軟土地區(qū)淺埋暗挖大斷面隧道拱頂沉降控制技術(shù)及應(yīng)用

張宏偉

(中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710000)

1 引言

在展開前埋暗挖隧道施工時，初期支護(hù)尤為關(guān)鍵，它是一種典型的柔性支護(hù)形式，受其特性的影響，相比于其它支護(hù)形式而言更容易引發(fā)隧道變形問題，從而對開挖后洞內(nèi)的穩(wěn)定性造成直接影響，甚至?xí)M(jìn)一步出現(xiàn)坍塌事故。在此背景下，有必要圍繞隧道洞內(nèi)變形現(xiàn)象展開探討，尋求其中的規(guī)律。

羅文隧道位于廣東省高要市水南鎮(zhèn)羅文村，設(shè)計為小凈距隧道，測設(shè)線間距19.2～25.1 m，洞室凈空11.0 m×5.0 m。起訖樁號：左線ZK79+875～ZK80+414，全長539 m；右線K79+860～K80+417，全長557 m。洞低設(shè)計高程130.9～153.0，最大深埋100.2 m，屬中隧道。

2 隧道設(shè)計和施工方案

根據(jù)隧道洞中的具體變形規(guī)律，在我國南方地區(qū)，大部分土壤都屬于軟黏土，因此在設(shè)計隧道時一般使用盾構(gòu)法，而北方多屬黃土及粉質(zhì)黏土，因此常常往使用淺埋暗挖法[1]。當(dāng)大斷面隧道于粉土以及黃土中并使用淺埋暗挖的方法進(jìn)行開挖時，通常情況下拱頂沉降量是幾十毫米，而大斷面隧道在南方軟土中采用淺埋暗挖法開挖時，拱頂沉降量往往達(dá)到上百甚至幾百毫米。從當(dāng)前實測成果來看，很多學(xué)者并沒有深入研究城市軟土地區(qū)中的大斷面淺埋暗挖隧道情況，并且沒有對隧道的各種土質(zhì)條件等進(jìn)行深入研究。軟土地區(qū)的地質(zhì)往往復(fù)雜多樣，應(yīng)對隧道情況利用實測方法進(jìn)行研究，分析此地質(zhì)條件下隧道的仰拱隆起等規(guī)律。

本文重點圍繞第1標(biāo)段淺埋暗挖段而展開，該標(biāo)段設(shè)置為典型的雙線隧道形式。參考工程設(shè)計方案，進(jìn)洞口隧道軸線埋深應(yīng)達(dá)到12.8 m，對應(yīng)高度需達(dá)到9.7 m，整體呈橢圓形特性，進(jìn)一步分析得知等效半徑達(dá)到了5.4 m?；谏吓_階中隔壁法展開施工作業(yè)，相較于仰拱臺階法而言，無需采取保留核心土處理，但需要設(shè)置豎向支撐結(jié)構(gòu)。

工程應(yīng)遵循指定的施工順序進(jìn)行，具體內(nèi)容有：①由于所在區(qū)域的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此采取超期地質(zhì)鉆探處理，做出準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報；②做好對開挖區(qū)域的超期支護(hù)工作，在進(jìn)行超前大管棚搭設(shè)施工時，要求使用到規(guī)格為φ108 mm的熱軋無縫鋼管，注重對接頭部分的處理，使用長度為15 cm的絲扣材料；在管棚中設(shè)置鋼筋籠，此結(jié)構(gòu)由4根規(guī)格為φ22 mm的主筋為基礎(chǔ)，加之固定環(huán)(彼此間距控制為30 cm)的輔助而構(gòu)成。

現(xiàn)場開挖過程中，在對K79+860～K80+300段進(jìn)行處理時選用的是CRD工法，但其中又存在一定的差異，K80+300～+417段基于四臺階法而展開，余下的所有區(qū)域都基于上臺階中隔壁法而展開。在進(jìn)行CDR工法開挖施工時，為了全面提升地表的穩(wěn)定性，需要借助高壓旋噴樁做加固處理，要求其樁長達(dá)到16 m。無論是隧道的邊線還是中軸線，二者都需使用規(guī)格為φ600 mm的旋噴樁結(jié)構(gòu)，而在隧道邊線以內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行處理時，使用同樣規(guī)格的旋噴樁，但需要基于梅花形的方式進(jìn)行布置[2]。

3 隧道監(jiān)測項目及測點布置

當(dāng)采取CDR工法后，隨之在隧洞內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的監(jiān)測點，關(guān)于其具體示意圖可見圖1。綜合圖中所給的內(nèi)容進(jìn)行分析，總結(jié)出了如下幾點內(nèi)容：①任何一個導(dǎo)洞掌子面都要遵循自上而下的原則展開開挖作業(yè)，對鋼拱架進(jìn)行焊接處理；②關(guān)于隧道1、2部分，均采用三角形收斂變形監(jiān)測線的形式，即S1-2，S1-3，vS2-3，需要說明的是，點1指的是拱頂點，點2位于豎向支撐結(jié)構(gòu)上，點3設(shè)置在拱腰處；③需要設(shè)置拱頂拱腰差監(jiān)測點，具體為G1-2，G2-5。

無論是拱頂沉降還是仰拱隆起現(xiàn)象，必須得到精確的測量，而這要借助于水準(zhǔn)儀完成，并使用收斂計得知周邊收斂情況[3]。不同的時間段所采取的檢測頻率存在差異，于前15d而言應(yīng)安排人員每天進(jìn)行1次，此后則需要遵循1次/2d的原則。工程提出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無論是拱頂沉降還是周邊收斂，二者對應(yīng)的警戒值都為20 mm，相比之下仰拱隆起的警戒值則為25 mm。

圖1 CRD工法隧道洞內(nèi)監(jiān)測點布置示意

4 降雨對拱頂沉降的影響

當(dāng)發(fā)生持續(xù)性降雨時，會對拱頂沉降帶來嚴(yán)重影響，加之區(qū)域內(nèi)的土質(zhì)條件較差，會進(jìn)一步降低土體的強(qiáng)度，一旦初支結(jié)構(gòu)的承載力達(dá)到了極限水平，便會引發(fā)支護(hù)失穩(wěn)現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)拱頂沉降具有突變特性[4]。

受降雨天氣的影響，可以發(fā)現(xiàn)K79+907，K790+912這兩個區(qū)域所帶來的拱頂沉降速率并未發(fā)生明顯的減緩現(xiàn)象，對于K79+917處而言，可以發(fā)現(xiàn)其沉降速率在2018年3月5日發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)變，此時表現(xiàn)出明顯增加的趨勢，此外K79+922在監(jiān)測布置點當(dāng)天便發(fā)生了極為明顯的突變現(xiàn)象，幅度達(dá)到了67.27 mm。之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，其原因有如下幾點：①上部區(qū)域主要以雜填土為主，對應(yīng)的滲透系數(shù)較大，當(dāng)發(fā)生降雨現(xiàn)象后極容易致使雨水滲入到土體之中，伴隨著長時間的積累，便會出現(xiàn)超載問題；②受連續(xù)降雨的影響，洞內(nèi)的滲水量持續(xù)增加，進(jìn)而削弱了土體的強(qiáng)度。

K80+132～+141區(qū)域內(nèi)在2018年11月17以及18日這兩天出現(xiàn)了強(qiáng)烈的降雨天氣，受此影響K80+132～+141段隨之產(chǎn)生了突變問題，且幅度達(dá)到了146.01 mm。對該現(xiàn)象進(jìn)行分析，得知有幾點原因：②開挖土層為典型的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，而上部則以雜填土為主，伴隨著降雨量的持續(xù)增加，上部土體會出現(xiàn)明顯的雨水滲入問題，從而增加了上覆荷載，整個初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的壓力進(jìn)一步增加；②受雨水滲流力的影響，也會加大初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力；③經(jīng)一段時間后雨水便會進(jìn)入到強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖之中，進(jìn)一步出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，此時彈性模量進(jìn)一步減小，整個土體的強(qiáng)度受到嚴(yán)重影響。

應(yīng)當(dāng)明確的是，一旦拱頂沉降出現(xiàn)突變問題，可發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)會存在較為嚴(yán)重的滲水現(xiàn)象，且積水量會持續(xù)增加。對此，需加大力度做好對隧道變形的監(jiān)測工作，在條件允許的情況下還可設(shè)置一個降水井，削減初期支護(hù)所受到的壓力[5]。

5 施工工法及土質(zhì)對拱頂沉降的影響

(1)使用CRD工法后，經(jīng)檢測后得知拱頂沉降介于140～160 mm范圍內(nèi)。

(2)受掌子面下方粘性土碎石層的影響，此時拱頂沉降現(xiàn)象得到控制，即介于110～120 mm之間。

(3)如果掌子面上部的地質(zhì)持續(xù)發(fā)生變化，當(dāng)含有大量的黏性碎石層時，沉降將介于70～80 mm范圍內(nèi)。

(4)如果掌子面上幾乎不存在任何淤泥質(zhì)黏土，經(jīng)檢測后得知沉降將介于20～30 mm范圍內(nèi)。

基于上述結(jié)果可得知，在整個隧道開挖施工過程中，伴隨著土體強(qiáng)度的變化，對應(yīng)的拱頂沉降也隨之發(fā)生變化。

當(dāng)采用四臺階法施工后，拱頂沉降會進(jìn)一步增加，達(dá)到130～180 mm；如果采取上臺階中隔壁法，此時拱頂沉降得到了一定程度的控制，介于100～120 mm區(qū)間。

基于上述分析，在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行開挖作業(yè)，CDR工法最具可行性，它可以有效控制拱頂沉降現(xiàn)象，但所需的時間較長；四臺階法具有操作簡便的特點，但沉降量卻明顯偏大。對此，最佳方法是上臺階中隔壁法，它能夠兼具上述優(yōu)點。

6 結(jié)語

本文圍繞軟土地區(qū)淺埋暗挖大斷面隧道拱頂沉降展開探討，推出上臺階中隔壁法，施工效果良好，隧道整體穩(wěn)定性較佳，具有較高的可行性。