高原凍土地段偏壓隧道洞口施工技術(shù)
關(guān)鍵詞：公路隧道,洞口,施工技術(shù)
1、引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路建設(shè)向高原發(fā)展，以前沒有公路穿越的凍土地段也有公路隧道開始施工，本文介紹的共和至玉樹公路鄂拉山隧道就是我國(guó)第一條高原多年凍土地段公路隧道。
在高原修建隧道最早出現(xiàn)在青藏鐵路風(fēng)火山隧道，但公路隧道在高原修建還是第一次，通過我們的施工，給以后公路隧道施工提供經(jīng)驗(yàn)。
凍土是溫度低于0℃含有冰的特殊土體，包括凍結(jié)土壤、凍結(jié)碎石土、凍結(jié)巖體，由于凍土的特殊性質(zhì)，隧道穿越凍土地段工程措施主要保護(hù)凍土環(huán)境不被破壞。
隧道洞口地段大多處于淺埋地段，圍巖破碎，穩(wěn)定性差，變形大，易崩塌，特別是處于凍土地段，由于隧道施工，破壞了凍土的溫度平衡，使凍土融化，圍巖更加不穩(wěn)定，施工難度增大，更加容易崩塌。
2、工程概況
我單位施工的共和至玉樹公路GYI-SGA6合同段工程，標(biāo)段起點(diǎn)K303+500，終點(diǎn)K320+000，線路全長(zhǎng)16.5公里。位于青海省藏南自治州興�？h溫泉鄉(xiāng)，其中鄂拉山隧道屬于標(biāo)段重點(diǎn)和控制性工程，隧道采用分離式，左幅出口段起訖樁號(hào)K303+500～K305+655長(zhǎng)度2135m，右幅出口段起訖樁號(hào)YK303+500～YK305+566長(zhǎng)度2050m，隧道底面平均海拔高達(dá)4320m。
鄂拉山區(qū)屬于冰緣及構(gòu)造侵蝕中高山，海拔最高高程4780m，隧道穿越鄂拉山段海拔介于4300～4700m，高差400m。山頂?shù)囟螢槎嗄陜鐾恋母泶駹畈菡訕O發(fā)育，地表有大量的積水坑、槽，還有熱融湖塘、熱融洼地、凍脹丘等冰緣地貌較發(fā)育。氣候?yàn)楦咴箨懶园敫珊�，其特點(diǎn)為冬季氣候寒冷漫長(zhǎng)，多風(fēng)雪，易成雪災(zāi)；夏季氣候涼爽短促，雨水較充足；四季不分明，晝夜溫差大，空氣稀薄，氣壓低，含氧量少，日照充足，地下水豐富。年平均氣溫-4.2℃，極端最高氣溫26.6℃，極端最低氣溫-48.1℃。地層巖性主要為凝灰?guī)r、安山巖、變砂巖。巖體受斷層構(gòu)造作用強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙很發(fā)育，擠壓破碎帶發(fā)育，巖體呈碎塊及碎粒狀，軟化及腐變現(xiàn)象嚴(yán)重，巖芯為碎粒狀，基巖裂隙水發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差。
隧道呈南北走向，在隧道左側(cè)有一條季節(jié)性水溝，使隧道距出口300m范圍內(nèi)出現(xiàn)偏壓，在隧道出口80m左右有一鼻梁狀山體，山脊和隧道中線基本70°夾角，坡度40°～70°，局部80°，最高差100m，在80～300m山體坡度15°～35°，坡度相對(duì)較緩。
隧道出口段地質(zhì)較破碎，沖溝發(fā)育，坡面起伏較大，主要為坡殘積、坡洪積、冰水堆積物。
3、施工方案及施工方法
凍土地段隧道施工的要點(diǎn)就是保護(hù)圍巖，盡量保護(hù)凍土不解凍，維持圍巖自身的承載力。不同于普通隧道施工，凍土地段隧道采用低溫早強(qiáng)鋼纖維噴射砼和雙層襯砌砼加保溫板來保持凍土不受外界溫度的影響。
我單位施工的是隧道的出口段，采用從出口單口掘進(jìn)。隧道洞口地段處于ⅴ級(jí)圍巖偏壓地段，設(shè)計(jì)施工方案采用長(zhǎng)度40mΦ108mm大管棚進(jìn)洞，三臺(tái)階七步法或CRD法開挖，初期支護(hù)采用低溫鋼纖維噴射砼和間距0.5m22工字鋼，襯砌砼采用兩層C35砼，第一層厚度20cm，第二層厚度30cm，兩層之間設(shè)土工布、防水板和5cm保溫板。
3.1洞口拉槽
2011年7月中旬設(shè)計(jì)圖紙到位，按照“早進(jìn)洞，晚出洞”的施工原則，盡量減少對(duì)環(huán)境的破壞。洞口開始拉槽，按1：1.5坡度施工臨時(shí)邊仰坡，邊仰坡采用錨網(wǎng)噴防護(hù)；長(zhǎng)度3.5mΦ22砂漿錨桿間距1.2m，梅花形布置；Φ8鋼筋網(wǎng)間距20cm，鋼筋網(wǎng)焊接錨桿上；C20噴射砼厚度15cm。在邊仰坡頂10m范圍內(nèi)施工截水溝，使洞頂雨水不能直接流入洞口。洞頂?shù)乇磉M(jìn)行夯實(shí)，減少雨水下滲。
3.2管棚施工
2011年8月1日開始施工導(dǎo)向墻，導(dǎo)向墻采用C20砼，截面尺寸1×2m，長(zhǎng)度為拱頂140度范圍，導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)4榀Ⅰ18a工字鋼，鋼架外緣設(shè)直徑127mm壁厚4mm長(zhǎng)度2m導(dǎo)向鋼管。導(dǎo)向墻模板采用組合鋼模，模板底部采用三道Ⅰ18a工字鋼支撐。導(dǎo)向墻在預(yù)留沉降量基礎(chǔ)上根據(jù)地質(zhì)情況適當(dāng)抬高，防止因?qū)驂凸芘锍两�，初期支護(hù)侵界。預(yù)留沉降量20cm，抬高15cm，比開挖外輪廓線高35cm。
大管棚是一種超前支護(hù)方式，它對(duì)前方土體進(jìn)行了預(yù)注漿固結(jié)，又可以起到棚架作用。5月20日開始大管棚施工，大管棚采用外徑108mm壁厚6mm長(zhǎng)度30m熱軋無縫鋼管，鋼管接頭采用絲扣連接，鋼管上鉆Φ16mm注漿孔，孔間距15cm，梅花形布置，鋼管頭預(yù)留1m止?jié){段，鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠提高鋼管抗彎能力。鋼筋籠采用四根Φ18mm鋼筋和節(jié)長(zhǎng)5cm外徑42mm間距1.5m固定環(huán)組成。管棚采用Φ130mm潛孔鉆干鉆，成孔后，盡快插入鋼管。壓漿采用1：1水泥漿，可以分次進(jìn)行，但終壓壓力必須達(dá)到2MPa。
2011年8月10在右幅隧道管棚鉆進(jìn)過程中，圍巖裂隙水大量涌出，緊接著13日山體發(fā)生多處開裂和下沉，并伴有明顯的水平位移，山體發(fā)生裂縫并有加劇的趨勢(shì)，局部和整體滑塌的可能性極大。采取對(duì)仰坡進(jìn)一步刷坡，由原來一面坡，減載形成兩面坡，在洞頂8m設(shè)3m平臺(tái)，恢復(fù)了管棚施工。
3.3暗洞開挖
2011年9月1日正式進(jìn)洞，綜合這幾種施工方法，我們采用CRD法進(jìn)行洞口施工，雖然施工進(jìn)度慢，但施工相對(duì)安全，2天進(jìn)度為3榀1.2m。
CRD法施工首先開挖上部導(dǎo)坑左側(cè)，設(shè)置臨時(shí)中隔壁和仰拱；其次開挖中導(dǎo)坑左側(cè)，再次開挖上部導(dǎo)坑右側(cè)，接著開挖中部導(dǎo)坑右側(cè)，最后開挖下部導(dǎo)坑左側(cè)和右側(cè)。各部間距2～3m，為了盡快使初期支護(hù)封閉成環(huán)，施工中，我們?cè)趯W(xué)習(xí)CRD法工法的基礎(chǔ)上，對(duì)工序進(jìn)行來了改進(jìn)，盡量減小各部的間距，下部導(dǎo)坑左、右側(cè)盡量跳槽開挖，使鋼拱架盡早封閉成環(huán)，減少拱頂沉降。
施工前在洞頂、導(dǎo)向墻設(shè)觀測(cè)樁，進(jìn)洞后每5m設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，每天觀測(cè)拱頂沉降量、邊墻收斂值，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)指導(dǎo)施工。
3.4初期支護(hù)
初期支護(hù)由噴射砼、錨桿、鋼架組成聯(lián)合支護(hù)體系。噴射砼能及時(shí)有效防止開挖巖面的松散、離層和掉落，和圍巖共同受力；錨桿可以將周邊一定范圍內(nèi)的圍巖加固，承擔(dān)外層圍巖傳來的荷載；鋼架剛度大，可以盡快承受圍巖壓力，是噴射砼的支撐，和錨桿、噴射砼共同發(fā)揮作用。
低溫早強(qiáng)鋼纖維砼是一種摻加低溫早強(qiáng)劑、鋼纖維的噴射砼，可以阻止洞內(nèi)空氣和圍巖之間熱交換，防止圍巖風(fēng)化及融化，及時(shí)維護(hù)圍巖的自穩(wěn)能力。
噴射砼采用C25低溫早強(qiáng)鋼纖維砼，厚度35cm，施工采用濕噴工藝。系統(tǒng)錨桿采用Φ25中空注漿錨桿。鋼架采用Ⅰ20a工字鋼，鋼架之間采用螺栓連接，每個(gè)施工臺(tái)階鋼架腳打入二根Φ42鎖腳錨管。
3.5二次襯砌施工
二次襯砌采用雙層結(jié)構(gòu)，第一層靠近初期支護(hù)噴射砼，采用C30低溫早強(qiáng)砼，厚度20cm；第二層襯砌采用C45鋼筋砼，厚度50cm；在第一層和第二層襯砌砼間設(shè)防水和保溫層。
襯砌施工模板采用加工的襯砌臺(tái)車，砼在拌合站集中拌合，罐車運(yùn)輸，輸送泵入模。
3.6防水和保溫層施工
防水和保溫層采用400g/m2無紡?fù)凉げ迹浪澹?cm聚氨酯隔熱板＋400g/m2無紡?fù)凉げ肌?/p>
第一層土工布采用射釘法施工，防水板采用粘結(jié)法施工，隔熱板＋土工布采用Φ12mm的光園鋼筋骨架固定施工。
4、卸載反壓及注漿加固
從施工開始到2012年3月施工進(jìn)度僅60m左右，而且一直處于處理變形和沉降中，在2012年4月10日發(fā)現(xiàn)順?biāo)淼婪较蜓厣襟w出現(xiàn)5條裂縫，裂縫最大寬度20cm，隧道內(nèi)多處出現(xiàn)收斂明顯，鼓狀突出，鼻梁狀山體有滑移動(dòng)向，施工停止。
經(jīng)過幾方協(xié)商，提出集中處理方案，一是山體卸載加抗滑樁；二是山體卸載反壓加洞頂注漿；三是改線。
山體卸載加抗滑樁施工安全，但施工周期長(zhǎng)，需半年時(shí)間，影響總工期。改線施工快，但鄂拉山出口地段地質(zhì)較破碎，沖溝發(fā)育，坡面起伏較大，主要為坡殘積、坡洪積、冰水堆積物，難以選擇合適位置。綜合各種因素，最后選擇卸載反壓加注漿，此方法施工安全，施工工期需3個(gè)月。
卸載前對(duì)洞內(nèi)已施工的60m左右洞身未襯砌的30m，進(jìn)行加固，防止變形增大，出現(xiàn)險(xiǎn)情。
在K305+400～+620段隧道左線右側(cè)山體上進(jìn)行刷方減載，刷方后形成自左線中心線至山側(cè)長(zhǎng)30～120m長(zhǎng)的坡率為1:10的緩坡平臺(tái)，平臺(tái)靠山側(cè)按1:1.5進(jìn)行放坡，每級(jí)坡高10m，各級(jí)邊坡間設(shè)置2m寬的平臺(tái)，自緩坡平臺(tái)起最高形成六級(jí)邊坡，高約55m。在K305+400～+620段隧道左線右側(cè)山體上進(jìn)行刷方減載，刷方后形成自左線中心線至山側(cè)長(zhǎng)30～120m長(zhǎng)的坡率為1:10的緩坡平臺(tái)，平臺(tái)靠山側(cè)按1:1.5進(jìn)行放坡，每級(jí)坡高10m，各級(jí)邊坡間設(shè)置2m寬的平臺(tái)，自緩坡平臺(tái)起最高形成六級(jí)邊坡，高約54.4m。
將以上棄方堆填于K305+380～+620段隧道左線上方自然溝及左側(cè)坡體上，自隧道左線中心線左側(cè)15m處填方平臺(tái)寬110m，平臺(tái)左側(cè)放1:2.5的坡至原地面。填方應(yīng)自溝口逐步向上填筑。K305+340～+380段將隧道頂部自然溝填平。自K305+600沿隧道方向按1:1.5放坡至溝口擋土墻頂。當(dāng)沿路線走向或原自然溝方向地面橫坡陡于1:5時(shí)，原地面必須開挖成臺(tái)階形，臺(tái)階寬度不小于2.0m，臺(tái)階頂面成4%的內(nèi)傾斜坡，填筑時(shí)由最底臺(tái)階填起，并分層夯實(shí)，填方壓實(shí)度不小于90%。
自K305+330將原自然溝改至左側(cè)山梁外引出，溝底寬4m，高2.5m，溝身厚60cm，采用C30混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，改溝頂面應(yīng)保證低于原地面不小于30cm以便地表水順利匯入。改溝總長(zhǎng)280m。
地表注漿加固的區(qū)段為：K305+470～K305+540,長(zhǎng)，共70m。注漿范圍在隧道拱頂以上6米往下和仰拱下2米以上，共19米的壓漿范圍。注漿順序?yàn)椋河沙隹谙蜻M(jìn)口方向按順序進(jìn)行，注漿時(shí)先外圍后內(nèi)部，并采取同排隔孔錯(cuò)開的注漿方式�？孜话疵坊ㄐ尾贾�，孔距1.5m，采用雙液注漿，既1:1的水泥漿摻5%的水玻璃，注漿壓力0.5～1MPa，鉆孔平均深度35m。
鉆孔采用鉆神SLZ-90潛孔鉆，注漿機(jī)采用3SN-A雙液注漿機(jī)，到7月15日卸載反壓及注漿加固全部完成，進(jìn)入正洞施工，現(xiàn)在已施工200m左右，襯砌150m，施工已正常進(jìn)行。
6、施工總結(jié)
通過鄂拉山隧道洞口施工，我們總結(jié)下面幾點(diǎn)應(yīng)注意的事項(xiàng)
6.1隧道洞口地段施工，應(yīng)多觀察，勤量測(cè)，對(duì)洞內(nèi)變形應(yīng)全方位分析，在考慮洞內(nèi)初期支護(hù)情況下，注意洞頂山體的變化。
6.2隧道洞口選線時(shí)，應(yīng)盡量避開偏壓地段，如不能避免，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段考慮預(yù)防措施。
6.3高原多年凍土地段隧道洞口，不同于多年凍土地段，處于凍融交替地段，地質(zhì)情況更加復(fù)雜，為圍巖更加不穩(wěn)定。
6.4高原多年凍土地段隧道洞身施工各項(xiàng)工序應(yīng)緊密銜接，及時(shí)封閉圍巖，二襯應(yīng)緊跟。
