卵石混合地層淺埋隧道施工新技術

摘要：文章以某隧道穿越卵石混合地層為例，為解決該隧道施工過程中存在開挖嚴重、錨桿穿深困難、巖塊連續下落等問題，提出了一種三臺階互補循環開挖方法，取代原有的CD法和CRD法，并優化了支護體系。結果表明，該方法減小了圍巖擾動，提高了施工過程的安全性和結構的可靠性。新的開挖方法和優化的支護體系可以填補卵石混合層隧道設計與施工的空白，為今后此類隧道的施工提供參考。

關鍵詞：卵石混合地層；淺埋隧道；圍巖；三臺階互補循環開挖；支護

中圖分類號：U455.4

0 引言

卵石混合地層作為一種典型的顆粒體介質，存在著易坍塌失穩、大斷面隧道開挖難有效支護等問題。本文以某隧道穿越卵石混合地層為例，采用實地調查的方法，對卵石混合層隧道施工技術進行研究。由于該隧道圍巖整體變形很小，圍巖壓力分布小，松散壓力占主導地位，二次襯砌安全儲備大。圍巖的變形過程主要集中在施工階段。在施工過程中，存在過開挖嚴重、錨桿穿深困難、巖塊連續下落等問題。因此本文提出了一種三臺階互補循環開挖方法，取代原有的CD法和CRD法。結果表明，該方法減小了圍巖擾動，提高了施工過程的安全性和結構的可靠性。新的開挖方法和優化的支護體系可以填補卵石混合層隧道設計與施工的空白，為今后此類隧道的施工提供參考。

1 工程概況

某隧道施工是一級公路的一部分，全長500多米，設計車速為80 km/h，采用雙孔分離式、單孔雙車道標準。整個隧道較淺，暗開挖段深7～33 m。隧道位于泥陽河東側二級地面上，穿過泥陽河三級階地和泥石流堆積區，地形起伏較大。開挖區域巖體處于致密狀態，圍巖為Ⅴ級。隧道主要位于密實BCM地層中，上部為中密實BCM地層覆蓋。這些場地主要由礫石組成，卵石占比gt;40%，礫石占比gt;60%，總體含量在60%～80%。因此，該場地屬于礫石土和鵝卵石土的混合場地，定義為BCM地層。

2 施工難點

隧道施工區域地形陡峭。左線實際開挖長度為300 m，右線實際開挖長度為328 m。采用原設計的隧道施工方法，發現錨桿鉆孔長度短，發生扭轉斷裂，錨桿插入過程會使圍巖更加松散，難以發揮錨固作用［1］。且由于錨桿端部劇烈擺動，造成大面積碎石掉落，對初始支護鋼筋網造成破壞，嚴重影響圍巖穩定性，需進行處理。而且，在過度開挖嚴重的情況下，整個臨時圍護結構失去了均勻受壓的優勢，圍巖不能得到有效的穩定［2］。針對現場存在的上述問題，應優化施工方法，包括開挖方法和支護體系。因此，設定ZK4357+857～ZK4357+900和ZK4358+200～ZK4358+282施工段采用原設計施工法；ZK4357+900～ZK4357+982和ZK4358+110～ZK4358+200施工段采用優化施工法。右線實際開挖長度為328 m，其中YK4357+850～YK4357+910和YK4358+210～YK4358+280施工段采用原設計施工法；ZK4357+910～ZK4358+003和ZK4358+105～ZK4358+210施工段采用優化施工法。

3 施工方法優化

3.1 三臺階互補環形開挖

三臺階互補環形開挖法具有施工方便、工期短、干擾小等優點。通過對三臺階開挖法的改進，不僅可以降低成本，而且可以加快施工速度和結構關閉時間。所謂的互補循環開挖方法的特點是鎖錨和拱腳回填的互補優勢，以及不同開挖步驟中礦渣回填的交替循環。施工步驟如下。

上臺階弧導坑采用鋼框架施工，進尺0.5 m，預留中部核心土，以核心土為施工平臺進行支護作業。核心土縱向寬度為2 m。除去核心土后，將臺階中間部分向下開挖，槽寬為3.5 m，以便挖掘機移動到此位置進行超前開挖。從槽頂到上臺階的最長距離約為5 m，常規挖掘機臂長接近6 m。在本設計的開挖進尺下，可以實現弧導坑前拱腳位置的開挖作業，充分發揮現場機械的基本性能。支護完成后，返回前部分開挖，并將開挖的礫石回填到部分拱腳?；靥钋?，確認部分支護具有一定強度，回填高度約為1.7 m，可穩定拱腳開挖部分及相應的支護作業，支護作業完成后，將礫石回填至拱腳相同高度。

隧道原設計是在兩側墻內插入直徑為25 mm的自進式錨桿，但由于錨桿的貫入深度不夠，注漿效果不佳。且隧道最初的設計是在鋼框架的每一段拱腳處安裝兩個3 m長、直徑51 mm的自進式錨桿。根據貫入試驗結果，直徑為51 mm的錨桿無需鉆頭即可穿透平面，平均深度為1.15 m，僅為設計深度的1/3左右。結合錨桿貫入試驗結果，將超前錨桿直徑由51 mm調整為25 mm，長度由2.5 m調整為1.8 m，間距由35 cm調整至25 cm，搭接長度基本取消。在原設計中，預緊螺栓重疊在鋼架上，調整后通過鋼架預留通道進入。穿過錨桿時，施工面會受到擾動。因此，在鋼框架前方30 cm范圍內進行噴錨加固。

3.2 現場分析

施工完成后，在隧道內共設置地表沉降監測斷面22個，變形監測斷面32個。由于變形監測斷面較多，本文選取典型斷面進行分析。選取YK4357+880（880段）和出口YK4358+270（270段），作為典型斷面進行分析。兩組斷面具有代表性：第一組斷面靠近隧道入口，遠離沖溝，主要在地下水位以上，且地層濕潤，但無明顯滲漏和外流，埋深分別為17.3 m和16.1 m；第二組是靠近溝谷，其地面充滿水，可以看到明顯的滲流從開挖面和局部位置流出，積水經常發生在拱腳，埋深分別為24.1 m和26.4 m。

3.3 拱頂沉降

如圖1所示，在改進開挖施工方法后，發現隨著地層含水量和埋深的增加，沉降變形仍呈現逐漸減小的趨勢?？梢园l現，不同斷面拱頂的沉降值差異較大，兩組斷面的沉降特征存在明顯差異。第一組880段和270段有很大的相似度，第二組920段和150段有很大的相似度。前一組斷面的沉降發展特點是持續增加，開挖4～5 d后沉降發展加快，開挖18～20 d后沉降趨于穩定，不再進一步發展。同時觀察到在變形發展階段中，兩段最大沉降值分別為-24.3 mm和-28.0 mm，平均沉降值為-26.2 mm，沉降速率分別為-1.1 mm/d和-1.3 mm/d。后一組斷面在開挖5～6 d后發展迅速，開挖20～22 d后進入變形穩定階段。兩段最大沉降值分別為-13.0 mm和-14.6 mm，平均沉降值為-13.8 mm?？焖俪两惦A段的變形速率分別為-0.6 mm/d和-0.7 mm/d。

3.4 水平收斂

提取4個典型斷面的水平收斂線，得到收斂變形與開挖時間的關系如圖2所示。為了便于與拱頂沉降聯合分析，在開挖初期對各斷面的水平收斂變形進行了定時計算。從圖2可以看出，第一組斷面的水平收斂變形具有較高的相似性。中臺階開挖后，第一組斷面變形進入快速發展階段。在第11 d時，水平收斂變形生長階段較短。第18 d仰拱閉合后，水平收斂迅速進入穩定階段。880段和270段的線段1水平收斂平均為17.4 mm，水平收斂速度分別為0.9 mm/d和1.1 mm/d，線段2的最大水平收斂速度分別為7.2 mm和10.3 mm。2號線水平收斂速度分別為0.8 mm/d和1.2 mm/d。水平收斂值雖小，但變形量和變形速率與直線1相同。第二組剖面920段和剖面150段的水平收斂變形模式略有不同。150段在早期增長更快，在后期增長較慢。920段在24 d左右趨于穩定，其早期變形緩慢而穩定。兩斷面的最大變形值分別為10.2 mm和9.4 mm；平均收斂值為9.8 mm，處于快速發展階段。水平收斂速率分別為0.5 mm/d和0.5 mm/d。第二段的平均水平收斂變形量是第一段的56.3%，水平收斂速度約為第一段的50%。無論是收斂變形還是沉降變形，卵石地基的變形都很小［3-4］，原設計中預留15 cm的變形明顯是多余的。第二段圍巖狀況明顯劣于第一段，但第二段變形優于第一段，這主要是由于開挖和施工方法的優化。

3.5 拉拔試驗

在該施工地層中，自進式錨桿是施工中常用的一種。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）［5］，卵石地層摩阻力標準值為400 kPa。在無咬合力的作用下，計算得出1.5 m長度范圍內的錨桿拉拔力為47.1 kN，約等于50 kN的設計拉力。利用MSL-200型拉拔儀進行了錨桿貫入試驗的破壞性拉拔試驗，最大負載值為100 kN。貫入試驗后，選擇7個直徑25 mm、角度合適、端部無損傷的螺栓進行拉拔試驗。在沒有灌漿的情況下，噴射混凝土完成后3 d進行拉拔試驗。試驗獲得的拉力數據如表1所示。結果表明，當錨桿受極限拉力作用時［6］，拉力在一定的拉力值下會迅速減小，并迅速穩定。分析表明，混凝土的粘結力和圍巖的摩擦力能夠平衡初始拉拔力，從而對錨桿產生影響。當拉力作用達到極限時，錨桿與圍巖的界面出現相對位錯，摩擦力瞬間減小，混凝土與錨固的粘結力承受殘余荷載。因此，采用20 kN的邊界力修正極限拉拔力。結果表明，3根錨桿的平均長度為1.32 m，理論反向拔出阻力為41.5 kN，實際平均拉拔阻力約為55.2 kN，但在沒有鉆頭的情況下，平均長度為1.76 m的四根錨桿的理論反向拔出阻力為55.3 kN，實際平均拉拔阻力gt;74.7 kN。

3.6 地腳螺栓軸向力試驗

從圖3中可以看出，不同位置地腳螺栓的軸向力分布不同。上臺階地腳螺栓受拉，中、下臺階受壓，上臺階張力絕對值遠大于中、下臺階壓強絕對值。分析表明，上臺階拱腳的地腳螺栓接近水平，承受較大的豎向荷載。上臺階的拉力主要由端部受頂荷載彎曲引起，安裝中、下段時，地腳螺栓和水平線的角度為30°～50°，豎向壓力效應較明顯時，整個臺階承受壓應力。871段截面的最大抗拉強度為-14.8 kN，低于螺栓屈服強度的10%，壓縮應力更小。結合以往拉拔試驗的結果，卵石混合地層對螺栓具有很強的粘結力和包裹作用。事實上，鋼框架在施工階段也是由較低的臺階支撐的，其應力受彎矩、豎向荷載和水平荷載的影響，軸向力的試驗值不易評價。但是，從底部加固螺栓的分布情況可以看出，隨著螺栓數量的增加，螺栓軸向力的絕對值減小。871段中的4#螺栓和918段中的6#螺栓發生錨固失效，因此有必要增加螺栓的數量。螺栓軸向力隨安裝時間的變化如圖3所示。在這兩個斷面中，可以看出上部臺階的錨固力受下部臺階的影響，開挖后錨固力迅速增大，中部臺階施工完成后進入穩態，基本不增大。施工完成后7 d后，中、下臺階螺栓進入穩態，混凝土強度基本形成，支座之間縱向約束基本相等，所以不會改變。

4 結語

本文針對選取的兩組典型斷面，采用三臺階互補循環開挖法，拱頂平均沉降量由26.2 mm減小到13.8 mm，水平收斂線1的平均水平收斂值由17.4 mm減小至9.8 mm。錨桿拉拔試驗表明，直徑為25 mm的錨桿有鉆頭時的抗拔阻力為55.2 kN，無鉆頭時的平均拉拔阻力gt;74.7 kN。不帶鉆頭的螺栓一般要比帶鉆的大。隨著足底加強錨桿數量的增加，錨桿的應力趨于減小，從而增加了拱腳的約束力和安全儲備。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-16

作者簡介：母茂村（1993—），工程師，主要從事公路工程建設工作。