濕陷性黃土地區(qū)超小凈距隧道超前支護分析

引言

為了降低隧道洞口處的施工風險，可以采用超前小導管、導管預注漿和大管棚、水平旋噴樁等超前加固措施。對于濕陷性黃土隧道，應(yīng)采用三維模型優(yōu)化加固參數(shù)，綜合超長管棚施工工藝、鉆機應(yīng)用、泥漿配制等技術(shù)確定施工技術(shù)，提高加固之后的巖土體彈性模量可以減少地層位移，從而控制地層沉降，優(yōu)化施工參數(shù)與加固方案。

2 工程概況與超前支護方案編制

某隧道屬于分離式長隧道，周圍緊鄰黃河特大橋，為了解決隧道與大橋間的布線問題，本次隧道施工計劃根據(jù)項目地質(zhì)環(huán)境實施“分離式-小凈距”施工方案。隧道的出口段處于紅沖黃土，土壤呈黃褐色，比較濕潤，土質(zhì)不夠均勻，土壤中含有細砂薄層。在濕陷性黃土地區(qū)進行隧道工程施工，施工難度較大，有必要做好超前支護施工。按照隧道位置關(guān)系和隧道的圍巖性質(zhì)，結(jié)合地質(zhì)條件與以往的施工經(jīng)驗，依靠計算機技術(shù)使用GTS-NX有限元分析軟件，對30m縱向管棚支護與水平旋噴支護管棚、水平旋噴樁支護方式展開數(shù)據(jù)分析，為接下來超前支護方案的編制提供參考依據(jù)。完成超前支護后，應(yīng)用弧形導坑的方法在超小凈距隧道的左右洞預留并開挖臺階，每開挖1m左右就要做好襯砌結(jié)構(gòu)的時候，以雙層初步支護與模筑襯砌結(jié)構(gòu)相結(jié)合，參考地質(zhì)勘察實驗報告和巖土規(guī)范，了解各項參數(shù)，遵循剛度等效原則加固濕陷性黃土土體[1]。

黃土彈性模量為200×103kN·m-2，材料容量為16kN·m-3，黏聚力為20kN·m-2，內(nèi)摩擦角為25°。在土體加固中，管棚加固土規(guī)格為0.2m，彈性模量為7.6×105kN·m-2，材料容量為20kN·m-3，黏聚力為300kN·m-2，內(nèi)摩擦角為30°;水平旋噴樁彈性模量為2×106kN·m-2，材料容量為21.5kN·m-3，黏聚力為9×102kN·m-2，內(nèi)摩擦角為38°。地層寬度和隧道埋深分別為60m和54m，隧道縱向長度有30m，超前支護長度有20m。模擬隧道上臺階開挖到15m的位置，最大豎向沉降主要體現(xiàn)在距離掌子面的1m，管棚施工方案的數(shù)值比較大，可達到7.66cm;管棚與水平旋噴樁施工方案的豎向沉降值比較小，只有4.97cm。經(jīng)分析，本文針對濕陷性黃土地區(qū)的隧道施工決定采用大管棚配合水平旋噴樁的施工方案，利用超前支護方法提高隧道結(jié)構(gòu)的支護效果。

3 濕陷性黃土地區(qū)超小凈距隧道超前支護技術(shù)分析

3.1 測量放線與鉆孔作業(yè)

施工前應(yīng)做好相應(yīng)準備工作，對鉆孔位置精準放線，做好相應(yīng)標記，保證后期鉆孔施工與復核作業(yè)順利進行。測量放線作業(yè)的關(guān)鍵在于確定超前小導管的中心與距離，保證數(shù)據(jù)準確。鉆孔施工作業(yè)前，應(yīng)定為鉆機，保證定位準確，核實鉆孔，確定鉆頭的位置，采用掛線和全站儀相結(jié)合的方法施工，使用直徑大小合適的鉆頭，保證超前小導管順利安裝。對于濕陷性黃土地區(qū)或圍巖不穩(wěn)定地段，鉆進時可能會出現(xiàn)卡鉆或者塌孔等現(xiàn)象。因此，施工人員需要先注漿，對圍巖臨時加固，隨后再繼續(xù)鉆孔。以低鉆低速風壓進行鉆機開鉆，確定鉆孔位置后結(jié)合黃土地區(qū)地質(zhì)情況，調(diào)整鉆進速度與風壓，使用測斜儀測量鉆孔方向，準確判斷成孔質(zhì)量，鉆孔完成后及時進行清孔工作。

3.2 超前小導管施工

小導管施工前應(yīng)清理好表面的雜物，使用鉆機加工注漿孔，要求注漿孔的間距保持在0.3m左右，且注漿孔呈梅花形狀。注漿后及時清除鐵屑和雜質(zhì)，磨平注漿孔。搬運導管時應(yīng)輕拿輕放，且保護好小導管，出現(xiàn)變形問題時應(yīng)重新加工小導管，直到其再次垂直。安裝前應(yīng)查看鉆孔質(zhì)量，經(jīng)過壓水試驗后在展開注漿作業(yè)。提前用拌和桶配置水泥漿。每次注漿可以同時使用5根導管，按照從下到上的順序注漿，注漿前安裝止?jié){環(huán)，保證止?jié){環(huán)密封性。在超前小導管處設(shè)置排氣孔，注漿時如果出現(xiàn)串漿現(xiàn)象，應(yīng)及時拿出封堵的雜物;如果注漿壓力突然增加，這與導管堵塞有關(guān)，建議停止注漿作業(yè)，并做好檢查工作;如果注漿時堵管，可以敲擊或者滾動鋼管，保證漿液在管中順暢流動，必要時可進行補管操作。注漿時如果孔中的漿液量過大，或者壓力無法升高，建議按照漿液的濃度與配合比情況做出適當調(diào)整，縮短膠凝時間，采用小蹦量，以低壓方式注漿，為凝膠奠定基礎(chǔ)。注漿時壓力會不斷增加，導致泵壓也不斷加大，要求施工人員觀察壓力變化情況，當實際壓力值與設(shè)計壓力值相互符合時，在終壓的20分鐘后停止注漿操作，這時應(yīng)及時卸載注漿系統(tǒng)與注漿混合器，清理裝置。對漿液固結(jié)與滲透情況做好開挖檢查，詳細分析壓力漿量曲線，以便及時進行補漿作業(yè)。

3.3 管棚配合水平旋噴樁支護

在隧道的拱頂位置120°范圍內(nèi)插入30m長的管棚，以大管棚作為旋噴樁臨時支護設(shè)施。在隧道起拱線以上的位置設(shè)置水平旋噴樁，可設(shè)置兩層，旋噴樁長度20m，直徑為60cm即可，要求旋噴樁的中心間距控制在50cm左右，呈咬合布置。使用搖臂鉆機，鉆桿每節(jié)長度在3m左右，旋噴鉆頭的外徑是8cm，頂部有兩個噴射頭，開孔孔徑是2mm。使用水泥漿液完成注漿，將水灰比控制在0.8即可，注漿壓力保持在45MPa，按照每分鐘10r的速度控制鉆桿轉(zhuǎn)速，后退速度是每8秒5cm，水泥漿液的流量是每分鐘250L。施工時應(yīng)按照先從周邊再從中間、先從下部再從拱部的位置順序成樁，鉆進時應(yīng)觀察搖臂鉆機的實際應(yīng)用情況，盡可能的將鉆孔外插角的偏差保持在1%以下[2]。

3.4 施工現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

大管棚與水平旋噴樁應(yīng)用下的隧道超前支護方案可以防止施工時出現(xiàn)管棚支護抗彎剛度低的問題。和傳統(tǒng)的水平旋噴支護方案相比，在旋噴樁中增加管棚可以讓超前支護強度有所提升，且水平旋噴樁可以固化超小凈距濕陷性黃土隧道內(nèi)的夾土柱，優(yōu)化相應(yīng)力學指標，防止后續(xù)施工對隧道的襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響?，F(xiàn)場施工中，隧道明暗交界位置的襯砌外緣凈距最小只有0.64m，采用以上施工方法后沒有發(fā)生支護變形或者開裂的現(xiàn)象，且地表構(gòu)筑物和天然氣管道沒有開裂或泄露。對濕陷性黃土地區(qū)進行隧道超前支護施工后，初步支護沒有明顯的變形和開裂現(xiàn)象，且襯砌結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較高，可以承載來自上方土體與隧道內(nèi)的交通荷載，施工效果良好，已經(jīng)達到預期設(shè)想。

4 總結(jié)

總而言之，針對濕陷性黃土地區(qū)地質(zhì)條件的隧道進行施工，了解超小凈距施工段的圍巖實際情況，做好沉降控制，采用大管棚與水平旋噴樁超前支護施工方案，提高施工效果。該施工方案可以控制因隧道開挖而產(chǎn)生的地表沉降，保障構(gòu)筑物安全可靠，施工后隧道洞口超小凈距段只有0.64m，超前支護效果良好，可用于其他工程施工。