風積沙圍巖淺埋暗挖隧道施工技術

1、風積沙圍巖淺埋暗挖隧道施工技術史寶童1，肖均2（1. 中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075；2. 陜西榆林榆神高速公路有限公司，陜西 榆林 719000）摘要：針對風積沙地層顆粒單一、級配不良、粘聚力低、穩(wěn)定性差的特點，結合榆神高速神木一號隧道工程，通過對不同施工方案的比較分析，介紹了水平旋噴樁和三臺階臨時仰拱法在大跨度風積沙隧道施工中的應用。經(jīng)施工開挖檢驗水平旋噴樁完整性好，咬合度高，單軸抗壓強度達11 Mpa；三臺階臨時仰拱法分部開挖面積小，利于及時支護，施工體系轉換靈活，可有效控制圍巖變形。關鍵詞：三臺階；臨時仰拱；風積沙地層；淺埋暗挖Construction T

2、echnology of Aeolian Sand Tunnel with Shallow Tunnel MethodSHI Bao-tong1, XIAO Jun2(1-CCCC First Highway Consultant Co.,LTD,Xi an,shanxi 710075;2- Shanxi Yulin Yu-Shen expressway Co.,LTD,Yu lin,shanxi 719000)Abstract:Aiming at the single particles, bad gradation, poor cohesion and stability of aeoli

3、an sand formation, based on ShenMu No.1 tunneling engineering project, the application of horizontal rotary jet grouting piles, three bench method and setting temporary invert method in aeolian sand tunnel with large span has been introduced by comparing different construction schemes.The constructi

4、on and excavation has proved that horizontal rotary jet grouting piles is in good condition of integrity and galled extent, meanwhile the uniaxial compression strength reachs up to 11Mpa. Three bench method and setting temporary invert method is beneficial to support timely, and makes it easy to red

5、uce excavation area, switch construction system and control the deformation of surrounding rock effectively.Keyword:Three bench method;Temporary invert;Aeolian sand formation;shallow tunnel construction1 工程概況榆神高速神木一號隧道左線ZK90+870ZK91+360長490m、右線K90+870K91+325長455m，是榆林至神木高速公路的關鍵控制工程，設計時速80km/h。該隧道位于神木

6、西沙開發(fā)區(qū)西側，隧道大致呈東北西南方向展布，橫穿沙丘與水磨河大橋相接。項目所在區(qū)地處黃土高原向草原荒漠的過渡地帶，以長城為界，西北部屬以風蝕為主的風砂草灘地形地貌，東南部為黃土溝壑區(qū)地貌。總體地勢西北高東南低，海拔在7381448m之間。地表主要為固定沙丘、半固定沙丘和平緩沙丘，下部出露砂巖、頁巖和泥巖、夾煤層等。2 工程及水文地質根據(jù)地面調(diào)查、鉆探、物探勘察成果顯示，隧址區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)風積沙（Q4eol）及上更新統(tǒng)風積黃土（Q3eol），下伏三疊紀瓦窯堡永平組細砂巖，產(chǎn)狀近水平，傾角小于5°。各地層根據(jù)巖性特點、成因時代及風化程度自上而下依次為：風積沙層：棕黃色，松散稍濕，主要

7、由長石、石英質細砂組成，次為粉砂和粉粒土；黃土層：淺黃色，稍濕，可塑，主要由粉粒土組成，次為粉砂，具針孔狀孔隙，垂直節(jié)理較發(fā)育；全風化強風化細砂巖：灰綠黃色，細粒結構，中厚層狀構造，泥鈣質膠結。在勘探深度范圍內(nèi)，未見到地下水。受地形條件限制神木一號隧道埋深較淺，洞頂覆蓋層大部分為風積粉細沙地層，其粒度成分以細砂(0.0750.25mm)為主，極細砂(0.010.075mm)次之，中砂(0.250.25)較少，大于0.5mm者含量極少，不均勻系數(shù)Cu=3.5，沙層重度17.165 kN/m3，變形模量21MPa，泊松比0.4，內(nèi)摩擦角27°，粘聚力極低，僅11KPa，綜合風積沙地層工程

8、地質特征，顆粒單一，凝聚力小，級配不良，壓縮性小，穩(wěn)定性差，開挖易坍塌，施工難度很大。圖1. ZK90+930地質橫斷面圖（m）Fig.1 Geologic cross section of ZK90+930（m）3 施工技術難點（1）神木一號隧道與既有線神錦大街（42m寬）近垂直相交。神錦大街起于神木縣西沙開發(fā)區(qū)西沙二路，止于錦界東黃土廟村與榆神二級公路相接，與隧道分別在K91+162.5和ZK91+163.5相交，該處隧道埋深均約27m，地處風積沙地層，采用淺埋暗挖法施工可能對既有線造成不利影響，施工中應嚴格控制初期支護拱頂下沉變形，密切監(jiān)視地表沉降，確保車輛通行安全。（2）風積沙圍巖具有

9、顆粒單一，凝聚力小，抗剪強度相對較低的工程地質特征1，自穩(wěn)能力差，開挖極易坍塌，而神木一號隧道內(nèi)輪廓凈寬12.44m，凈高8.89m，開挖面積達90.14m2，與同類兩車道隧道相比開挖面積增大了13%，這就更增加了施工的難度，洞室開挖時必須采取強支護措施來保證施工安全。（3）淺埋暗挖隧道施工工序多，相應初期支護結構接頭截面也較多，因此必須處理好初期支護形成過程中受力體系轉換所帶來的不利影響，保證鋼拱架焊接質量和初支結構的穩(wěn)定性，防止地表沉降過大，影響既有線通車安全。4 風積沙地層圍巖壓力分析自上個世紀50年代以來，新奧法在山嶺隧道及地下工程領域中得到了廣泛應用2。它利用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)

10、等柔性支護手段，根據(jù)圍巖監(jiān)測結果適時支護，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力為目的，是一種把設計、施工和監(jiān)測相結合的科學的隧道建造方法。新奧法的核心就是根據(jù)圍巖的性質允許圍巖有一定的變形，以減少作用在支護結構上的圍巖壓力，提高工作效率和經(jīng)濟效益3。而風積沙地層與一般巖石地層不同，其圍巖自穩(wěn)時間極短，開挖后若不支護會立即坍塌，根據(jù)地層特征曲線支護阻力與圍巖位移的關系，若圍巖自穩(wěn)時間比支護施工時間短，支護結構要承受較大松散圍巖壓力，在這種地層中適時的支護時間已沒有意義，必須采用合理的預加固措施，提前加固風積沙層，增強圍巖穩(wěn)定性，且開挖后立即支護，才能保證施工安全。5 施工方案對比隧道施工中，開挖方法是影響

11、圍巖穩(wěn)定的重要因素之一、因此，在選擇開挖方法時，應對隧道斷面大小及形狀、圍巖的工程地質水文地質條件、支護條件、工期要求、機械配備能力、經(jīng)濟造價等相關因素進行綜合分析，采用適宜的開挖方法。目前我國淺埋暗挖隧道施工多采用臺階預留核心土法、雙側壁導坑法，城市軌道交通中多采用CRD法等。（1）雙側壁導坑法4、CRD法5 雙側壁導坑法（見圖2）、CRD法（見圖3）在控制地表沉降方面有顯著效果，但施工工序復雜，限制了大型機械的使用，工作效率低，工藝轉換難度大，施工進度緩慢，造價高，大量的拆除工作限制了二襯的跟進時間，風積沙圍巖自穩(wěn)能力差，松散圍巖壓力較一般隧道大的多，二襯是主要承載體，其跟進的快慢是保證施

12、工成敗的關鍵因素。（2）臺階留核心土法該方法（見圖4）是前期神木一號隧道施工中采用的方法，但根據(jù)現(xiàn)場施工情況來看，當挖到第二臺階時，即洞身最大跨度處因初期支護不能封閉成環(huán)，拱頂沉降較大，鋼拱架變形嚴重，初噴混凝土出現(xiàn)多條裂縫，隨著第三、第四臺階的開挖，臨空面的增大，局部拱腳變形侵占了隧道凈空，不得不進行換拱處理。圖2. 雙側壁導坑法 圖3. CRD法 圖4. 四臺階留核心土法 Fig.2 Both side drift method Fig.3 Center cross diagram method Fig.4 Four bench method reserved core soil （3）三

13、臺階臨時仰拱法為克服上述不足，控制拱頂變形，保證初期支護的穩(wěn)定性，施工改采用三臺階臨時仰拱法，將整個洞身斷面分為三個臺階，在第二臺階設臨時仰拱，封閉初期支護，并根據(jù)監(jiān)控量測資料，適當增加臨時豎撐控制初期支護拱頂下沉，成功穿越了風積沙段，保證了工程質量，取得了良好的技術經(jīng)濟效益。6 施工工藝要點6.1 水平旋噴樁超前預支護風積沙圍巖，粘聚力低，自穩(wěn)時間極短，天然狀態(tài)下根本無法開挖，必須采用超前預支護體系深層加固沙層，為后續(xù)工作的安全施工提供足夠的空間和時間。經(jīng)現(xiàn)場實踐對比，超前小導管和超前大管棚固沙效果較差，施工開挖露沙現(xiàn)象嚴重，而水平旋噴樁以其獨特的加固攪拌方式取得了良好的固沙效果。水平旋噴樁

14、預支護是在洞內(nèi)開挖面的前方，沿開挖輪廓利用水平旋噴機按間距距35cm、長30m鉆孔，鉆至設計深度后，采用高壓泵輸送高壓漿液，鉆頭邊旋轉邊后退，漿液從鉆頭處的噴嘴中高速射出，射流切割下的沙體與漿液在射流的攪拌作用下混合，最后凝固成直徑大于50cm旋噴柱體。環(huán)向相鄰柱體之間相互咬合15cm，在開挖面上方形成整體性較好的旋噴拱，具有較好的抗壓抗彎性能，固結體周圍沙層的物理力學性能也有顯著改善6。開挖后預支護拱就會立即發(fā)揮作用，抑制圍巖變形，承擔沙層壓力，保證洞室穩(wěn)定，防止漏沙、坍塌。水平旋噴樁的施工工序主要分為四個步驟：平整工作平臺，鉆孔定位，場地要求平整硬化，設備安裝好后，按設計圖紙要求調(diào)整鉆機角

15、度、方位，對準孔位；漿液護壁，一次成孔，每鉆進4m要使用水平導向儀測量一次，一旦發(fā)現(xiàn)偏斜要及時進行糾偏，直到鉆至設計深度；高壓旋噴，加固沙體，按照“先兩側，后底部”順序進行旋噴施工，周邊每次間隔1個孔位從下到上，左、右交替(雙排或者多排)進行；噴漿至孔口掌子面0.50m時，應停止旋噴，缷下孔口管最外端的密封裝置，關閉循環(huán)液排出口，快速拔出鉆桿和鉆頭。6.2 三臺階臨時仰拱法施工神木一號隧道風積沙段圍巖采用三臺階臨時仰拱法開挖，具體施工順序見圖5。 圖5. 三臺階臨時仰拱法施工方案示意圖（cm）Fig.5 Construction scheme of three bench and settin

16、g temporary invert（cm）(1) 上臺階施工。上臺階需在超前支護體系達到設計強度后施工，開挖高度2.5m，人工配合小型機械施工。施工進尺50cm，每開挖一個循環(huán)，立即素噴5cm厚C25早強混凝土，封閉開挖面，安裝I22a工字鋼拱架，并采用32鎖腳鋼管鎖緊鋼拱架，每側拱腳設2根，長度不小于3.0m。每兩榀鋼拱架間采用22縱向連接鋼筋連成整體，環(huán)向間距1.0m，后掛8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)眼間距15cm，預留1個網(wǎng)眼尺寸與下一循環(huán)焊接。上臺階施工兩側始終錯開，保證同一斷面鋼拱架在拱腳處暴露的開挖面僅限于一側。開挖進尺應穿過掌子面潛在滑移面，控制在510m之間。(2) 中臺階施工。上臺階開挖

17、到設計深度后停止施工，噴混凝土封閉掌子面或采用沙袋堆砌。中臺階施工先開挖兩側土體，預留中間核心土高2.8m，寬4.5m，兩側始終錯開，保證同一斷面鋼拱架交錯落底。邊墻每次進尺50cm，開挖后及時鋪設鋼筋網(wǎng)并采用素噴混凝土封閉開挖面，后迅速施做鋼架、注漿導管等初期支護。需特別注意上中臺階接茬處，應采用連接鋼板和高強螺栓連接，必要時進行三面騎縫焊接。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料顯示，在中臺階開挖過程中，初期支護拱頂沉降量會迅速增大，這主要是因為邊墻開挖時上臺階拱腳會出現(xiàn)臨時懸空現(xiàn)象，為此，在上下級臺階的接頭部位，每兩環(huán)鋼拱架之間增加25a槽鋼，作為縱向托梁（見圖6），以增加型鋼拱架的受力面積，增強其受力的整體

18、性。中臺階開挖跨度大是承上啟下的關鍵步驟，待核心土留置35m長時逐步清除，增設I18臨時仰拱，縱向間距50cm，兩端與主洞鋼拱架焊接牢靠，并應根據(jù)監(jiān)控量測結果及時增設豎撐，控制拱頂變形。圖6. 槽鋼縱向托梁連接示意圖Fig.6 Connection of channel steel as lengthwise joist (3) 下臺階施工在中臺階進尺5m長度后，停止開挖，噴混凝土封閉掌子面，開挖下臺階土體。下臺階采用掏槽法施工，在滿足操作空間的前提下，邊墻開挖寬度盡可能窄，以0.81.0m為宜，預留核心土。鋼拱架落底時，應增設槽鋼或混凝土墊塊，必要時加固底部沙土，提高地基承載力，防止拱架整體

19、下沉。(4) 仰拱施工側墻初期支護施工完成后，要及時左右錯位跳挖仰拱，每次循環(huán)進尺100cm，施工2榀鋼拱架，底部拱架與邊墻拱架接頭部位采用高強螺栓連接。一般仰拱中部拱架對接時易出現(xiàn)誤差，可在加工時較設計尺寸多留30cm，在滿足隧道邊墻部位凈寬、仰拱厚度及隧底開挖標高的前提下，根據(jù)實際需要用氧焊切割機切除多余部分，再對接焊牢。拱架安裝好后應及時噴射混凝土封閉覆蓋，使初期支護盡早閉合成環(huán)，形成穩(wěn)定的受力體系。 (5) 二襯施工風積沙地層結構松散圍巖壓力較大，初期支護不足以承擔全部地層壓力，必須盡早施做二次襯砌，防止初期支護因較大變形而開裂剝落。一般情況下二襯模筑長度810m，是施工中根據(jù)初支收斂

20、變形情況，一次拆除臨時仰拱長度控制在56m，模筑二襯5m左右，雖人為增加了施工縫道數(shù)，但極大的縮短了二襯跟進的時間，有效抑制了圍巖變形。6.3 施工效果分析本工程自2009年3月份開始以水平旋噴樁為超期預支護結構，隧道主體采用三臺階臨時仰拱法施工，并根據(jù)洞室拱頂和拱腳變形收斂情況適時增設臨時豎撐，僅6個月時間左線隧道已經(jīng)貫通，右線隧道也即將貫通。施工中為了解圍巖變形特征，確定二襯跟進時間，沿隧道縱向按510m間距布置了洞周收斂量測斷面，圖7、圖8為K91+240量測斷面拱頂下沉和凈空收斂時間曲線，從圖中可以看出該斷面在開挖后第28天圍巖變形趨于穩(wěn)定，拱頂最終沉降值10.1cm，凈空收斂值3.1

21、cm，說明三臺階臨時仰拱法配合水平旋噴樁超前預支護在加固沙體、抑制圍巖變形方面發(fā)揮了較好效果。 圖7.K91+240拱頂下沉時間曲線 圖8.K91+240凈空收斂時間曲線Fig.7 The time curve of arch crown   Fig.8 The time curve of clearance settlement in K91+240  convergence in K91+2407 總結風積沙圍巖

22、自穩(wěn)能力差，易受施工擾動，洞室收斂變形速度快，若支護不及時極易塌方。在這種地層中施工，有效的超前支護措施是決定隧道能否開挖的前提，及時的初期支護是施工安全的有力保證，二次襯砌的施做時間是控制圍巖變形的關鍵因素。施工中應堅持“快挖、快支、快封閉”的原則，步步為營，隨挖隨支，二襯緊跟，施工結構體系轉換緊湊，銜接緊密，才能及時控制圍巖變形，保障洞室穩(wěn)定。參考文獻References1任倉鈺.風積砂工程地質特征J.巖土工程技術.2002(3):156157REN Cang-yu.The Engineering Geological Feature of Sand in Desert RegionJ.Geotechnical Engineering Technique,2002(3):1561572于書翰,杜謨遠.隧道施工M .北京:人民交通出版社,1999:13YU Shu-han,DU Mo-yuan. Tunnel ConstructionM.Beijing:China Communications Press,1999:133徐世東.新奧法在宛坪高速公路雙聯(lián)拱隧道中的應用J.施工技術,2008, 37:258-259XU Shi-dong.New Austrian Application of Double-arch Tunne