1、高含水量软弱粘土隧道的施工方案梁巍（中交第二公路勘察设计研究院武汉430052）摘要：丹本高速公路下马塘隧道丹东端，在较大范围内为浅埋软弱粘土围岩。在施工过程中由于围岩含水量激增，使其自稳能力大减，造成拱顶上部地表下沉，山体开裂，使已做好的17m拱部初期支护变形、开裂、下沉，使施工受阻。针对这种情况，采取严格限制施工用水，洞内采用自钻式锚杆以加固围岩，并分别采取CD法和正台阶弧型导坑分部开挖法等一系列措施，避免了隧道再次塌方。关键词：粘土；含水量；中隔墙法；自钻式锚杆1工程概况下马塘隧道位于本溪市南芬区下马塘镇与王家崴子之间，是辽宁省修建的第一条山岭重丘区丹（东）本（溪）高速公路的全线最长的一2、座隧道，为上下行分离的4车道高速公路，最大埋深约160m。左线隧道长1070m，右线隧道长1035m，建筑限界净宽105m，净高55m。丹东端进口地表为一缓坡地段，地形坡度10度左右。区内和隧道进口有关的岩土层按成因时代、岩性特征、埋藏分布条件及物理力学性质，可分为以下情况。11碎石混亚粘土层黄褐色，碎石成分为混合花岗岩、石英岩、变粒岩及少量云母片岩，粒径20mm200mm，含量占4050，块石成分为混合花岗岩，含量占1020，充填物为亚粘土及角砾；亚粘土，湿饱和，软塑硬塑状态，一般分布在约60m以下至基岩范围内。本层厚度210m280m左右，主要分布在山脚附近的缓坡上，形成坡积裙，属坡积成因3、。12全风化混合花岗岩灰黄褐色，碎裂结构，岩石多呈碎块状，地表风化呈土状。13强风化混合花岗岩黄褐色，碎裂结构，风化强烈，黑云母风化成褐色，节理发育，将岩石切割成5cm20cm的碎石状，主要分布在地表全风化混合花岗岩下。隧道工程地质纵断面见图1、图2。隧道进口于1999年9月份正式动工，施工队伍进场拉路基边槽及明洞开挖，所揭示的地质情况基本与勘察报告相符，为较破碎的全风化混合花岗岩。但明洞施工到成洞面时，地质情况则突然发生恶化，全风化混合花岗岩消失，掌子面呈现褐黄色粘土层，且土的含水量较大，施工管棚时则发现成孔困难，岩芯难以吐出，原设计的40m管棚只能钻进不到20m。鉴于掌子面的围岩情况及管棚4、施工现状，现场对原设计的初期支护作了调整，将原18工字钢钢拱架100cm一榀调整为50cm一榀，其他支护参数不变，见图3。由于施工时粘土的含水量较大，喷射混凝土不宜挂住，施工时常造成所喷上去的混凝土与黄粘土整体大面积的滑落，施工单位多次改进工艺和方法的情况下仍无法喷上，决定把喷射混凝土改为模筑C25混凝土，并要求模筑后注浆，以避免混凝土与围岩之间形成的空洞，造成工程隐患。1999年12月14号左线进口在ZK12427162884，共168m，已做好的初期支护（一次模筑混凝土）拱圈发生整体下沉。下沉量为13m07m，混凝土及钢拱架本身未变形及损坏，地底两侧粘土向中间鼓起，拱脚沉陷。洞顶地表下沉范5、围为ZK124265ZK124291，长26m，最大下沉横向宽度74m，最大下沉量8m，塌陷处隧道埋深约5m8m，拱圈以上已成为松散土体。右线初期支护（一次模筑混凝土）也发生鼓起，混凝土出现多道纵横裂缝。2事故原因分析21地质条件较差，为事故发生的主要原因。该地质粘土中粉粒及粘粒组（005mm）含量约占70，自身强度低，含水量较大。经取样试验，该段围岩液限391，塑限210，塑性指数181，液性指数0552，天然含水量31，属于软塑状态，遇水极易造成围岩强度大幅度降低。从地质构造上讲，本段前后为强风化花岗岩，渗透性较差，地表水和地下水渗透于此基本被阻隔。因此，本段可以说是一个地下水富集地带。图6、1左线工程地质纵断面示意图2右线工程地质纵断面示意图3软弱围岩地段支护示意22由于施工正值东北地区冬季即将来临之际，为了抢洞口段施工进度，以便冬季洞内可以正常施工，施工方在拉下导中槽时，未能及时排出洞内围岩涌水和施以锚杆及一次模筑混凝土的施工用水，使得围岩软化，造成拱脚承载能力急剧下降。而本段又为浅埋段，围岩压力随着时间增长迅速，更加剧了拱脚承载力的不足。事后查量测数据，发现事故前3d，拱顶位移急剧变化，多达4cm。3施工方案由于左线隧道塌陷严重，经各方讨论，决定采用洞内管棚跨越，钢架顶撑，分段拆换初期支护的措施。右线为避免初期支护的进一步下沉，采取以下紧急措施。（1）及时排除洞内施工用水，以7、防止围岩受水的浸泡后进一步软化。（2）对下导中部的深拉槽进行压实回填，以保证基础的承载力。（3）疏通地表排水沟，用粘土封闭地表裂缝，以减少地表水的下渗。（4）在洞内用型钢或圆木设置可靠的内支撑，并施以临时仰拱，以控制土体的下沉变形与破坏。（5）要求二次衬砌及时施工。由于洞室上部土体已遭到破坏，土压力应按全部覆土厚度计算，二次衬砌改为配筋混凝土结构，以提高整个支护系统的承载能力。通过上述措施的处理，基本控制了隧道初期支护的进一步下沉，开始转而研究下一步施工方案。31CD开挖法根据设计阶段的地质勘察报告，本段软弱围岩估计左线长达150m，右线长达100m，埋深只有5m30m。为稳妥起见决定采用CD8、法（即中隔墙法）开挖。CD法适用于覆盖层较薄，围岩稳定性较差，跨度较大的隧道，具有以下优点：能有效控制拱顶及地表沉降，施工安全性好，对地基承载力要求不高，适应范围相对较广。其缺点是：工序较复杂，施工进度慢，生产效率低，施工成本高。该CD法开挖步骤见图4。并作了以下要求。图4CD法开挖步骤示意（1）开挖采用人工开挖，应严格控制超欠挖，断面轮廓力求圆顺，以减少应力集中现象；（2）初期支护杜绝采用模筑混凝土，必须采用喷射混凝土，可注意调整好喷射混凝土的配合比，并可适当加密钢筋网，可在初喷3cm厚混凝土时，适当加大速凝剂用量，保证喷射混凝土能与围岩粘接在一起，复喷时再恢复到正常比例；（3）锚杆钻孔宜采9、用干式排渣的回旋式钻机，杜绝采用水钻；锚杆注浆应采用浓浆，注浆压力大于1MPa，保证注浆饱满；（4）各分部的开挖必须在邻近作业面的初期支护达到一定强度后才能进行；要求初期支护尽早封闭，中壁、横联拆除后，二次衬砌要立即跟上，以控制围岩变形和缩短围岩暴露时间；（5）施工中洞内应有完整的排水措施，严禁施工用水和地下水暴露在工作面；（6）本地段施工缝全部采用沉降缝；（7）加强围岩周边围岩位移监控量测，以监控量测结果指导施工。由于普通系统砂浆锚杆成孔困难，反复的钻孔、清孔对土体的扰动严重，用水量大，该粘土对水又十分敏感，实际施工要求采用的干式排渣的回旋式钻机无法钻进设计深度，只能达15m左右深。因此系统10、锚杆改用的是3m长自进式锚杆，以高压风冲孔排渣、注浆，避免对土体造成过多扰动。当锚杆的钻进达到设计规定的深度时，孔内的所有浮土岩屑应利用钻机的压缩空气清理干净，注浆主要采用水泥浆液，其水灰比为04055。系统锚杆采用自钻式锚杆后，具有施工快速，简便的优点，极大的缩短了支护时间。32正台阶弧型导坑分部开挖法图5正台阶弧型导坑法开挖步骤示意按CD法施工，施工单位月进尺为15m左右，十分安全但速度较慢。由于本段类似的粘土地段较长，且下马塘隧道又为全线最长的隧道，工期非常紧张，且随着天气转好，隧道掌子面仍为黄粘土，但含水量明显减小，尤其是隧道起拱线下已经变为碎石土。基于以上情况经各方讨论后同意按上下台11、阶法（正台阶弧型导坑分部法）施工，见图5。正台阶弧型导坑法适用于围岩稳定性较差，但开挖后有一定的自稳时间，跨度适中的隧道，具有以下优点：工序简单，工作面宽敞，施工进度快，生产效益高，便于大型机械设备工作。缺点是上断面拱脚要求的承载能力较CD法高，控制拱顶下沉及变形不如前者。施工时要求承包商除满足CD法的一些施工注意事项外，还作了以下要求。（1）严格安装微台阶法施工，台阶不宜超过5m，初期支护必须早封闭。（2）要认真加固拱脚，保证拱脚位于原状土上，若拱脚所处岩石破碎及软弱时，宜加临时长钢垫板。（3）边墙马口跳槽开挖必须单侧落底或双侧交错落底，避免上部断面两侧拱脚同时悬空。（4）落底长度应视围岩状12、况而定，一般采用1m3m，并不得大于6m。（5）仰拱开挖前，宜架设临时横撑顶紧两侧墙脚，防止边墙内挤，待仰拱混凝土达到混凝土强度70才能拆除。（6）量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部的位移值，当发现速率增大时，应立即浇筑二次衬砌，或先行构件支顶。（7）当围岩压力极大，其变形速率难以收敛时，可先修筑临时仰拱，并考虑采用其它开挖方法。施工方案修改后，施工速度达到正常的月进尺30m左右，根据隧道周边位移的量测结果，变形基本控制在1cm之间。表明结构是稳定的，应用该方法顺利的通过了前方软弱围岩地段。4结语41对于两车道断面的隧道，当围岩开挖后具有一定的自稳时间，可采用工序简单，开挖次数少，施工效率高的施工方法，不一定要采用安全系数大，但工序烦琐的CD法。42在软弱围岩中施工时，必须严格执行“强支护、短开挖、快封闭、早成环”的原则。43软弱粘土隧道系统锚杆宜采用自钻式锚杆，且干钻，避免因水而造成围岩自身强度的降低。44应强调直喷混凝土，尽量不采用模喷或模筑，否则容易造成初期支护与围岩之间不密实。即使后期采用预留钢管注浆也难以保证没有空洞，造成安全稳患。45新奥法施工，尤其对于软弱围岩，围岩周边量测对设计与施工都是个不可忽视的手段，可以根据反馈的信息把握施工节奏，调整施工方法和修正有关设计参数。简讯