彭小兵

超淺埋濕陷性黃土隧道變形控制與地基加固施工技術(shù)

彭小兵

摘 要：結(jié)合寶蘭客運(yùn)專線五星坪隧道出口暗挖段施工，在超淺埋、回填土、濕陷性砂質(zhì)黃土地層中，暗挖隧底需水泥土擠密樁加固處理，通過雙層超長管棚預(yù)支護(hù)，改進(jìn)三臺(tái)階七步開挖支護(hù)工法，在隧底仰拱初期支護(hù)內(nèi)預(yù)留擠密樁施工孔位，采用履帶式螺旋鉆取代電動(dòng)洛陽鏟取土、夯擊成樁設(shè)備相對(duì)大型化等措施，有效控制隧道施工變形，做到安全、快速和優(yōu)質(zhì)施工，為類似工程實(shí)施提供借鑒。

關(guān)鍵詞：超淺埋；濕陷性黃土；隧道；變形控制；地基加固

0 引言

隨著鄭西、石太、大西客運(yùn)專線等一批高標(biāo)準(zhǔn)、高速度鐵路項(xiàng)目建成投產(chǎn)，黃土隧道的施工方法逐步轉(zhuǎn)化成以三臺(tái)階七步開挖法和CRD法為主，并在此基礎(chǔ)上形成三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法等改進(jìn)型施工工法。

高鐵隧道內(nèi)由于鋪設(shè)無砟軌道，要求線路有高度的平順性，基底工后沉降不大于15mm，不同結(jié)構(gòu)物間的差異沉降不大于5mm，只有采取嚴(yán)格、有效的基底加固處理，消除隧底黃土濕陷性，提高基底承載能力，才能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在淺埋濕陷性黃土隧道需進(jìn)行地基加固處理區(qū)段，大多使用CRD工法開挖，采用電動(dòng)洛陽鏟取孔、夯錘分層夯擊水泥土分層回填成樁的排土擠密樁工藝完成隧底加固處理，因其施工進(jìn)度慢、隧道施工與基底處理相互干擾、安全風(fēng)險(xiǎn)突出，類似淺埋濕陷性黃土隧道基底加固處理效果較差，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖困難。結(jié)合寶蘭客運(yùn)專線五星坪隧道出口暗洞基底處理的施工經(jīng)驗(yàn)，就超淺埋濕陷性黃土隧道變形控制和基底加固處理進(jìn)行分析。

1 工程概況

五星坪隧道出口位于蘭州市七里河區(qū)五星坪后街，隧道洞口段100m，埋深2．4～11．3m，洞頂為素填土、雜填土層，厚12～15m；其下15～20m為濕陷性砂質(zhì)黃土，濕陷系數(shù)δs為0．015°～0．07°，具有Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）自重濕陷性；地基承載力140～220kPa，土體含水率為9%～15%。因征遷困難，設(shè)計(jì)明洞方案調(diào)整為暗洞延長76m的超淺埋暗挖進(jìn)洞方案，洞口段設(shè)雙層、100m長、φ108mm大管棚超前支護(hù)。暗洞進(jìn)洞136m的地基加固采用水泥土擠密樁。

五星坪隧道出口施工具有以下特點(diǎn)：（1）隧道地質(zhì)條件差，洞口段為超淺埋地層，洞身以素填土為主，地基承載力較低，受地表經(jīng)濟(jì)作物耕種影響，洞內(nèi)土體含水率偏高，局部呈潮濕狀；監(jiān)測(cè)拱頂下沉值30～50cm，收斂2～5cm（擴(kuò)大）。因此，施工中控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，避免因支護(hù)結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重產(chǎn)生隧道坍塌，為本隧道施工的重難點(diǎn)。（2）隧底采用水泥土擠密樁消除地基土的濕陷性，水泥土擠密樁成樁原理為：通過夯擊擠密消除黃土的大孔隙進(jìn)而消除濕陷性，并對(duì)地基起一定的加筋作用；夯擊產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)周邊初期支護(hù)影響較大，處理不慎則有可能破壞初期支護(hù)，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)塌方變形等安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，傳統(tǒng)擠密樁鉆孔取土工藝需用洛陽鏟較多，占用洞內(nèi)作業(yè)空間面積較大，對(duì)隧道掌子面施工進(jìn)度存在明顯干擾，洞內(nèi)擠密樁施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制和工效提升，為本隧道施工的另一重難點(diǎn)。

2 控制變形施工方法的選擇

在超淺埋濕陷性黃土隧道施工中，一般的施工方法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD工法等。這些傳統(tǒng)的施工方法在控制隧道變形方面具有較好的效果，但也有一定的局限性，因隧道支護(hù)增加內(nèi)支撐后，限制了大型施工機(jī)械的使用，使各分部開挖面循環(huán)銜接性差，施工工效低，拆除內(nèi)支撐時(shí)存在一定的安全隱患。

本洞采取三臺(tái)階七步開挖法改進(jìn)型工法，其核心是以開挖弧形導(dǎo)坑為基本模式，分上、中、下三臺(tái)階七個(gè)開挖面，各部位的開挖支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開、平行推進(jìn)。針對(duì)黃土隧道各道施工工序引起的變形規(guī)律，采取針對(duì)性控制變形措施，對(duì)淺埋黃土隧道施工過程中可能產(chǎn)生塌方編制應(yīng)對(duì)措施。

2.1 上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑開挖時(shí)變形控制措施

針對(duì)黃土隧道上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑開挖時(shí)，隧道拱頂沉降變形速率最大，在上臺(tái)階保留5～7d，期間拱頂沉降變形量約占累計(jì)變形1/4～4/5的規(guī)律特點(diǎn)，將拱腳支承厚度由0．35m擴(kuò)大至0．8～1．2m，對(duì)基底土體進(jìn)行夯實(shí)并加墊鋼板或預(yù)制件，以擴(kuò)大受力面積，減緩拱頂下沉。

當(dāng)上臺(tái)階拱頂下沉值超預(yù)留變形量1/3（15cm）時(shí)，在上臺(tái)階間隔設(shè)置臨時(shí)橫撐，橫撐端部與初期支護(hù)鋼拱架之間螺栓連接，形成上臺(tái)階鋼拱架支撐封閉結(jié)構(gòu)。當(dāng)拱頂下沉值超預(yù)留變形量1/2（22cm）時(shí)，在臨時(shí)橫撐內(nèi)噴射20cm厚噴射混凝土，形成上臺(tái)階臨時(shí)仰拱，調(diào)整后續(xù)工序施工，采用單一工序組織作業(yè)。

2.2 中、下臺(tái)階開挖時(shí)變形控制措施

為遏制初期支護(hù)變形，將拱腳處及邊墻腳的鎖腳錨桿數(shù)量由原設(shè)計(jì)4m/根調(diào)整為6m/根，并將原設(shè)計(jì)每處2根調(diào)整至每處6根，將原采用的L型鋼筋連接調(diào)整為鋼板連接。

當(dāng)中臺(tái)階施工期間，拱頂下沉速率連續(xù)超標(biāo)或拱部初期支護(hù)可見環(huán)向裂縫時(shí)，加設(shè)中臺(tái)階臨時(shí)仰拱，調(diào)整下臺(tái)及隧底等后續(xù)工序施工。

2.3 隧底開挖時(shí)變形控制措施

隧底每循環(huán)開挖1．2～1．8m，隧底初期支護(hù)作業(yè)面距上臺(tái)階掌子面距離15～20m，掌子面開挖至仰拱初期支護(hù)成環(huán)時(shí)間控制在12d內(nèi)。

2.4 隧道防止塌方措施

采用風(fēng)循環(huán)導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法打入雙層大管棚，管棚內(nèi)注漿壓力控制在2MPa。在上臺(tái)階兩側(cè)拱腳以上0．5～2．0m范圍沿相鄰兩榀支撐鋼拱架間各焊接四道Ⅰ16a，拱部設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)片。在上臺(tái)設(shè)置臨時(shí)橫撐或臨時(shí)仰拱，在中臺(tái)及下臺(tái)設(shè)置雙側(cè)各設(shè)6根鎖腳錨管加固，必要時(shí)設(shè)中臺(tái)階臨時(shí)仰拱?？s短每次隧底開挖長度，及時(shí)施做隧底初期支護(hù)，使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及早封閉成環(huán)。嚴(yán)格控制掌子面至二次襯砌成環(huán)距離控制在55m內(nèi)。

3 洞內(nèi)擠密樁施工

本工程濕陷性黃土隧道基底擠密樁加固處理的基本方法：先利用螺旋鉆快速排土成孔，再采用沖錘沖擊擴(kuò)大成孔，然后分層填入水泥土沖擊成樁。通過成孔和樁體夯實(shí)過程中的橫向擠壓作用，使得樁間土擠密，從而形成復(fù)合地基。

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)暗洞進(jìn)洞136m及洞門14m地基范圍采用樁徑0．4m、樁長9m、樁間距0．60m×0．75m（縱向×橫向）水泥土擠密樁。復(fù)合地基處理指標(biāo)：樁間土消除濕陷性，濕陷性系數(shù)不大于0．015；樁間土平均壓實(shí)系數(shù)不小于0．93，最小擠密系數(shù)不小于0．88。

3.2 擠密樁人員施工設(shè)備配置

人員設(shè)備配置情況見表1。

3.3 施工工藝

隧底初期支護(hù)封閉成環(huán)5～7d，混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度，隧道拱頂下沉基本穩(wěn)定，隧底初期支護(hù)成型6～10m后，分段組織施工基底擠密樁。每段半幅長度3．6m，約60根。根據(jù)基礎(chǔ)平面布置圖及樁位圖，通過坐標(biāo)確定出每根樁點(diǎn)位，成孔順序采用隔孔跳打，先完成半幅內(nèi)橫向1．5m、縱向1．2m間距內(nèi)約30根樁，后采用2臺(tái)沖錘集中夯擊回填水泥土成樁。完成后再組織實(shí)施本段半幅內(nèi)剩余樁基。

（1）鉆孔：采用小型360°旋轉(zhuǎn)履帶打樁機(jī)鉆孔，該鉆機(jī)采用6．0m長螺旋式鉆頭，鉆徑0．35m，樁位確定后，安裝定位護(hù)筒，之后調(diào)試鉆機(jī)位置，鉆桿沿導(dǎo)軌方向（豎直向下）旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆至6．0m深后，人工配合抽出鉆桿定位銷，頂部定位裝置連同鉆機(jī)實(shí)心鉆桿上升5．0m，再人工配合打入鉆桿定位銷，將空心鉆桿和實(shí)心鉆桿接長成一整體，后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆頭取土開挖至設(shè)計(jì)深度，單樁成孔時(shí)間約20min。

（2）夯填：先使用打樁機(jī)沖錘夯擊12～15次，以回音清脆為宜，之后分層夯填1∶10水泥土，回填土松鋪厚度80cm，夯擊8～10次，壓實(shí)厚度30cm且錘擊回音清脆為宜，夯錘落距大于2．0m，單孔夯填成孔需30min。為防止夯擊過程震動(dòng)過大，造成隧道初期支護(hù)破壞，施工期間采用爆破振動(dòng)測(cè)速儀對(duì)作業(yè)面附近初期支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)值基本在5cm/s以內(nèi)，當(dāng)振動(dòng)速度超過10cm/s，初期支護(hù)變形速率超標(biāo)或呈現(xiàn)明顯變形加速及初期支護(hù)面裂縫明顯增大時(shí)，暫停施工或調(diào)整工藝參數(shù)。

（3）檢測(cè)：通過取2～8m深度范圍樁身土、樁間土以及成樁后樁間土的濕陷性試驗(yàn)，樁間土干容重增加，孔隙比減小，濕陷性已基本消除；樁身土的壓實(shí)系數(shù)為0．98～1．01，樁間土的壓實(shí)系數(shù)為0．94～0．96，符合規(guī)范規(guī)定要求。水泥土擠密樁成型后經(jīng)檢測(cè)樁徑51～53cm，樁體擠壓后樁徑為最初值的1．3倍。

表1 人員設(shè)備配置

4 實(shí)施效果

本工程首先采用電動(dòng)洛陽鏟進(jìn)行樁位取孔，共計(jì)投入5臺(tái)電動(dòng)洛陽鏟，由于洞內(nèi)作業(yè)面空間狹小，不能全時(shí)占用洞內(nèi)空間作業(yè)，洞內(nèi)進(jìn)行作業(yè)的僅3臺(tái)，每日成樁約40根，僅能處理1．2m地基，且處理地基期間掌子面基本處于停工狀態(tài)，導(dǎo)致平均進(jìn)度0．6m/d，工效極低。后改用小型360°旋轉(zhuǎn)履帶打樁機(jī)進(jìn)行樁位取孔，每天作業(yè)20h，成孔55～60個(gè)，平均進(jìn)度1．8m/d，且單臺(tái)履帶式打樁機(jī)占用洞內(nèi)空間不大，樁基處理可以與掌子面開挖支護(hù)作業(yè)同步實(shí)施，平均進(jìn)度可達(dá)1．5～1．8m/d。

5 結(jié)論

對(duì)大斷面超淺埋黃土隧道施工引起的變形特征，采取針對(duì)性處理措施，以初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及早封閉成環(huán)為核心，同時(shí)注意提高上臺(tái)及中臺(tái)階基底支承面積及承載能力，充分發(fā)掘好鎖腳錨管抵抗初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體下沉的能力，并根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)拱頂下沉值變化情況設(shè)置臨時(shí)橫撐或仰拱，采用雙層大管棚超前支護(hù)、增加兩榀拱架間的環(huán)向連接剛度、拱部設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)片，等支護(hù)預(yù)加強(qiáng)措施，采用三臺(tái)階七步開挖改進(jìn)型工法施工是可行的。

提出隧底每次開挖、支護(hù)長度宜控制在1．2～1．8m，在相鄰兩環(huán)隧底支撐工字鋼之間預(yù)埋樁徑40cmPVC管作為后期擠密樁施工樁位，每段隧底初期支護(hù)完成后拔除PVC管，并將該段該段回填土至填充面，待對(duì)應(yīng)初期支護(hù)監(jiān)測(cè)變形穩(wěn)定后再進(jìn)行基底樁基處理。該方法使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠盡早分段封閉，并為履帶式打樁機(jī)等相對(duì)大型設(shè)備進(jìn)洞施工提供了可能。

本洞地基擠密樁施工采取電動(dòng)洛陽鏟和打樁機(jī)旋挖鉆兩種排土取孔方式，成孔孔徑基本為0．4m，成樁直徑0．50～0．52m，唯一不同在于電動(dòng)洛陽鏟每次落下時(shí)沖擊擠密井壁，而旋挖成孔則利用土體的自穩(wěn)性。但采用履帶式打樁機(jī)施工后，擠密樁排土取孔施工過程與隧道開挖支護(hù)工序可調(diào)整為同步作業(yè)，僅在集中夯填孔內(nèi)水泥土階段，為防止出現(xiàn)安全事故，仰拱初期支護(hù)面至上臺(tái)階掌子面暫停作業(yè)，施工工效大大提高。

彭小兵：中國中鐵四局集團(tuán)有限公司第七工程公司，高級(jí)工程師，安徽 合肥，230022

責(zé)任編輯 苑曉蒙

中圖分類號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-061X（2015）05-0034-03