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1、高含水量軟弱粘土隧道的施工方案梁巍（中交第二公路勘察設計研究院武漢430052）摘要：丹本高速公路下馬塘隧道丹東端，在較大范圍內為淺埋軟弱粘土圍巖。在施工過程中由于圍巖含水量激增，使其自穩能力大減，造成拱頂上部地表下沉，山體開裂，使已做好的17m拱部初期支護變形、開裂、下沉，使施工受阻。針對這種情況，采取嚴格限制施工用水，洞內采用自鉆式錨桿以加固圍巖，并分別采取CD法和正臺階弧型導坑分部開挖法等一系列措施，避免了隧道再次塌方。關鍵詞：粘土；含水量；中隔墻法；自鉆式錨桿1工程概況下馬塘隧道位于本溪市南芬區下馬塘鎮與王家崴子之間，是遼寧省修建的第一條山嶺重丘區丹（東）本（溪）高速公路的全線最長的一2、座隧道，為上下行分離的4車道高速公路，最大埋深約160m。左線隧道長1070m，右線隧道長1035m，建筑限界凈寬105m，凈高55m。丹東端進口地表為一緩坡地段，地形坡度10度左右。區內和隧道進口有關的巖土層按成因時代、巖性特征、埋藏分布條件及物理力學性質，可分為以下情況。11碎石混亞粘土層黃褐色，碎石成分為混合花崗巖、石英巖、變粒巖及少量云母片巖，粒徑20mm200mm，含量占4050，塊石成分為混合花崗巖，含量占1020，充填物為亞粘土及角礫；亞粘土，濕飽和，軟塑硬塑狀態，一般分布在約60m以下至基巖范圍內。本層厚度210m280m左右，主要分布在山腳附近的緩坡上，形成坡積裙，屬坡積成因3、。12全風化混合花崗巖灰黃褐色，碎裂結構，巖石多呈碎塊狀，地表風化呈土狀。13強風化混合花崗巖黃褐色，碎裂結構，風化強烈，黑云母風化成褐色，節理發育，將巖石切割成5cm20cm的碎石狀，主要分布在地表全風化混合花崗巖下。隧道工程地質縱斷面見圖1、圖2。隧道進口于1999年9月份正式動工，施工隊伍進場拉路基邊槽及明洞開挖，所揭示的地質情況基本與勘察報告相符，為較破碎的全風化混合花崗巖。但明洞施工到成洞面時，地質情況則突然發生惡化，全風化混合花崗巖消失，掌子面呈現褐黃色粘土層，且土的含水量較大，施工管棚時則發現成孔困難，巖芯難以吐出，原設計的40m管棚只能鉆進不到20m。鑒于掌子面的圍巖情況及管棚4、施工現狀，現場對原設計的初期支護作了調整，將原18工字鋼鋼拱架100cm一榀調整為50cm一榀，其他支護參數不變，見圖3。由于施工時粘土的含水量較大，噴射混凝土不宜掛住，施工時常造成所噴上去的混凝土與黃粘土整體大面積的滑落，施工單位多次改進工藝和方法的情況下仍無法噴上，決定把噴射混凝土改為模筑C25混凝土，并要求模筑后注漿，以避免混凝土與圍巖之間形成的空洞，造成工程隱患。1999年12月14號左線進口在ZK12427162884，共168m，已做好的初期支護（一次模筑混凝土）拱圈發生整體下沉。下沉量為13m07m，混凝土及鋼拱架本身未變形及損壞，地底兩側粘土向中間鼓起，拱腳沉陷。洞頂地表下沉范5、圍為ZK124265ZK124291，長26m，最大下沉橫向寬度74m，最大下沉量8m，塌陷處隧道埋深約5m8m，拱圈以上已成為松散土體。右線初期支護（一次模筑混凝土）也發生鼓起，混凝土出現多道縱橫裂縫。2事故原因分析21地質條件較差，為事故發生的主要原因。該地質粘土中粉粒及粘粒組（005mm）含量約占70，自身強度低，含水量較大。經取樣試驗，該段圍巖液限391，塑限210，塑性指數181，液性指數0552，天然含水量31，屬于軟塑狀態，遇水極易造成圍巖強度大幅度降低。從地質構造上講，本段前后為強風化花崗巖，滲透性較差，地表水和地下水滲透于此基本被阻隔。因此，本段可以說是一個地下水富集地帶。圖6、1左線工程地質縱斷面示意圖2右線工程地質縱斷面示意圖3軟弱圍巖地段支護示意22由于施工正值東北地區冬季即將來臨之際，為了搶洞口段施工進度，以便冬季洞內可以正常施工，施工方在拉下導中槽時，未能及時排出洞內圍巖涌水和施以錨桿及一次模筑混凝土的施工用水，使得圍巖軟化，造成拱腳承載能力急劇下降。而本段又為淺埋段，圍巖壓力隨著時間增長迅速，更加劇了拱腳承載力的不足。事后查量測數據，發現事故前3d，拱頂位移急劇變化，多達4cm。3施工方案由于左線隧道塌陷嚴重，經各方討論，決定采用洞內管棚跨越，鋼架頂撐，分段拆換初期支護的措施。右線為避免初期支護的進一步下沉，采取以下緊急措施。（1）及時排除洞內施工用水，以7、防止圍巖受水的浸泡后進一步軟化。（2）對下導中部的深拉槽進行壓實回填，以保證基礎的承載力。（3）疏通地表排水溝，用粘土封閉地表裂縫，以減少地表水的下滲。（4）在洞內用型鋼或圓木設置可靠的內支撐，并施以臨時仰拱，以控制土體的下沉變形與破壞。（5）要求二次襯砌及時施工。由于洞室上部土體已遭到破壞，土壓力應按全部覆土厚度計算，二次襯砌改為配筋混凝土結構，以提高整個支護系統的承載能力。通過上述措施的處理，基本控制了隧道初期支護的進一步下沉，開始轉而研究下一步施工方案。31CD開挖法根據設計階段的地質勘察報告，本段軟弱圍巖估計左線長達150m，右線長達100m，埋深只有5m30m。為穩妥起見決定采用CD8、法（即中隔墻法）開挖。CD法適用于覆蓋層較薄，圍巖穩定性較差，跨度較大的隧道，具有以下優點：能有效控制拱頂及地表沉降，施工安全性好，對地基承載力要求不高，適應范圍相對較廣。其缺點是：工序較復雜，施工進度慢，生產效率低，施工成本高。該CD法開挖步驟見圖4。并作了以下要求。圖4CD法開挖步驟示意（1）開挖采用人工開挖，應嚴格控制超欠挖，斷面輪廓力求圓順，以減少應力集中現象；（2）初期支護杜絕采用模筑混凝土，必須采用噴射混凝土，可注意調整好噴射混凝土的配合比，并可適當加密鋼筋網，可在初噴3cm厚混凝土時，適當加大速凝劑用量，保證噴射混凝土能與圍巖粘接在一起，復噴時再恢復到正常比例；（3）錨桿鉆孔宜采9、用干式排渣的回旋式鉆機，杜絕采用水鉆；錨桿注漿應采用濃漿，注漿壓力大于1MPa，保證注漿飽滿；（4）各分部的開挖必須在鄰近作業面的初期支護達到一定強度后才能進行；要求初期支護盡早封閉，中壁、橫聯拆除后，二次襯砌要立即跟上，以控制圍巖變形和縮短圍巖暴露時間；（5）施工中洞內應有完整的排水措施，嚴禁施工用水和地下水暴露在工作面；（6）本地段施工縫全部采用沉降縫；（7）加強圍巖周邊圍巖位移監控量測，以監控量測結果指導施工。由于普通系統砂漿錨桿成孔困難，反復的鉆孔、清孔對土體的擾動嚴重，用水量大，該粘土對水又十分敏感，實際施工要求采用的干式排渣的回旋式鉆機無法鉆進設計深度，只能達15m左右深。因此系統10、錨桿改用的是3m長自進式錨桿，以高壓風沖孔排渣、注漿，避免對土體造成過多擾動。當錨桿的鉆進達到設計規定的深度時，孔內的所有浮土巖屑應利用鉆機的壓縮空氣清理干凈，注漿主要采用水泥漿液，其水灰比為04055。系統錨桿采用自鉆式錨桿后，具有施工快速，簡便的優點，極大的縮短了支護時間。32正臺階弧型導坑分部開挖法圖5正臺階弧型導坑法開挖步驟示意按CD法施工，施工單位月進尺為15m左右，十分安全但速度較慢。由于本段類似的粘土地段較長，且下馬塘隧道又為全線最長的隧道，工期非常緊張，且隨著天氣轉好，隧道掌子面仍為黃粘土，但含水量明顯減小，尤其是隧道起拱線下已經變為碎石土。基于以上情況經各方討論后同意按上下臺11、階法（正臺階弧型導坑分部法）施工，見圖5。正臺階弧型導坑法適用于圍巖穩定性較差，但開挖后有一定的自穩時間，跨度適中的隧道，具有以下優點：工序簡單，工作面寬敞，施工進度快，生產效益高，便于大型機械設備工作。缺點是上斷面拱腳要求的承載能力較CD法高，控制拱頂下沉及變形不如前者。施工時要求承包商除滿足CD法的一些施工注意事項外，還作了以下要求。（1）嚴格安裝微臺階法施工，臺階不宜超過5m，初期支護必須早封閉。（2）要認真加固拱腳，保證拱腳位于原狀土上，若拱腳所處巖石破碎及軟弱時，宜加臨時長鋼墊板。（3）邊墻馬口跳槽開挖必須單側落底或雙側交錯落底，避免上部斷面兩側拱腳同時懸空。（4）落底長度應視圍巖狀12、況而定，一般采用1m3m，并不得大于6m。（5）仰拱開挖前，宜架設臨時橫撐頂緊兩側墻腳，防止邊墻內擠，待仰拱混凝土達到混凝土強度70才能拆除。（6）量測工作必須及時，以觀察拱頂、拱腳和邊墻中部的位移值，當發現速率增大時，應立即澆筑二次襯砌，或先行構件支頂。（7）當圍巖壓力極大，其變形速率難以收斂時，可先修筑臨時仰拱，并考慮采用其它開挖方法。施工方案修改后，施工速度達到正常的月進尺30m左右，根據隧道周邊位移的量測結果，變形基本控制在1cm之間。表明結構是穩定的，應用該方法順利的通過了前方軟弱圍巖地段。4結語41對于兩車道斷面的隧道，當圍巖開挖后具有一定的自穩時間，可采用工序簡單，開挖次數少，施工效率高的施工方法，不一定要采用安全系數大，但工序煩瑣的CD法。42在軟弱圍巖中施工時，必須嚴格執行“強支護、短開挖、快封閉、早成環”的原則。43軟弱粘土隧道系統錨桿宜采用自鉆式錨桿，且干鉆，避免因水而造成圍巖自身強度的降低。44應強調直噴混凝土，盡量不采用模噴或模筑，否則容易造成初期支護與圍巖之間不密實。即使后期采用預留鋼管注漿也難以保證沒有空洞，造成安全穩患。45新奧法施工，尤其對于軟弱圍巖，圍巖周邊量測對設計與施工都是個不可忽視的手段，可以根據反饋的信息把握施工節奏，調整施工方法和修正有關設計參數。簡訊