濕陷性黃土地區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，應采用三維模型優化加固參數，綜合超長管棚施工工藝、鉆機應用、泥漿配制等技術確定施工技術，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，優化施工參數與加固方案。

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項目地質環境實施“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，土質不夠均勻，土壤中含有細砂薄層。在濕陷性黃土地區進行隧道工程施工，施工難度較大，有必要做好超前支護施工。按照隧道位置關系和隧道的圍巖性質，結合地質條件與以往的施工經驗，依靠計算機技術使用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據分析，為接下來超前支護方案的編制提供參考依據。完成超前支護后，應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構的時候，以雙層初步支護與模筑襯砌結構相結合，參考地質勘察實驗報告和巖土規范，了解各項參數，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，內摩擦角為25°。在土體加固中，管棚加固土規格為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在距離掌子面的1m，管棚施工方案的數值比較大，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。經分析，本文針對濕陷性黃土地區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構的支護效果。

3 濕陷性黃土地區超小凈距隧道超前支護技術分析

3.1 測量放線與鉆孔作業

施工前應做好相應準備工作，對鉆孔位置精準放線，做好相應標記，保證后期鉆孔施工與復核作業順利進行。測量放線作業的關鍵在于確定超前小導管的中心與距離，保證數據準確。鉆孔施工作業前，應定為鉆機，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或圍巖不穩定地段，鉆進時可能會出現卡鉆或者塌孔等現象。因此，施工人員需要先注漿，對圍巖臨時加固，隨后再繼續鉆孔。以低鉆低速風壓進行鉆機開鉆，確定鉆孔位置后結合黃土地區地質情況，調整鉆進速度與風壓，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，磨平注漿孔。搬運導管時應輕拿輕放，且保護好小導管，出現變形問題時應重新加工小導管，直到其再次垂直。安裝前應查看鉆孔質量，經過壓水試驗后在展開注漿作業。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，注漿前安裝止漿環，保證止漿環密封性。在超前小導管處設置排氣孔，注漿時如果出現串漿現象，應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，建議停止注漿作業，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。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，這時應及時卸載注漿系統與注漿混合器，清理裝置。對漿液固結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。

3.3 管棚配合水平旋噴樁支護

在隧道的拱頂位置120°范圍內插入30m長的管棚，以大管棚作為旋噴樁臨時支護設施。在隧道起拱線以上的位置設置水平旋噴樁，可設置兩層，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，鉆進時應觀察搖臂鉆機的實際應用情況，盡可能的將鉆孔外插角的偏差保持在1%以下[2]。

3.4 施工現場應用效果分析

大管棚與水平旋噴樁應用下的隧道超前支護方案可以防止施工時出現管棚支護抗彎剛度低的問題。和傳統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的夾土柱，優化相應力學指標，防止后續施工對隧道的襯砌結構產生不良影響。現場施工中，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生支護變形或者開裂的現象，且地表構筑物和天然氣管道沒有開裂或泄露。對濕陷性黃土地區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象，且襯砌結構整體穩定性較高，可以承載來自上方土體與隧道內的交通荷載，施工效果良好，已經達到預期設想。

4 總結

總而言之，針對濕陷性黃土地區地質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生的地表沉降，保障構筑物安全可靠，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。