天恒山隧道施工方案比选及优化

摘要:天恒山隧道为我国第一座严寒地区浅埋大跨土质隧道,其施工难度大、危险性高。在施工过程中遵循“土变我变、确保安全、优质完成”的原则,不断对隧道施工方案进行比选优化,本文对施工过程中采用的微台阶法、三台阶七步开挖法和CRD法施工方案的选择和优化进行介绍。

关键词:土质隧道 施工方案 优化

我国修建软弱地层隧道时,多采用小断面分部开挖法。一般Ⅲ级围岩和地下水不发育、无高地应力变形的深埋Ⅳ级围岩采用台阶法;浅埋Ⅳ级围岩或有大变形特征的Ⅳ级围岩中采用三台阶临时仰拱法或CD法;地下水发育和地表受建筑物影响的浅埋Ⅳ级围岩采用CRD法。V级围岩主要采用CD法、CRD法和眼镜法。CD法、CRD法、眼镜法等工法采用上下分层和竖向分块,有利于保证掌子面和顶、帮的稳定性;但开挖过程中如果分部过多,分部施工将反复引起围岩进行应力重分布,对结构稳定造成不利影响。而且这类工法工序复杂、施工速度较慢、造价也更高。论文以在建天恒山隧道为工程背景,对浅埋土质隧道施工方案进行了比较和优选,确定了天恒山隧道施工方案。

1 工程概况 1.1 工程概况

天恒山隧道位于哈尔滨市道外区民主乡地界,是哈尔滨绕城公路东北段项目的重难点工程。哈尔滨绕城公路东北段的建设,使环路贯通,“一环五射”发挥整体功能。对省会哈尔滨及其周边地区的社会、经济发展创造了良好的交通运输环境。隧道为双洞分离式设计,单向双车道,单洞上行线长1660m,下行线长1690m。建筑限界为净宽11.5m,净高5m,考虑本地区的特点,隧道净空断面为三心圆曲墙断面(隧道净面积A=76.782m2)。隧道设计人行横通道4处,车行横通道1处,上行线和下行线各设置一处紧急停车带。隧道设计行车速度80km/h,路面采用单面横坡,坡度2%,上行线和下行线纵坡为双向人字坡,坡度均为1.775%和-0.900%。

1.2 隧道工程地质

隧道工作区位于松嫩中断陷带东南隆起区内,地层分区为松嫩平原分区,地层分布主要有白垩系(K)及第四系(Q),本区缺失第三系地层。根据天恒山隧道设计钻孔揭露及室内土工试验结果,隧道处岩土主要为亚粘性土,局部见砂层,地基承载力综合评价表显示,5-1、5-2、7-1和8-2地层为软可塑状态的软弱夹层,对隧道施工极为不利。

1.3 气候、水文地质特性

本区位于北寒带气候区,冬季长达五个月之久,春秋季节较短,年平均气温为5.7℃,极端最高气温39.1℃,极端最低气温-41.4℃;年平均降雨量为523.3mm,降雨期集中在6～8月份;年平均蒸发量1507.7mm;

最大冻深2.05m,地面稳定冻结日期为11月下旬,稳定解冻日期为翌年4月中旬。

隧道所处范围地下水主要为局部上层滞水,赋存于软可塑及软塑压粘土层中,钻孔后出现渗水现象,经测量计算24小时渗水量为12.2L/m2,受大气降水补给,受季节影响,水量变化大。

1.4 衬砌结构

隧道采用复合式衬砌结构,初期支护以超前小导管或锚杆、钢拱架、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系,二次衬砌为模筑混凝土结构,初期支护与二次衬砌之间设防排水,保温层设置于二次衬砌之外。

2 天恒山隧道施工方案比选

当前土质隧道的施工方法很不成熟,土质隧道建设中可供借鉴的资料、经验有限。在施工过程中遵循“土变我变、确保安全、优质完成”的原则,项目部多次组织相关人员参观学习并邀请专家对隧道施工方案进行多次论证。根据工程地质特征采用了微台阶法、三台阶七步开挖法和CRD法等施工方案。

2.1 微台阶法

微台阶法是在超前支护完成后,首先进行上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护,再左右错位开挖下台阶并及时施作边墙初期支护;适时挖除上下台阶核心土,然后紧跟仰拱开挖和初期支护封闭成环。上下台阶每循环进尺为一榀拱架间距,仰拱每次开挖支护2榀拱架长度;上台阶长度3m～5m,掌子面距仰拱初支距离控制在12m以内,掌子面与仰拱钢筋混凝土及仰拱回填的距离控制在15m以内。采用微台阶法施工,同一断面上台阶开挖到仰拱初支封闭,施作时间可以控制在10天之内,到仰拱砼浇筑,施作时间可以控制在12天之内。微台阶法施工见图1所示,其优缺点及适用条件如下。

(1)由于初期支护封闭的时间短,有利于控制围岩变形,缺点是上下断面相距较近(下台阶与仰拱初支距离在6m～7m),机械设备集中,作业时相互干扰较大(开挖时仰拱钢筋混凝土施工无法进行),生产效率较低,施工速度较慢。

(2)隧道标准断面的标准段,在土体含水量较大、地基承载力较低,开挖后围岩变形较大、自稳能力差,易塌方,需要初期支护尽快封闭成环,仰拱及填充紧跟段采用微台阶法施工。

2.2 三台阶七步开挖法

三台阶七步开挖法为在隧道开挖过程中,在三个台阶上分七个工作面,以前后七个不同位置相互错开开挖,然后分部及时支护,形成支

护整体。三台阶七步开挖施工工序示意图见图2所示。每台阶长度控制在3m～5m,仰拱初支封闭到掌子面间距离控制在1.5倍洞径之内,仰拱砼到掌子面间的距离严格控制在2倍洞径之内。三台阶七步开挖法优缺点及适用条件。

(1)能迅速及时地建造拱部初期支护,开挖面稳定性较好,核心土和下部开挖是在拱部初期支护保护下进行的,施工安全性好,多作业面平行作业,工效高,循环时间短,作业空间较微台阶法大,很大程度上加快了施工进度,单口月成洞45m～50m。但由于多次开挖对土体扰动次数增加,拱顶沉降量较微台阶法施工大,累计最大可超过5cm,当前方出现险情时,不利于及时封闭成环。

(2)隧道标准断面的标准段,土体为硬可塑状态,具有比较好粘结性,含水量较小,地基承载力较大,成拱能力强区段采用三台阶七步开挖法。

2.3 CRD法施工

同济大学路基与土工技术研究所对天恒山隧道土样分析和室内模型试验表明:软塑夹层对隧道开挖的变形和稳定性影响较大,其所处的位置不同对隧道的变形影响也不同;拱顶有软塑夹层时,土体无成拱能力;拱腰处有软塑夹层时,上覆土的成拱高度受到影响;在标准断面存在软弱夹层地段,采用台阶法施工,尽管初支拱脚采取了加固措施,但仍发生了下沉,核心土发生整体破坏,没有自稳能力,对稳定掌子面

不起作用,洞顶最大沉降18cm,水平最大位移3.6cm;在跨度16.83m,高12.06m的紧急停车带加宽段和车行横通道口扩大断面段,采用台阶法施工,有支护情况下,拱顶最大沉降约为30cm,在支护全断面封闭后,隧顶的最大沉降仍然超过15cm;当采用CD法施工有软塑夹层、大跨度段时拱脚的切入变形较大,掌子面的稳定性较台阶法施工好,隧道施工过程中竖向变形较小,但拱肩处变形仍然较大。

CRD法是将大断面隧道分部分块开挖,分部封闭成环,先开挖隧道一侧的上部并施作封闭的初期支护和临时支撑,再开挖隧道另一侧的上部且施作封闭的初期支护和临时支撑,最后进行隧道下部的开挖支护,最终形成隧道初期支护和临时支撑网状封闭稳定支护形式的隧道开挖施工方法。CRD法优缺点及适用条件如下。

(1)CRD法将断面分为四块开挖支护,每步开挖的宽度较小,而且开挖后各个局部封闭成环时间短,每个步序受力体系完整,封闭性的初期支护承载能力大,可以很好控制早期沉降变形。但施工工序复杂,隔墙拆除困难,速度慢,成本高。

(2)适用于跨度大,地表沉降要求严格,围岩条件特别差地段。因此,为了保证施工安全,对标准断面有软弱夹层段和隧道加宽段采用CRD法施工。

2.4 施工方案的比较

表2列出了三种施工方法的对比,通过上表的比较可以得出:在浅

埋、大跨的土质隧道中,仅从控制土层位移的角度考虑,上述施工方法择优的顺序为CRD法、微台阶法、三台阶七步开挖法;而从进度和经济角度考虑,由于各方法的工序和临时支护不同,其顺序恰恰相反。

3 土质隧道施工注意问题及对策 3.1 土体地基承载力低,拱脚容易失稳

天恒山隧道穿越粘土地层的地基承载力为110kPa～270kPa,尤其当初期支护的基座落在软弱夹层上时,在上部土体垂直荷载和支护自重的作用下,初期支护的沉降量很大,外力很容易超过地基承载力的极限,拱脚失稳,导致拱顶坍塌,因此在进行隧道开挖支护时,必须采取有效措施,防止拱脚下沉,拱部坍塌。其预防措施如下。

(1)严格控制开挖进尺,在开挖时尽量减小开挖对土体的扰动,一般沿开挖轮廓线预留30cm～50cm土体采用人工开挖,同时拱脚预留30cm,人工开挖后进行枕木或槽钢等支垫。

(2)预留核心土,保证核心土的尺寸,防止掌子面的滑塌。 (3)严格拱架间距,加强拱架纵向连接钢筋的焊接质量。 (4)扩大拱脚,在拱脚设置斜向外侧的锁脚锚杆(管),以增强初期支护的稳定性。

(5)在上断面喷射混凝土达到设计强度70%以上且完成锁脚锚管后再进行下断面的开挖。

(6)开挖时尽量单侧落底或双侧交错落底,错开距离控制在2m～3m。

(7)作好各工序的安排,使初期支护尽快封闭成环。 (8)加强监控量测,观测信息及时反馈。

(9)尽早施做仰拱钢筋混凝土和仰拱回填;及早安排二次衬砌施工,控制掌子面与衬砌距离小于60m。

3.2 含水量对土体的影响

研究表明,粘性土的抗剪强度与结构强度、受力历史、空隙水压力和土密度等因素有关,含水量越大,土粒间粘结力越小,即土的结构强度低,粘聚力就小,土体的抗剪强度就低。例如5-1地层为软可塑状态的中等压缩性土,含水量平均值25.40％,天然密度平均值19.40kN/m3,压缩模量平均值5.97MPa,内聚力平均值30.66kPa,5-2地层为软塑状态中等压缩性亚粘土,含水量平均值26.70%,天然密度平均值19.50kN/m3,压缩模量平均值5.19MPa,内聚力平均值21.00kPa,从上述两种土体各项参数的比较可以看出含水量对土体内聚力的影响最为明显。

同时隧道在开挖部分成型后,需要和外界的空气接触,致使其内部

水分散失,土颗粒间的粘接力急剧下降,及至达到零点,造成土体剥落,引发超挖甚至塌方。

预防措施:(1)所有工序施工过程中一定要严格控制施工用水,杜绝水浸泡洞身;(2)加强隧道排水,发现地下水及时设置环向、纵向盲沟或泄水软管,形成排水通道将地下水引出;(3)开挖后及时喷射混凝土对开挖面进行封闭;(4)及早施作仰拱可以尽早封闭基底,可以防止地下水和施工用水浸入基底;(5)在有地下水段加强支护;⑹当土性变化时,及时进行土工试验,核对土层的含水量。

4 结语

通过天恒山隧道的施工,有以下几点体会。

(1)针对浅埋、大跨和土质隧道的特点,首先必须详细掌握地质资料和地质变化情况,观察开挖面,核对土层含水量,综合考虑,合理选择施工方法。施工全过程应不断进行监控量测,对于不利断面及时采取补救措施。

(2)施工应遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则,尽量缩短各工序间的距离,初期支护尽快封闭成环,仰拱和衬砌及时跟进,使土质隧道及时形成稳定的支护体系。

(3)充分认识水对土质隧道施工的危害性。选择用水量较小的施工机械,施工用水和隧道渗水要及时排除,严禁淤积在拱脚和墙脚。

(4)挖掘机开挖时沿开挖轮廓线预留部分土体采用人工开挖,应以减少对土体的扰动,防止挖掘机对初期支护的破坏,同时开挖轮廓线要圆顺,以减少应力集中现象。拱脚锁脚锚管和拱脚的临时支垫尤为重要,锁脚锚管一定要按设计要求严格作业,拱脚支垫必须保证足够的面积、强度。确保拱架加工和支立质量,注意螺栓连接质量和连接钢筋焊接质量。

(5)机械设备的配套及性能,是决定选用施工方案的重要制约因素,土质隧道施工工序多,交叉作业,复杂多变,必须确保机械设备的完好率,才能保证施工顺利进行。

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