软弱土层隧道施工关键工艺及过程稳定性监控要点分析

王 剑

(中交三公局第一工程有限公司，北京 100012)



软弱土层隧道施工关键工艺及过程稳定性监控要点分析

王 剑

(中交三公局第一工程有限公司，北京 100012)

对软弱土层隧道施工关键工艺及注意事项、隧道基底加固、过程稳定性监控等方面进行详细描述，提出应严格规范软弱土层隧道施工工序，确保施工质量和施工安全。

软弱土层隧道；工艺；稳定性；监控

1 现状及研究意义

软土地层基本由砂黏土(MI)、粉喷土(MH)和黏土(CH)组成，成分以水云母、蒙德石居多，有机质含量丰富。在我国，广泛存在各类软弱地质条件区域，在公路施工建设过程中，针对该类地形条件下的隧道工程施工，应结合公路隧道围岩等级划分(I类、Ⅱ类等)，着力解决施工关键工艺及施工过程稳定性监控问题。

2 施工前期条件分析

软弱土层隧道开挖前，重点应全面进行地质情况分析，通过科学观测、检测工作区域内地质条件变化情况，为施工方案比选提供翔实的数据支持。主要包括以下几方面内容：第一，岩层性状分析。结合地质勘察、物理勘探、钻控观测等资料，判断地层所属岩性，以及碎石、黏土、砂砾等各类土体成分和含量占比，从而对岩层结构坚实性进行初步分析。第二，地下水分布状况勘察。对当地地下水(裂隙存水)来源、分布位置、涌水流量等方面进行全方位勘察，从而为隧道掘进过程中可能出现的上盖围岩破损及渗水等情况提前布置预防方案。

3 软弱土层隧道施工关键工艺

软弱土层隧道施工原则：“布管超前，避免扰动，尽早喷锚，加强支护，严格封闭，勤量多测”。在工作环节的衔接上，应尽量做到连续性施工，避免无理由怠工、窝工现象的发生。主要关键步骤如下：第一，边坡防护措施。边坡防护施工应按照分层、分片的步骤进行。可用土钉墙坪结合喷射混凝土护坡防护，也可采用带孔钢管注浆等方式。开挖时，应结合边坡稳定性、可承受最大变形边界条件、施工能力综合确定。一般应在前置锚杆出现70%的强度后方可展开下一层挖掘。第二，隧道支护设计。针对软弱土层的地质状况，特别是洞口区域，应重点加强支护措施。可采用的方式有：锚杆、小导管、管棚等超前伞状支护方案。第三，隧道开挖方案。软弱土层隧道应根据断面尺寸、围岩划分、埋深等不同情况选择开挖方式。有台阶法、环形开挖留核心土法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)、双侧壁导坑法等。具体开挖方案应在严格、充分论证的基础上，根据现场情况综合判断后慎重选择。目前，应减少钻爆开挖方式，在条件允许的情况下，多使用机械设备开挖。初步可参照以下开挖方案：单线隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩，适用环形开挖预留核心土法；单线隧道Ⅳ级围岩，适用台阶法；双线隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩，适用CD法或CRD法；双线隧道Ⅳ级围岩，采用双侧壁导坑法。具体步骤：开挖前的准备。先对拱部采用Ф50超前小导管(洞口浅埋段可采用大管棚)加固围岩，每循环施作5 m，开挖4 m，小导管有效搭接长度不少于1 m。根据隧道开挖高度可分成2～3个台阶。开挖机械选用悬臂掘进机或风镐开挖，人工配合修整周边及拱脚部位。开挖进尺应根据围岩条件确定，但最长不宜超过1.5 m。需要注意的是，对墙脚、拱脚部位应预留30 cm，由人工开挖，防止此处超挖。开挖结束要初喷混凝土封闭岩面，及时完成施作初期支护和临时支护，根据情况加设临时仰拱。当下部断面开挖后，尽早将拱架联接成整体，打设锁脚锚杆。当隧底承载力不足时，要尽快完成地基加固，施作仰拱，封闭成环。最后根据监控量测结果，适时施作二次衬砌。特别注意：阶段性开挖工作一旦结束，必须采用混凝土喷射等类似方式密闭围岩，衬砌后方，包括上层拱顶应保证回填密实。第四，防水排水措施。施工过程中，重点应在隧道上方、入口处等易出现水毁现象的部位设置防水排水系统。采取一切措施预先将可能出现塌陷、胀缝、裂隙的位置封闭，防止洞内积水侵犯洞体周围，造成土层及结构坍塌。隧道施工范围内，当出现积水面较大、水量集中时，必须有相应排水措施。可通过井点降水将地下水位降至隧道衬砌底部之下，以防水毁现象的发生。同时，避免造成停工。隧道洞口及仰坡宜利用地形，边坡较大，平台加宽的设置，更便于排水泄水，加强边坡保护。

4 软弱土层隧道基底加固

隧道开挖的同时，应对地基采取必要的加固措施，以保证其承载能力。地基加固常用方法有灰土挤密桩、树根桩、换填、底部注浆和基底夯实等。隧道仰拱施工前中隔壁、临时仰拱等临时支护暂不拆除，待开挖到边墙拱架底脚标高，进行软基处理。

4.1 灰土挤密桩加固

灰土挤密桩桩径为0.5 m，仰拱底部桩按1.2×1.2 m，边墙底部桩按1.0×1.0 m，梅花形布置，桩长3～5 m。灰土挤密桩处理基底布置见图1。

图1 灰土挤密桩处理基底示意图Fig.1 Lime-soil compaction pile processing base diagram

施工方法如下：第一，成桩机械选择。根据隧道内对施工机械的空间要求，机械高度不能过大，而且边墙底部灰土挤密桩施工难度比较大，采用CHZ强制式冲击钻机施工本隧道灰土挤密桩，该钻机钻架高度可根据施工需要调整。在隧道开挖、初期支护完成后即安排灰土挤密桩施工。第二，测量放线。按照设计放出桩位，并用白灰点标注，在适当位置布设护桩，以备随时检查复核。第三，桩机就位。根据测放的桩位，桩机就位，并使桩锤严格对中，桩孔中心点的偏差不超过桩距设计值的5%。第四，夯击成孔。严格按照桩机操作规程夯击成孔。成孔施工时，地基土宜接近最优含水量，当低于最优含水量时，应加水增湿至最优含水量。成孔后应及时进行验孔，合格后立即进行回填成桩。第五，回填成桩。向孔内填料前，孔底必须夯实。填料及压实系数应符合设计和规范要求。基底处理顶面以上应预留0.7～1.0 m厚的土层，待施工结束后，将表面挤松的土挖除或分层夯压密实。第六，质量检验。施工结束后，对处理地基的质量应及时进行抽样检验。一般主要检查桩和桩间土的干密度、承载力和施工记录，必要时应进行载荷试验或其他原位测试。

4.2 树根桩加固基底

采用树根桩加固基底时，桩径不小于0.3 m，桩长根据情况设置，但桩底应伸入下部稳定地层中，桩间距为1.0×1.0 m，按梅花形布置。树根桩布置见图2。

图2 树根桩布置图Fig.2 Root pile arrangement diagram

树根桩施工方法如下：第一，桩孔定位。按设计桩位准确放样，桩位偏差控制在20 mm以内，直桩的垂直度偏差应不超过1%，斜桩的倾斜度应按设计要求做相应调整。第二，成孔。采用地质钻机成孔，钻孔时加设套管，钻孔到设计标高后清理干净孔内土碴，准备吊放钢筋笼。第三，吊放钢筋笼、安装导管。清孔后，将事先加工好的钢筋笼吊入孔内，安装灌注混凝土导管。灌注混凝土导管采用直径100 mm钢管，直插孔底。第四，灌注混凝土。采用细石混凝土，在拌和站集中拌制，混凝土输送车运输，人工下料。为确保混凝土密实，采用插入式振动棒振捣，灌注混凝土导管随混凝土灌注逐步提升。在混凝土浇筑面距孔口小于2.0 m时，完全提出导管，混凝土直接入孔，直至混凝土灌注完成。树根桩采用跳孔法施工，做好现场验收记录，包括钢筋笼制作、成孔和注浆等各项工序指标。

4.3 换填

换填具有施工简单、施工质量便于控制的特点，施工时应根据隧道应力状态，对换填深度、宽度进行计算，或按照设计要求进行换填处理。换填施工应在隧道开挖后及时进行，采用分层填料，小型机具夯实。换填材料可为三七(或二八)灰土、碎(卵)石或粗砂砾等。软弱土层隧道基底换填加固处理方法可参考图3。

图3 软弱土层隧道基底换填加固示意图Fig.3 Schematic diagram of reinforcement of soft soil tunnel base

5 过程稳定性监控

第一，隧道施工之前，必须制定完善的监控量测办法。主要包括以下内容：地层地质情况；拟开挖隧道(表层)有无干扰物；拱顶、地表下沉监测；净空收敛情况；断面量测；水位变化；衬砌应力；钢拱架受力量测；锚杆轴力及锚固力量测；围岩压力与接触压力量测；围岩塑性区探测；应力造成的围岩内部推移；衬砌结构静力和动载应力测试等。其中收敛量测采用收敛仪，地表下沉量测、拱顶沉降量测和隧道断面量测采用全站仪，钢拱架受力量测采用钢弦式测力计，锚杆轴力及锚固力量测量测分别采用钢筋计和拉拔试验，围岩压力及接触力采用土压力盒进行量测，围岩塑性区的量测采用声波测试方法，围岩内部位移量测采用多点位移计，衬砌静力及动载应力采用压力盒量测。

第二，模型计算。首先，采用三维弹塑性和流变模型数值计算软件，模拟计算弧形导坑法、环形导坑法、CD法、CRD、双侧壁导坑法施工过程，进行各施工阶段软弱土层与支护的静力计算，模拟分析大断面隧道各施工工况的力学及变形特性。结合施工围岩量测及结构受力测试结果，通过反演分析，研究最优施工参数，保证隧道施工期的安全和稳定。其次，根据软弱土层隧道特点，结合施工仿真分析成果，研究围岩变形控制指标，研究新型全站仪围岩变形监控量测系统，研究满足隧道安全快速掘进要求的施工综合配套技术和合理工法。最后，对试验隧道进行围岩量测和结构受力测试，对测试数据进行分析，并与数值分析成果相互校核，及时反馈以指导设计和施工。充分获取结构受力和岩层变形特征的基础资料，验证设计参数、施工方法及工程处理措施的合理性与可靠性。

6 软弱土层隧道施工强调事项

第一，施工前应注意调查隧道上方地表冲沟陷穴、沟谷汇水地段和洞口浅埋段季节性地表水下渗和农灌对隧道的影响，做好相应的防排水系统工程，防止地面水下渗，造成隧道塌方。第二，施工中应严格控制施工用水，最好做到无水开挖。同时，要密切注意洞内地下水的情况，做好地下水和施工用水的引排。第三，洞口段开挖，要与周围环境协调考虑，做好排、截水设施。隧道洞门应尽量在雨季前完成。第四，开挖进尺宜控制在1.5 m以内，拱脚、墙脚部位应预留30 cm由人工开挖，严禁超挖。第五，管棚、锚杆施工宜采用煤矿螺旋干钻成孔，以维持土体的稳定。各种锚杆必须加设垫板。钢架架设后必须设锁脚锚管，以控制基脚变形。第六，隧道开挖后的变形与稳定时间，与仰拱有着直接关系，因此，要尽快施作仰拱。仰拱必须全幅整体施工，严禁半幅施工，仰拱填充要与仰拱衬砌分别施工，严禁一次施工。第七，二次衬砌前要认真施作防水设施，做好施工缝、变形缝的防水措施。二衬完成后，对拱顶及时进行压浆回填，确保拱墙背部密实。

7 结语

软弱土层隧道施工应做好施工前期的情况分析、方案比选工作，施工过程中应注意关键工艺的选择，尽量完善过程中的监测工作，以实现安全、合格施工。

[1] 中华人民共和国交通运输部.公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 中华人民共和国交通运输部.公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 高磊，高玉霞.浅谈软基处理中灰土挤密桩施工方法[J].城市建设理论研究，2012，(22)：89-90.

[4] 谢少权.软土地层中浅埋暗挖交通隧道施工技术[J].隧道建设，2004，(02)：65-66.

Analysis on key process and process stability monitoring
of soft soil tunnel construction

WANG Jian

(CCCC Third Highway No.1 Engineering Co., Ltd., Beijing 100012, China)

This paper describes the key technology and precautions of tunnel construction, the reinforcement of tunnel foundation and the monitoring of process stability. It is suggested that the construction process of soft soil tunnel should be strictly regulated to ensure the construction quality and construction safety.

Soft soil tunnel; Process; Stability; Monitoring

2017-03-04

王剑(1980-)，男，硕士研究生，工程师。

U455.4

A

1674-8646(2017)08-0053-03