预留核心土法在隧洞进口浅埋软土段中的应用

郭 鹏， 黄 娟

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)



预留核心土法在隧洞进口浅埋软土段中的应用

郭 鹏， 黄 娟

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

阐述了预留核心土法在隧洞进口浅埋软土段中的应用，重点介绍了预留核心土法施工工艺，可供今后同类工程进行施工方法比选时参考借鉴。

预留核心土法； 浅埋软土段； 应用

1 工程概况

辽宁某工程施工支洞设计开挖断面为圆拱直墙型，支洞进口段20 m为锁口段，该段围岩类别为Ⅴ类，衬砌后成洞断面尺寸为5 m×5 m(宽×高)，进洞20 m后开挖断面为圆拱直墙型，初期支护后成洞断面尺寸为5 m×5 m(宽×高)。

该支洞进口洞脸开挖揭露的地层为粉质黏土，洞顶上覆1.7～4 m粉质黏土,坡脚处为耕地，坡面植被较发育，未见基岩出露。

2 施工方法的确定

该施工支洞原设计方案为按照Ⅴ类围岩短进尺、弱爆破、强支护全断面开挖。但在洞口明挖后揭露地层为粉质黏土，为加快进洞速度，减少土方洞挖工程量，降低工程投资，经业主、监理、设计单位现场讨论后，决定对该支洞洞轴线进行调整。洞轴线调整后仍为土方进洞，但总体施工难度得到有效降低。土方进洞可采用管棚或预留核心土法。经过技术、经济综合分析论证后决定采用预留核心土法施工。预留核心土法相对于管棚法施工具有以下优点：

(1) 操作简便：有利于初期支护及使用设备施工；

(2) 施工难度小：由于工序简单，各部位开挖及初支较容易控制，能采用机械作业，施工难度小；

(3)施工进度快：开挖采用人工配合挖掘机进行，使施工进度加快；

(4)工程造价低：由于取消了管棚施工，故节省了资金；

(5)施工安全性较好：上部开挖在超前支护的保护下进行，核心土及下部开挖在拱部初期支护的保护下进行，同时采用短进尺，且设备的利用使开挖进度加快，围岩暴露时间短，松弛变形能得到控制，预留核心土能稳定撑子面，防止坍塌；

(6)初支能尽早封闭：由于工序少，使工序间的距离减小，故能尽早使初期支护封闭成环，发挥支护效应，控制围岩及支护变形；

(7)容易转换工序：由于工序少，当围岩变化时，容易转换工序。

3 开挖及支护方案的制定

进口段超前支护方式：在洞口开挖轮廓线以外顶拱范围内，增加超前φ32，L=5 m超前小钢管进行支护锁口，超前小钢管与I12型钢支撑配合使用，其尾端与型钢支撑的环向钢筋焊接，以增强其共同支护作用，不许在钢支撑上钻孔。φ32超前小钢管布置参数为：距离隧洞设计开挖轮廓线15 cm，与洞轴线外插角为10°～15°，间排距300 mm，双排梅花形布置。

进口段上半洞开挖采用预留核心土法施工(图1)，该方法是将传统的上导洞改为弧形导洞，开挖过程中，先从顶拱弧形开挖，再进行侧墙弧形开挖，预留核心土，核心土面积不小于洞室断面积的50%，长度宜为1～2 m，将台阶高度控制在顶拱以下约3 m位置处，台阶长度控制在1～3 m以内，本着“短进尺，及时封闭”的原则，尽量减少对原状土体的施工扰动。为保证型钢支撑稳定，底部设置钢垫板及仰拱，仰拱采用I12型钢连接底角，然后浇筑C20混凝土，形成稳定整体。

4 具体的施工方法

图1 预留核心土法开挖顺序图

4.1 洞身上导洞开挖

(1)采用人工配合挖掘机进行开挖施工，挖掘机开挖时预留50 cm左右的保护层，人工开挖修边，特别是洞口段沉降较快时，挖掘机的开挖扰动及挖掘机机身的移动都会对洞口稳定造成破坏，此时，要全部采用人工开挖；

(2)拱顶开挖进尺保持不超过1榀钢拱架间距(52.5 cm)，将开挖高度控制在3 m左右；

(3)每开挖一个循环，立即速喷5 cm厚C25W8混凝土，封闭开挖面；

(4)安装I12工字钢钢拱架，钢拱架底脚垫厚5 cm松木板，松木板长度不小于钢拱架间距，以减少拱顶钢拱架沉降，形成稳定的连续拱，木板在下导洞开挖时去掉；

(5)以核心土为基础，设立3根临时钢架竖撑以支撑拱顶和拱腰，核心土应根据围岩量测结果适当滞后开挖；

(6)每两榀工字钢采用φ22纵向连接钢筋形成整体，环向间距为50 cm；

(7)每处拱脚处设置2根锁定锚杆，锁定锚杆采用φ22螺纹钢，锚杆长度为2 m，系统锚杆按照设计图纸施工，锚杆采用锤击或钻机顶进，所有锚杆末端与钢拱架焊接形成整体；

(8)钢拱架外缘铺设φ8 钢筋网，网格为150 mm×150 mm,钢筋网与锚杆焊接固定,钢筋网的搭接长度不应小于200 mm；

(9)喷C25W8混凝土，厚度为150 mm，喷混凝土作业自下而上进行。

4.2 洞身下导洞开挖

(1)在上导洞进尺2.1 m长度后，先停止上导洞开挖，喷射C25早强混凝土封闭掌子面，待顶拱混凝土强度达到设计强度的70%后开始进行核心土及下导洞开挖，开挖长度控制在2.1 m左右；

(2)核心土及下导洞开挖至设计底板高程前预留30 cm厚保护层，采取人工开挖保护层至设计高程后，及时进行钢拱架连接并施作仰拱；

(3)每两榀工字钢采用φ22纵向连接钢筋形成整体，环向间距为50 cm；

(4)每侧钢拱架设置2根锁脚锚杆，锁脚锚杆采用φ22螺纹钢，锚杆长度为2 m，锚杆采用锤击或钻机顶进，所有锚杆末端与钢拱架焊接形成整体；

(5)钢拱架外缘铺设φ8钢筋网，网格尺寸为150 mm×150 mm,钢筋网与锚杆焊接固定,钢筋网的搭接长度不应小于200 mm；

(6) 喷C25W8混凝土厚度为150 mm，喷混凝土作业自下而上进行；

(7)全周喷护完成后，及时采用C20垫层混凝土对仰拱进行封闭处理。

4.3 超前支护

进洞后，由于顶拱覆盖层为粉状土，遂增加了φ32，L=5 m超前支护小钢管，超前小钢管与型钢支撑配合使用，其尾端与型钢支撑或系统锚杆尾部的环向钢筋焊接，以增强其共同支护的作用，不得在钢支撑上钻孔。φ32，L=5 m超前支护小钢管布置参数为：沿洞轴线方向顶拱范围内与洞轴线外插角为10°～15°，纵向间距105 cm，环向间距30 cm。预留核心土法支护工序见图2。

图2 预留核心土法支护工序纵剖面图

4.4 仰拱施工

洞挖后，因围岩承载力和刚性不足，型钢支撑脚部会出现下沉的情况。在下沉的同时，松弛区域会随之扩大，引起拱顶附近的作用荷载增加、周边围岩出现大的变形，使其稳定性降低。对此，以稳定初期支护脚部周边围岩为目的，需要进行脚部补强。脚部补强主要是通过施做仰拱以增加初期支护的整体稳定。

初期支护完成后，为增强初期支护整体稳定，增加了仰拱型钢支撑及C25混凝土，形成封闭稳定整体支撑结构。

仰拱施工分段开挖，整体浇筑混凝土。仰拱采取先行并且全幅一次完成浇筑的施工方法，严禁半幅施工，以起到早闭合、防塌方的作用并能够营造良好的施工环境。为保证整体工期要求及仰拱与填充混凝土施工质量，避免施工运输给混凝土造成破坏，减少仰拱对施工进度的影响，降低施工干扰，开挖和浇筑混凝土时利用仰拱栈桥保证运渣车辆和其它车辆的通行。填充混凝土并当仰拱混凝土达到一定强度后整幅灌筑。

施作仰拱混凝土时必须将基底清理干净并注意及时排水。支立仰拱模板，排干积水，保护层采用混凝土垫块。混凝土在拌和站集中拌制，由混凝土运输车运入，泵送入模，振捣器振捣密实。填充必须在仰拱混凝土达到一定强度后进行，支立侧模，一次浇筑到位。

5 现场监控量测情况

监控量测是“新奥法”施工原理的三大要求之一，通过量测，可以掌握围岩变化规律及支护结构的力学状态和稳定程度，判断支护参数及所采用的施工方法是否合理、可行。施工过程中，主要进行了以下项目的量测：洞内外观察、周边位移量测、浅埋段拱顶下沉及地表变形。因该支洞进口段岩体为Ⅴ类围岩，监测断面每5 m设置一处，每处设置3个观测点，变形观测采用三点三线法。围岩稳定的基本判据为：(1)变形总量已完成允许变形量的90%；(2)变形速率已明显下降，收敛变形速率小于0.2 mm/d。实测结果为：最大收敛变形为3.5 mm，最大收敛变形速率为0.12 mm，说明采用预留核心土法是安全的。

6 应用效果评价

(1)通过理论计算及现场实际应用，在超前支护的保护下，进口段浅埋软弱地段采用预留核心土法是安全可靠的；

(2)可实现机械化开挖，加快了施工进度；

(3)减少投入，节省资金。预留核心土法最大的特点是取消了管棚支护，从而节省了资金，经济效益较为显著；

(4) 施工难度小、安全性较好。采用预留核心土法施工工序简单，施工空间大，作业环境不受限制，工序间的干扰少，施工难度小。上、下部开挖作业分别在超前支护及拱部初支的保护下进行，现场量测较容易进行，施工工序少，施工进度快，可尽早实现初支的封闭，改善初支受力状态，从而保证施工安全；

(5) 有利于初支表面的质量控制，减少初支表面的处理工作量，便于防水板的铺设。

[1] SL313-2004，水利水电工程施工地质勘察规程[S].

[2] SL398-2007，水利水电工程施工通用安全技术规程[S].

[3] SL303-2004，水利水电工程施工组织设计规范[S].

[4] GB50487-2008，水利水电施工地质勘察规范[S].

[5] SL378-2007，水工建筑物地下开挖工程施工规范[S].

[6] SL377-2007，水利水电工程锚喷支护技术规范[S].

(责任编辑：李燕辉)

2017-04-29

TV554;TV52；TV51

B

1001-2184(2017)03-0084-03

郭 鹏(1985-)，男，河南商丘人，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术工作；

黄 娟(1987-)，女，江苏徐州人，助理工程师，学士，从事水利水电工程施工技术工作.