劉萬生

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

國內(nèi)外工程技術(shù)人員在砂層隧道施工方法和變形破壞機理方面做了大量細(xì)致的研究，運用物理模型、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等手段，對隧道開挖時的變形破壞規(guī)律進(jìn)行分析研究，對其變形破壞機理取得了一定的認(rèn)識[1]。以往的砂層隧道工程施工，主要采取加密超前導(dǎo)管預(yù)注漿和掌子面錨噴支護(hù)封閉手段，但在實際施工過程中，易出現(xiàn)注漿量小、注漿壓力上升快難于控制，注入漿液水分軟化降低砂層穩(wěn)定性等問題[2]。對于圍巖變形的控制實際上是對圍巖松弛的控制，只要確保圍巖整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不松弛就能夠有效避免圍巖變形，通過開挖以及支護(hù)可有效確保圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，避免圍巖變形[3]。任鵬[4]提出抑制圍巖變形的主要方法是加強初期支護(hù)，進(jìn)而提高初期支護(hù)對圍巖變形的抵抗力，即通過“強支硬頂”保持初期支護(hù)具有足夠的強度。因此根據(jù)以往砂層隧道施工技術(shù)的研究，針對關(guān)角隧道風(fēng)積淺埋砂層結(jié)構(gòu)松散、無黏聚力等特點，采取了管棚工作室超前管棚＋超前導(dǎo)管支護(hù)、四臺階＋擴大拱腳開挖方法、篩子網(wǎng)雙層支護(hù)體系等安全技術(shù)措施，有效解決了砂層滑塌、涌砂及支護(hù)變形等對施工的影響，同時為類似工程建設(shè)積累了經(jīng)驗。

2 工程概況及難點分析

2.1 工程概況

新建關(guān)角隧道屬于青藏鐵路西寧至格爾木增建第二線標(biāo)志性、控制性工程，全長32.645 km，隧道進(jìn)口存在1.1 km淺埋風(fēng)積砂層段，覆蓋層厚度2～23 m，主要是以第四系細(xì)砂為主的砂土層，貧水，地質(zhì)條件差，砂土膠結(jié)性差，強度低，且隧道受一定偏壓影響，開挖后洞室自穩(wěn)能力差，有變形迅速、變形量大、收斂時間長的特點[5]。

2.2 難點分析

根據(jù)工程實踐和實驗室試驗分析，淺埋風(fēng)積砂層主要有以下工程性質(zhì)[6]:

(1)細(xì)砂粒徑分布均勻，且粒徑范圍很小，結(jié)構(gòu)松散，在外界荷載作用下易變形，在破壞滑移時往往是瞬間的、突然的。

(2)細(xì)砂體主要靠顆粒間法向壓力形成粒間摩擦力維持本身穩(wěn)定和承載能力，在剪力作用下土體極易失穩(wěn)。

貧水區(qū)淺埋風(fēng)積砂層的物理力學(xué)性質(zhì)較差，強度低、黏聚力小，砂土體松散，致使開挖后圍巖自穩(wěn)能力差，拱頂、拱腰以及掌子面變形大，易誘發(fā)圍巖坍塌甚至冒頂?shù)仁鹿?，施工過程中有效地控制變形，避免出現(xiàn)滑塌、塌方、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害難度較大。

軟弱圍巖隧道施工的核心是“控制變形、防止塌方”，因此應(yīng)采取人工配合機械開挖方式，降低對開挖面砂層的擾動，并采取小臺階法控制砂層的穩(wěn)定，及時加強支護(hù)控制初支變形及盡早封閉成環(huán)形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，確保施工安全。

關(guān)角隧道科研人員針對砂層結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究分析，輔以力學(xué)模型模擬試驗，并在現(xiàn)場反復(fù)試驗驗證。在施工中通過明確技術(shù)控制要點，關(guān)注超前支護(hù)加固措施的有效性、及時性。加強過程管控，優(yōu)化管棚及小導(dǎo)管布設(shè)方式，提高架設(shè)精度，嚴(yán)格控制注漿范圍、壓力等參數(shù)，以保證隧道超前支護(hù)加固效果[7-8]。通過總結(jié)最終形成管棚工作室超前管棚＋超前導(dǎo)管支護(hù)、四臺階＋擴大拱腳開挖法、篩子網(wǎng)雙層支護(hù)體系及仰拱、襯砌緊跟為核心的國家級工法技術(shù)[9]，保證了淺埋風(fēng)積砂層段順利施工。

3 超前支護(hù)技術(shù)

3.1 管棚工作室

為調(diào)整管棚施工仰角過大問題，優(yōu)化管棚施工工藝，即每循環(huán)管棚長度30 m，搭接5 m施作管棚工作室。管棚工作室比正常斷面挑高60 cm，使管棚角度達(dá)到0°，避免管棚角度過大造成管棚與支護(hù)間夾層過大導(dǎo)致砂體滑落，見圖1～圖2。

管棚工作室支護(hù)參數(shù):管棚工作室采取雙層支護(hù)體系，即開挖后及時掛設(shè)篩子網(wǎng)、噴射8 cm厚混凝土，避免砂體長時間暴露出現(xiàn)滑塌；第二層支護(hù)采用2榀/m的 16型鋼鋼架，掛網(wǎng)后噴射25 cm厚混凝土，且在施工過程中每臺階底部增設(shè) 16臨時橫撐以便施工中進(jìn)行倒用。拱部及邊墻采取超前小導(dǎo)管超前支護(hù)措施，長度3.5 m，搭接長度不小于1 m，環(huán)向間距20 cm，并預(yù)注漿加固砂體。

圖1 管棚洞室示意

3.2 超前管棚＋超前導(dǎo)管超前支護(hù)

隧道拱部120°范圍內(nèi)施作?89超前管棚，管棚長25 m，外插角0°，環(huán)向間距40 cm。開挖過程中，在管棚間加設(shè)超前導(dǎo)管，導(dǎo)管長3.5 m，外插角5°～10°，并預(yù)注水泥漿加固地層，主要起到加固管棚間砂體，提高超前支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力能力，避免開挖過程中砂體自管棚間滑落、涌漏。管棚間加設(shè)超前導(dǎo)管現(xiàn)場見圖3。

圖2 管棚工作室

圖3 管棚間加設(shè)超前導(dǎo)管

4 開挖掘進(jìn)施工技術(shù)

4.1 開挖方法確定

通過數(shù)值模擬及試驗方法對砂層隧道四種方案的圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析。方案一為三臺階臨時仰拱法；方案二為四臺階＋擴大拱腳與臨時仰拱法；方案三為四臺階＋擴大拱腳與臨時橫撐法。各臺階長度相同，不同點為方案二采用10 cm厚的C10噴射混凝土臨時仰拱，而方案三為 16型鋼橫撐臨時仰拱。方案四為三臺階＋留核心土＋臨時橫撐，其中上臺階長5 m，核心土長3 m，中臺階、下臺階長均為3 m，仰拱滯后上臺階15 m，臺階處設(shè) 16型鋼橫撐。張海勇[10]指出臺階法有利于開挖面的穩(wěn)定性，當(dāng)圍巖變形較大或突然變化時，可及時調(diào)整關(guān)閉時間，確保安全，滿足凈空要求。通過模擬分析，不同方案圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，見表1及圖4、圖5。

表1 四種方案圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

從支護(hù)結(jié)構(gòu)受力方面看，各方案對應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的最大拉、壓應(yīng)力均較小；在圍巖變形控制方面，與方案一和方案二相比，方案三、方案四圍巖拱頂下沉、水平收斂值均明顯減小，表明后兩種方案較好地控制了圍巖周邊變形；從掌子面擠出變形看，四臺階(方案二、方案三)與預(yù)留核心土施工(方案四)時上臺階掌子面擠出變形均小于三臺階施工時(方案一)掌子面擠出變形。綜合上述結(jié)論，方案三、方案四相比方案一與方案二能較好地控制隧道周邊的收斂變形、掌子面擠出變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力明顯得到改善。但考慮到預(yù)留核心土法(方案四)相對于不留核心土(方案三)的臺階法施工，其難度較大，且受隧道斷面操作空間影響不便于施工機械操作，施工速度慢，最終確定采用四臺階＋擴大拱腳與臨時橫撐方案施工(方案三)。

圖4 各方案對應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

圖5 各方案對應(yīng)沉降及收斂值

4.2 四臺階九步＋擴大拱腳開挖技術(shù)

于介[11]等指出各工法下支護(hù)結(jié)構(gòu)隨隧道開挖壓應(yīng)力數(shù)值逐漸增大，在開挖完成后達(dá)到最大值。四臺階九步開挖法是將隧道自上至下分成四個開挖臺階，每臺階左右側(cè)交錯施工，每級臺階開挖支護(hù)后挖除預(yù)留核心土，仰拱開挖作為一步臺階跟進(jìn)施工的施工方法。其中上臺階長度不超過4 m，采取人工環(huán)形開挖方式，中間預(yù)留核心土；中部臺階分成二臺階以降低開挖高度[12]，減小砂體臨空面，降低滑塌頻率，長度均不超過3 m，且每臺階均預(yù)留核心土；下臺階長度不超過3 m；仰拱開挖支護(hù)緊跟下臺階，不超過6 m，具體見圖6。

圖6 四臺階九步開挖施工

擴大拱腳即為每步臺階底腳根據(jù)弧形斷面向外放大30 cm，使上下臺階交接部位開挖斷面能夠平順順接，保證開挖砂體穩(wěn)定。超挖部分掛設(shè)網(wǎng)片噴射混凝土進(jìn)行回填，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力剛度。上一臺階施作的大拱腳在下一臺階開挖時將起到支撐拱部結(jié)構(gòu)的重要作用[13]。擴大拱腳見圖7。

圖7 超前管棚及擴大拱腳

4.3 雙層支護(hù)體系

每步臺階開挖后及時采用篩子網(wǎng)支護(hù)，即在開挖面打設(shè)鋼筋、掛設(shè)篩子網(wǎng)(網(wǎng)格為5 cm×5 cm)，噴射8 cm厚混凝土，達(dá)到開挖砂體及時封閉的目的，避免因開挖砂體長時間暴露出現(xiàn)剝落滑塌現(xiàn)象。

第一層支護(hù)完成后，及時清理開挖砂體，并及時施作第二層初期支護(hù)。第二層全斷面設(shè)2榀/m的 16型鋼鋼架，拱墻設(shè)?8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，全斷面噴厚25 cm的C25混凝土，每臺階底部設(shè)置 16型鋼橫向支撐，橫向支撐間距根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距逐榀設(shè)置，施工中進(jìn)行倒用。

4.4 仰拱、襯砌施工措施

仰拱采取全斷面逐榀開挖，開挖后及時施作16型鋼仰拱鋼架，并及時噴射25 cm厚混凝土封閉，使整個隧道斷面支護(hù)形成閉環(huán)受力體系，保證施工安全。仰拱初期支護(hù)達(dá)到6 m后開始施作仰拱鋼筋及混凝土，仰拱初期支護(hù)封閉距離掌子面距離不得超過16 m。襯砌采用12 m整體式襯砌臺車施作，距離掌子面不得大于35 m，及時形成二次襯砌受力體系，盡早變?yōu)殡p層受力體系整體結(jié)構(gòu)，避免砂層對初期支護(hù)體系的破壞控制變形(見圖8)。

圖8 仰拱與襯砌及時跟進(jìn)

5 效果分析

關(guān)角隧道砂層段設(shè)置管棚工作室，施工25 m長超前水平管棚，全斷面設(shè)置?42超前小導(dǎo)管，并預(yù)注漿加固地層，形成的超前支護(hù)體系較好地控制了掌子面變形；采用四臺階九步＋擴大拱腳開挖方法，施工中按照順序逐級開挖支護(hù)施工，同臺階左右側(cè)交錯施工，較好地控制了開挖砂體的穩(wěn)定，避免了砂體滑塌、涌砂現(xiàn)象；開挖后及時采用篩子網(wǎng)支護(hù)及雙層支護(hù)體系，防止貧水區(qū)風(fēng)積砂的滑溜，導(dǎo)致出現(xiàn)大范圍的滑塌；采取擴大拱腳與臨時橫撐措施控制邊墻變形，并將仰拱作為開挖臺階及時跟進(jìn)下臺階施作，襯砌距掌子面不超過35 m，盡早形成雙層受力體系，有效控制了砂體對初期支護(hù)造成破壞從而產(chǎn)生變形。上述措施形成了超前支護(hù)體系、初期支護(hù)體系及二次襯砌體系，從預(yù)加固到整體受力保證了砂層段施工安全、有序進(jìn)行，為長距離淺埋砂層隧道施工積累了寶貴的工程經(jīng)驗。

6 結(jié)論與建議

通過對關(guān)角隧道淺埋風(fēng)積砂層隧道施工技術(shù)研究，總結(jié)形成了管棚洞室、超前管棚加導(dǎo)管超前支護(hù)體系，增加篩子網(wǎng)支護(hù)的雙層支護(hù)體系及仰拱、襯砌緊跟的二次襯砌體系，控制拱頂圍巖下沉，水平收斂及掌子面擠出變形明顯減小，洞室穩(wěn)定性增強(隧道圍巖最大拱頂下沉量減少12 mm和最大水平收斂量減少16 mm，上臺階掌子面擠出位移減少2.5 mm)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)更趨安全。針對今后砂層隧道施工，超前支護(hù)可根據(jù)實際情況采用水泥灌注樁以增加超前支護(hù)受力；初期支護(hù)采用剛度較大的型鋼以增加支護(hù)體系剛度；優(yōu)化濕噴工藝為潮噴工藝以減小對砂體的軟化程度，最大限度加強砂體的穩(wěn)定性，以達(dá)到控制砂體變形的目的。