浅埋卵石土层隧道施工工法探究

刘 伟

(中铁二十二局集团第一工程有限公司,黑龙江 哈尔滨 150000)

隧道施工是现代城市化建设和交通网络发展中的重要环节之一。在地质条件复杂的地区,施工过程中会遇到各种困难,其中之一是遇到卵石土层。卵石土层是指土层中含有较多大小不一的卵石,这些卵石对传统的隧道施工工法构成了一定的挑战。因此,研究人员尝试运用双侧壁导坑法,以及环形开挖预留核心土法,提高施工效率,降低施工风险,推动城市交通建设的进步,同时也为相关工程提供了有力的技术支持。

1 浅埋卵石土层隧道施工工法

1.1 双侧壁导坑法

双侧壁导坑法是一种常用于浅埋卵石土层隧道施工的工法,通过在隧道两侧开挖导坑,以便控制卵石土层的塌方和坍塌,提供施工的稳定性和安全性。

1.1.1 导坑开挖

双侧壁导坑法的第一步是在隧道两侧开挖导坑,导坑的作用是控制卵石土层的稳定和保护工人与设备的安全[1]。导坑的开挖需要遵循以下步骤：

1)确定导坑的宽度和深度,通常根据隧道设计要求和地质条件来决定。2)使用适当的挖掘设备,例如挖掘机或装载机,从导坑两侧开始挖掘,逐步向导坑中心靠拢。3)根据导坑的深度和土层性质,可能需要采取支护措施,如喷射混凝土或安装钢支撑等。

1.1.2 卵石土层处理

在导坑开挖完成后,需要对卵石土层进行处理,以确保隧道施工的顺利进行。

1)卵石土层削平。使用挖掘机或刮板等工具削平导坑底部的卵石土层,确保有足够的平整基面进行后续施工。2)卵石土层加固。在导坑底部铺设一层加固材料,如钢板或针对卵石土层设计的地面加固网,以增强导坑底部的稳定性。3)卵石土层中的爆破。对于较大、较硬的卵石,可能需要使用爆破技术进行破碎,以便更好地控制卵石的粒度和排布。

1.1.3 双侧壁的施工

导坑开挖和卵石土层处理完成后,可以开始进行双侧壁的施工。具体的施工步骤可能取决于隧道设计和施工方法,其具体的施工流程如下：

1)壁面预制。根据设计要求,在导坑两侧设置适当的模板或钢模,预制隧道壁面的混凝土结构。2)浇筑混凝土。在壁面模板设置完成后,使用搅拌车将混凝土输送到施工现场,通过抹光机械对壁面进行浇筑和抹平。3)壁面加固。根据需要,可以在浇筑完混凝土后,使用加固材料或方法增强隧道壁面的稳定性。

双侧壁导坑法开挖示意图见图1。

1.2 环形开挖预留核心土法

环形开挖预留核心土法是一种常用于隧道施工的方法,通过在隧道周围进行环形开挖,并将中间的核心土保留起来,以保持施工现场的稳定和安全。

1.2.1 施工现场准备

在开始环形开挖之前,需要进行施工现场的准备工作。这包括清理现场,确保施工区域无杂物和障碍物;确定施工边界和标记;搭建临时工作平台和围护结构,以供工人和设备操作。

1.2.2 土层勘察和设计

在进行环形开挖之前,需要进行土层勘察和设计,了解地质条件和土层特性[2]。这包括确定土层的类型、厚度、稳定性和含水量等,为后续施工提供必要的数据和参数。

1.2.3 环形开挖

环形开挖是以隧道为中心,沿着环形轨迹逐步开挖土体。具体步骤如下：

1)确定开挖的环形轨迹和尺寸,根据隧道设计和地质条件进行规划。2)使用适当的挖掘设备,如挖掘机或隧道掘进机,在环形轨迹上逐步进行土层的开挖,同时将土体运输出施工区域。3)开挖过程中需要注意土体的支护和稳定,根据土层的性质和厚度,可能需要采取支护措施,如喷射混凝土、安装钢支撑等,以确保施工现场的安全和稳定。

1.2.4 预留核心土

在环形开挖过程中,将中间的核心土保留起来,以提供施工现场的稳定性。预留核心土的具体步骤如下：

1)根据设计要求和施工进度计划确定预留核心土的厚度和形状。2)在环形开挖过程中,通过合理的施工方式和支护措施,将核心土保留在隧道中央。3)保持核心土的稳定性,可以通过控制开挖速度、合理设置支护结构和监测施工变形等方式来保证。

2 浅埋卵石土层隧道施工方案选择

2.1 工程概况

富佑隧道全长1 979.61 m,起讫里程为：DK269+133—DK271+112.61,隧道最大埋深306.37 m,出口埋深6 m～23.7 m。相关工作人员经过勘探,确定该地区存在浅埋卵石土层,为确保施工能够顺利进行,相关工作人员提出使用浅埋卵石土层隧道施工技术,或者环形开挖预留核心土技术[3]。在此基础上,研究人员尝试构建浅埋卵石土层隧道数值模型,通过仿真实验对上述两种施工技术进行综合对比,以期在保障施工质量的基础上,缩短施工时间,压缩施工成本。

2.2 隧道参数设定

本次研究中,相关工作人员运用Midsa/GTS NX软件构建浅埋卵石土层隧道模型,基于真实的施工阶段以及施工需求,输出相应的模拟数据,其具体流程如图2所示。

研究人员通过实地勘探,发现该项目隧道洞身顶部为卵石土层,且周围岩体为强风化岩。基于这一实际情况,施工人员决定先运用预加固技术对岩体进行固定,再使用环形开挖预留核心工艺进行隧道掘进作业。其具体数据见表1。

表1 数值模拟参数

2.3 基本假定

模型使用了等效小导管加固区以及等效喷混,代表超前导管注浆与初支的实际效果。本次研究中,模型中构建的卵石土层以及片岩,分别采用了摩尔-库仑模型和杆单元模型来表示。在该模型中,土体的应力应变关系可以用线性弹性的Hooks定律来表示。该模型可以分析土体的应力分布、孔隙水压力以及土体的变形、沉降等力学性质。由于该模拟只涉及隧道上部的浅埋层,因此暂时不考虑构造应力所产生的影响,只需考虑自重应力对地层的作用即可。基于该前提,研究人员选取了一段长度为70 m的浅埋隧道段进行仿真模拟。该模型中,隧道段的上部属于卵石土层,洞身四周为片岩结构。掘进作业过程中,扰动范围为隧洞直径的3倍～5倍(见图3)。

3 施工方法对比分析

环形开挖预留核心土法,通过在隧道周围进行环形开挖并预留核心土,来维持施工现场的稳定性。双侧壁导坑法则通过在隧道两侧开挖导坑,来控制卵石土层的稳定和保护工人与设备的安全。两种方法在处理土体和支护结构上有所不同,环形开挖预留核心土法更注重保持现场的整体稳定性,而双侧壁导坑法更侧重于控制土层的坍塌和塌方。本次研究中,相关工作人员根据具体的地质条件、隧道尺寸和施工要求等指标,基于竖直位移、水平位移两个维度,对上述两种施工方法的施工效果进行横向对比,最终选择更为适宜的施工方法。

3.1 竖直位移对比

竖向位移云图对比图见图4。

分析上图可以发现,第一种施工方法拱顶部位的位移最大值为38.913,第二种方法拱顶位置的垂直移动最大值为30.111 mm,由此可以看出,在竖直位移方面,双侧壁导坑法对于土体的扰动更小,更能够保证隧道结构的稳定性。

3.2 水平位移对比

水平位移云图对比图见图5。

分析图5可以发现,采用第一种方法后,隧道周围岩体结构的水平位移最大值为22.137 mm,采用第二种方法后,隧道周围岩体结构的水平位移最大值为15.687 mm,由此可以看出,双侧壁导坑法对于隧道周围岩体结构的扰动较弱[4]。综合考虑竖直位移与水平位移效果,研究人员决定采用双侧壁导坑法开展掘进作业。

4 施工技术要点及核心技术分析

4.1 施工流程

首先,在开始施工之前,施工人员通过详细的地质调查与勘察,了解施工地区卵石土层的力学性质、排水性能、颗粒率等参数,这对施工过程中的导坑设计和岩体稳定性分析至关重要。此外,还可以确定与卵石土层相关的地下水位、地下水化学成分等重要信息,以便在施工过程中采取相应的措施。

其次,导坑设计尺寸决定了导坑的宽度和深度,对施工的安全和效率有着重要影响。导坑的宽度应该足够宽以容纳导坑机械和设备的运行,并且必须留有一定的安全间距。通常建议在设计导坑宽度时考虑导坑机械和设备的尺寸、操作空间与施工通道的需求。导坑的深度应达到卵石土层的稳定范围,一般取卵石土层厚度的1.5倍左右。通过明确导坑的深度,可以确保卵石土层在施工过程中不会发生失稳、滑动或塌方,保障施工的安全和顺利进行。

最后,导坑的开挖通常分为两个阶段进行。一方面,开挖导坑的上部,这样可以确保导坑机械和设备的安全通行。在这一阶段,需要特别注意保护导坑的边缘,以防导坑侧壁的塌方和坍塌。另一方面,开挖导坑的下部。在这一阶段,需要控制导坑侧壁的坡度和稳定,以确保施工现场的安全。为了防止导坑侧壁的滑动或崩塌,可能需要采用支护结构,如喷射混凝土、锚杆和网格等。支护结构的设计应根据具体的地质条件和导坑的尺寸要求进行,以提供足够的支撑和稳定性。

此外,在进行双侧壁导坑施工时,施工人员需要严格按照设计要求和安全规范执行施工步骤,并进行必要的质量控制和现场监测,以保证施工质量和施工过程的安全性。

4.2 核心技术

4.2.1 岩体稳定性分析

通过对卵石土层的岩石力学参数的测定和分析,可以获得关键的力学性质数据,如抗压强度、抗拉强度、内摩擦角等。这些参数可以用于计算卵石土层在导坑开挖过程中的稳定性。本次研究中,工作人员引入摩尔-库仑准则,基于土体的剪应力强度特征,其计算公式见式(1)：

(1)

其中,Fs为土体的稳定系数;τ为剪应力;σ为土体的正应力;c为土体的黏聚力;σn为法向应力;σnx为x方向的正应力;φ为土体的内摩擦角。通过计算稳定系数,可以判断卵石土层是否适合采用双侧壁导坑法进行施工。

4.2.2 导坑开挖控制

在导坑开挖过程中,需要采用合适的掘进方式和施工参数,以控制土体的下沉和位移,防止导坑侧壁的坍塌和塌方。控制导坑开挖的施工参数包括挖掘速度、施工顺序、支护时间等。通过合理地控制这些参数,可以减少土体的变形和位移,保持导坑的稳定性[5]。此外,还需要在施工过程中注意监测导坑侧壁的变形和位移情况,及时调整施工参数以确保施工的安全性。

4.2.3 支护结构设计

根据岩体特性和导坑的尺寸,需要设计合理的支护结构,以提供足够的支撑和稳定性。支护结构设计的关键在于选择适当的支护方式和材料。常用的支护方式包括喷射混凝土、锚杆和网格等。设计支护结构时需要考虑导坑侧壁的坡度、土体的性质和导坑开挖的深度等因素。此外,支护结构的施工时机和方法也需要进行合理的安排。与导坑开挖步骤相结合,确保支护结构能在适当的时机进行施工,提供足够的支撑和稳定性。

5 结论

本次研究中,研究人员通过施工前期调查和岩体稳定性分析,确定施工前的地质情况和岩体力学参数,为施工提供基础数据和依据。导坑设计尺寸的确定、导坑开挖控制和支护结构设计的合理实施,都对施工的安全和顺利进行起着关键作用。未来,对浅埋卵石土层隧道施工工法的研究还有许多方向可以探索。

一方面,可以在岩体稳定性分析中引入更先进的数值模拟和预测方法,提高分析的准确性;另一方面,可以研究并优化导坑开挖控制和支护结构设计中的施工参数和手段,进一步提高施工效率和安全性。此外,随着科技的发展,机械化施工和自动化技术在浅埋卵石土层隧道施工中的应用也值得关注。机械化设备的改进和创新,以及智能化施工技术的推进,可以提高施工效率,减少人力投入,并降低施工风险。