补充控制围岩周边收敛及地表变形作用明显。

2.2.1 预留核心土

实践证明，在隧道施工中，留核心土法是增强掌子面稳定的一种有效的辅助施工方法。

预留核心土尺寸：

核心土尺寸具有最佳值，且合理留设核心土可以取得较好的工程效果。核心土尺寸主要包括核心土长度和核心土高度，建模分析如下：

1）工作面核心土长度

利用三维有限元方法对对其进行分析，所建立的有限元模型如图3有限元计算模型所示。

计算考虑了以下几种工况参数：埋深变化为1D、1.5D和2.0D；台阶留设长度变化为0（全断面开挖）、0.5D和1.0D，分别考虑有无核心土情况。

（1）对工作面应力分布的影响

对隧道埋深为2D，有无核心土时，沿工作面纵轴方向中心线处不同台阶长度的工作面大、小主应力分布如图4。由图知，工作面土体最有可能因松弛而发生破坏的是全断面条件，因此时主应力差值为最小且最小主应力几乎为零，工作面土体处于平面应力状态。这一情况，随着台阶法开挖而有所改善，但并没有改变最小主应力的大小。但当留设核心土时，从图中很明显看出，工作面大、小主应力的分布得到显著改善，且最小主应力较大。这使得工作面的土体易于维持三向应力状态，从而保证了工作面正面土体的稳定。

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（2）对工作面土体位移的影响

有无核心土的比较与分析

不同埋深及台阶长度下，工作面有无核心土时，沿隧道推进方向的工作面水平位移的变化特征见图5（a、b、c）。当埋深为1.5D时，不同核心土（台阶）长度条件下，沿隧道推进方向的工作面水平位移变化见图5。

（a）工作面水平位移变化特征

（b）工作面水平位移变化特征

（c）工作面水平位移变化特征

由图可得以下认识：

在相同的台阶长度条件下，工作面留设核心土能明显抑止向隧道内空运动的水平位移。

随隧道埋深增加，向隧道内空的水平位移逐渐增大。

随核心土留设长度的增加，其水平位移量减少。但由图6也可以看出，核心土增大一倍后的抑止水平位移效果并不是非常显著。埋深为1D和2D时，也反映与此相同的规律。这意味着核心土（台阶）长度存在着最佳值。

（3）核心土对工作面前方水平位移的影响

在隧道埋深为1.5D，台阶（核心土）长度为1D时，沿工作面自由表面高度范围内，工作面前方不同点的水平位移分布特征见图7。不同埋深、核心土条件下，工作面前方各点沿隧道推进方向的水平位移变化趋势见图8（a、b、c）。

由图表明如下规律：

沿隧道开挖方向，水平位移在临空面处表现为最大。总体呈现的特征为中间大、拱部和近核心土面处小。

核心土的设置尽管能抑止水平位移，但其作用范围有限。在超前工作面1m左右处其作用最大，然后随超前距离的增加，其抑止作用弱化。当工作面超前距离大于3m时，核心土抑止水平位移的相对值趋于零。这从另一方面了说明了在地层条件差时，拟单纯依靠核心土的作用并不能控制水平位移。

在一定的地层条件下，工作面前方范围存在着松弛区（水平位移方向朝向隧道内空运动）和压密区（水平位移背离隧道内空方向）。这一表现特征与实测结果相一致。

随埋深增大，水平位移增大；而随核心土长度增加，水平位移趋于减少，但降低的幅度有限。

工作面不留设核心土时，其工作面前方1D以外地层仍在运移，而留设核心土以后，可大幅度降低此范围。对不同埋深条件下，若核心土长度为0.5D时，则约在工作面前方2m处的水平位移渐趋于零；而当核心土长度增加至1D时，工作面前方约1.5m处的水平位移表现为背离隧道内空方向，土体显示出挤压趋势。由此也说明了浅埋暗挖隧道核心土留设的必要性。

由图可得出以下几点基本认识：

工作面留设核心土对控制地层下沉有一定的作用，但效果不如抑止水平位移明显。

随核心土长度的增加，地层下沉虽有所减少，但由图表明，核心土留设长度过大时，地层下沉却表现为增加趋势。这一点与核心土抑止水平位移的效果却相反，说明核心土长度存在合理值。

随埋深增大，地层下沉也呈递增趋势。

地层下沉的超前影响范围大。这一特征表现是随埋深增加而增加。

综合以上分析，对工作面留设核心土可得出以下几点初步结论：

合理的核心土长度，能同时抑止地层的水平位移和地层的垂直位移，但其控制地层水平位移的效果优于下沉。

工作面处及工作面前方地层的运移是以水平位移为主，因此工作面正面预支护主要是抑止向隧道内空的水平位移。尽管其对地层下沉也有一定的作用，但作用甚微。

增大核心土长度能显著控制水平位移，但超过一定值后却会导致地层下沉增加。这清楚地表明：核心土（台阶）长度存在着最佳长度。分析认为，对台阶（核心土）长度的建议值为：最小值不宜小于0.5D，而最大值不宜大于1D。

工作面留设核心土不仅能有效降低松弛区的范围，而且能在工作面前方产生压密区。

2）工作面核心土高度

工作面核心土的高度是核心土留设的另一重要参数，图10说明了不同工况条件下，核心土留设高度与工作面临界高度的关系。

工作面留设一定高度的核心土，能有效控制工作面的开挖稳定性。

核心土留设高度愈大，计算临界高度值愈大，工作面愈稳定。

尽管增大核心土高度利于控制工作面稳定，但毕竟存在一个施工上的极限高度。

无核心土的工作面自由表面处，如前所述，水平位移依然产生，若地层条件差，则必然造成工作面土体剥落坍塌。因此这意味着为控制工作面自由表面处的稳定，工作面正面预支护的存在有其必要性。

根据以上原理计算并结合围岩量测情况，确定在此地层中开挖核心土预留长度为6-8m，高度为4m。

增大核心土长度能显著控制水平位移，但超过一定值后却会导致地层下沉增加。这清楚地表明：核心土（台阶）长度存在着最佳长度。分析认为，对台阶（核心土）长度的建议值为：最小值不宜小于0.5D，而最大值不宜大于1D。经过不同长度及高度核心土对对围岩影响效果对比，，确定在此地层中开挖核心土预留长度为6-8m，高度为4m。

2.2.2 临时仰拱法

临时仰拱作为地质条件较差情况下隧道施工方法的一种辅助措施，施工工艺简单实用，经济效益显著，在隧道辅助措施中得到了广泛应用。在可能发生大变形的浅埋地段，以注浆加固为主进行主动加固，临时仰拱作为必要补充。

临时仰拱采用I18工字钢，纵向间距1m，并喷射混凝土，必要时应加大支护拱脚及临时竖撑。

3 结论

实践表明蓁山隧道腐殖土段开挖施工中采用优化的三台阶临时仰拱法并在掌子面预留核心土支撑掌子面可有效的控制围岩变形，根据监控量测反馈结果显示在此类围岩在掌子面开挖后3-10d变形速度最快变形量最大，此时在其他主动防护措施在外临时仰拱作为一种有效补充控制围岩周边收敛及地表变形作用明显，该技术可以更加有效的控制隧道围岩变形、保证隧道安全快速施工、降低工程造价，社会效益和经济效益显著。

【参考文献】

[1]楼晓明，郑俊杰，张荣军.隧道施工引起的地表变形数值模拟[Z].

[责任编辑：杨玉洁]