高寒膨胀土地区单线铁路隧道深埋中心水沟的施工方法

张 琦,宋 佳,赵宝毓,隋雨佳

(黑龙江省龙建路桥第一工程有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028)

高寒地区铁路隧道排水多采用深埋中心水沟与双侧侧沟组合的方式,极大程度上减少了冻害的发生,为隧道整体防排水质量提供了有力的保证[1]。目前高寒地区单线隧道建设经验较少,深埋中心水沟施工经验极少。深埋水沟施工工序多(含开挖、支护、埋管、防水、浇筑混凝土或碎石填充等),而且单线铁路隧道净空限界小,施工作业狭小且中心深埋水沟开挖较深,开挖时对周围围岩的扰动较大。此外,地区地质特殊条件也会增加施工安全风险,由于深埋中心水沟的开挖较深、坡度陡,若土体强度不高,则极易发生开裂甚至滑坡,影响隧道整体受力的平衡。不仅会威胁到施工人员的安全,还会影响工程质量和进度,已成为困扰隧道施工的重点问题。膨胀土有吸水膨胀、失水收缩的性质,深埋中心水沟开挖后一旦发现基底、侧壁渗水,则会产生因胀缩变形导致的基坑失稳,造成施工安全隐患。在这种复杂条件下,如果没有合适的解决方案应对膨胀土体影响下的深埋中心水沟施工,则极易造成施工安全事故,还有可能影响隧道运营时的排水效果,对工期、造价等产生巨大影响。以北黑铁路(龙镇至黑河段)升级改造工程项目卧牛隧道深埋中心水沟的施工为例,采用试验与理论分析方法,综合考虑施工条件、造价等因素,用预制构件代替钢架喷射混凝土联合支护的传统支护方法,以改良支护措施进行施工,对已完成的相似工程施工经验进行了扩充,并总结出相应的施工方法和具体参数。

1 工程简介

北黑铁路(龙镇至黑河段)升级改造工程项目卧牛隧道全长680 m,为全线重点控制性工程,围岩等级为V级。隧道最大埋深为33 m,隧址区温差较大,冬季严寒漫长,最冷月平均气温-23.2 ℃,极端最低气温为-44.5 ℃,最大冻结深度为2.98 m,因此需要设置深埋中心水沟防止渗漏水冻结。深埋中心水沟洞内680 m,洞外140 m,全长820 m均为膨胀土区域。深埋中心水沟基坑总开挖深度为3.71 m,基坑放坡坡度为1∶0.2,支护方式为初喷4 cm厚C25混凝土+组合型钢钢架支护+复喷C25混凝土,每榀钢架由3个工18型钢单元组成,纵向间距为0.6 m,每榀间以Φ8钢筋网和纵向钢筋进行连接。支护完成后进行上部混凝土基座、排水管及回填施工。

1.1 地质概况

1.2 水文概况

在综合分析钻探揭示的各类岩体特征及节理发育程度的基础上,对隧道洞身涌水量进行了初步预测。为了初步估算出隧道涌水量,采用大气降水入渗法。综合各计算结果,结合隧址区地层岩性、地质构造、水文地质条件,确定卧牛隧道最大涌水量为520.82 m3/d,隧道正常涌水量为233.41 m3/d。

1.3 前期施工概况

卧牛隧道整体长距离浅埋,地层工程性质差,结构松散,易坍塌掉块。前期进洞时,掌子面开挖时发现拱顶有渗水现象,在后续的深埋中心水沟开挖时,发现基坑底部、侧壁有严重的渗水现象。由于隧道穿越膨胀性岩土层,渗水对基坑稳定性的影响极大,加之深埋中心水沟基坑深且窄的特点,基坑基本无自稳能力,开挖后项目部及时在基底开挖截水沟、集水坑,用水泵将渗出的水抽至隧道外,以防止基底软化。在进行基坑内钢架拼装工作时,基坑内发现若干处已喷射混凝土的渗水现象,并伴随变形破坏。项目部立即撤出坑内人员,初步分析为深埋中心水沟所在地层的砂质泥岩遇水软化变形,抗剪强度急剧降低,使土压力增大,初喷混凝土的刚度太小,不足以抵抗土压力产生的变形,故发生上述情况。

2 影响施工原因分析

2.1 地质因素

隧道所在地层均为膨胀土,以砂质泥岩为主,在其遇水或失水时,土体体积和强度发生显著变化,造成开挖后基坑失稳,膨胀土有很高的承载力,但被水浸泡后体积逐渐膨胀,失水后体积又显著缩小,性质极不稳定,导致土的抗剪强度变化大。膨胀土由于其水胀、软化和脱水收缩、开裂等特点一直是工程应用的难点[2]。为研究膨胀土的性质,对深埋中心水沟基坑部位土体取样并进行自由膨胀率试验。试验操作步骤见《膨胀土地区建筑技术规范》[3]。计算公式为

(1)

式中:δef为膨胀土的自由膨胀率,%;vw为土样在水中膨胀稳定后的体积,mL;v0为土样原始体积,mL。

试验结果如下。

表1 自由膨胀率试验结果

经试验结果分析,本工程土体自由膨胀率为49%,属于弱膨胀土,试验同时表明在遇水2 h内,土体体积的变化速率最快。

项目部在卧牛隧道深埋中心水沟基坑开挖时,发现基坑壁、基底均有严重的渗水现象,基坑内的临时排水措施虽然可以保证基坑内不积水,但仍然无法阻止基坑壁的原土体因渗水发生强度骤降而导致的基坑侧壁失稳。

2.2 施工工艺因素

2.2.1 开挖因素

在基坑开挖时,由于基坑开挖面以上的土体被挖除,致使土体的自重应力不断向外释放,造成坑底土体在竖直方向上发生变形,当竖向变形过大时,会破坏基坑的稳定性[4]。同时,膨胀土地区隧道深埋中心水沟的基坑一般采用机械开挖的方式一次成型,机械开挖过程中,不可避免地会对基坑底部、侧壁原岩土层产生扰动,一定程度上使原状土的抗剪强度降低,诱发基坑坍塌事故,危及施工人员、机械及其他财产安全。

隧址区砂质泥岩在天然状态下强度较高,形成的边坡稳定性较好,对开挖产生的扰动敏感程度不高,但当其遇水后强度急剧下降,极易产生失稳。故在膨胀土地层施工深埋中心水沟时,因开挖产生的土体扰动程度明显低于土体遇水软化崩解的影响程度。

2.2.2 支护因素

卧牛隧道深埋中心水沟基坑设计的支护方法为:在基坑开挖后,采用4 cm厚C25喷射混凝土对坑壁进行初喷,随后架设型钢骨架,再复喷混凝土至设计厚度。型钢钢架由3个单元组成,各单元在洞外预制,洞内组装,由工18型钢、连接钢板焊接而成,各单元间以螺栓连接,型钢钢架与初喷混凝土间紧密接触,空隙处用混凝土垫块楔紧。型钢钢架间设纵向连接筋,采用Φ22的HRB400钢筋,按环向间距1.2 m设置,每个钢架单元设置3根Φ16定位钢筋,左右均匀布置,每根长1 m并与钢架焊接。

设计采用的Vb级衬砌支护方式对卧牛隧道而言有一定的不适用性,一是单线铁路隧道洞内作业空间狭窄,流水作业种类多,型钢在洞内组装极其困难。二是每榀钢架的连接需要工人在基坑内进行作业,作业时基坑的支护体系刚度很小,基坑边坡易产生滑塌,人员存在极大的安全风险。本工程深埋中心水沟基坑深,空间小,工人在基坑内操作不便、滞留时间长,且基坑内有渗水情况,地质条件极差,对作业人员的人身安全产生了极大的风险隐患。对于本工程深埋中心水沟的施工,减少基坑的敞开时间是保证工程作业安全的决定性因素。

3 改良工艺设计

3.1 传统工艺分析

施工图的传统施工工艺,是在深埋中心水沟的基坑开挖后人工铺设钢筋网片,再对基坑的底板部位和侧壁部位进行初喷混凝土施工,待喷射混凝土达到一定强度后在洞内拼装钢架及连接钢筋,上述工艺完毕后进行复喷混凝土施工,至此完成深埋中心水沟的初期支护施工。

3.2 改良工艺设计

在有严重渗水的膨胀性岩土中开挖较深的基坑,人员作业时的安全风险是很大的。若按照传统工艺进行施工,流水周期时间、基坑敞开时间均较长,安全风险较高。项目部对深埋中心水沟基坑传统施工工艺进行了改良,工艺改良的主要方向是:在隧道外按照原设计的钢架单元预先安装好,以每榀0.6 m的间距将3榀钢架通过连接钢筋与钢筋网片连成整体,制作模板后并浇筑与喷射混凝土同强度的模筑混凝土形成预制支护构件标准节,在基坑开挖后,将预制好的标准支护构件节段直接吊放入基坑内部,快速形成具有较大刚性的支护体系,随后用水泥砂浆灌入到预制构件与基坑侧壁的缝隙中,完成后只需工人在各标准节段的预留钢筋及钢筋网处进行焊接及复喷混凝土即可。此项优化工艺可以减少作业人员在基坑内部工作的时间,大幅降低传统施工工艺由于支护前期刚度小而对基坑内作业人员产生的危险,同时也可以节约人工、加快深埋中心水沟的施工进度。

经过实际试验后发现,将三榀钢架连接起来组成预制构件标准节段为最佳方案(见图1)。若采用2榀钢架组成标准节段(节段长0.6 m),则节段间接头过多,实际人工并没有显著的节约,且运输机械也没有充分发挥能力,场内倒运次数多,并没有取得预期效果。而4榀钢架组成标准节段(节段长1.8 m),则节段重量太大,起吊运输困难,且起吊后混凝土容易开裂破坏,同时由于栈桥的存在,下放到基坑内也难以操作。因此选择3榀钢架组成模筑混凝土预制构件为卧牛隧道深埋中心水沟施工的最佳选择。

图1 预制支护构件

项目根据实际情况进行调整和优化,最终预制构件具体参数为:

预制构件总长200 cm,底宽76 cm,顶宽190 cm,高161 cm。预制构件主骨架由3榀钢架构成,每榀间距60 cm,使用Φ8钢筋网及Φ22钢筋进行纵向连接,钢筋网及连接钢筋两侧各预留40 cm以用于搭接,钢架顶部预留吊环,用于吊装和运输。模筑混凝土使用与原设计喷射混凝土等强度的混凝土,浇筑前检查配合比和强度是否符合要求,待模筑混凝土强度等级达到设计强度的80%后方可拆模吊装。将每个标准节段运输到中心水沟后,预制构件之间使用搭接钢筋网、纵向连接钢筋及复喷的方式连接,按设计要求钢筋网搭接20 cm,连接筋焊接长度不小于22 cm,整体连接后复喷至设计要求厚度。

4 工艺优化后的运用

项目部采用优化后的工艺进行流水施工,取得了明显成效。一是解决了基坑开挖前期支护刚度小的问题,作业人员在基坑内作业时间明显缩短,安全性有了大幅提高。二是节约了人员投入,采用预制支护构件施工后,作业人员不再需要在坑内进行挂网初喷、钢筋绑扎、焊接、栓接钢架单元等工作,只需要在预制构件吊装之后进行各标准节段之间的焊接工作及复喷混凝土工作,大幅减少了各工序的施工周期。

卧牛隧道采用此工艺施工后,期间并未出现基坑边坡失稳现象,未出现人员伤亡及机械损坏事件,在保障施工安全的前提下,比预计完工时间提前了16 d,节约人工成本约10万元,结果表明,在高寒地区膨胀土隧道的深窄基坑内存在渗水的恶劣施工条件下,采用预制支护构件代替洞内施作钢架、锚网喷的方式可行,合理有效。

5 结 论

(1)在高寒、膨胀土的复杂地质情况进行隧道中的开挖前,施工单位需要先对地勘资料进行仔细的阅读和分析,并进行现场踏勘、挖试坑,必须重视基坑渗水对施工安全产生的影响,切勿盲目施工,以规避安全风险。

(2)所采用的支护改良施工工艺,在洞外预制好支护构件标准节段,再将预制构件用机械吊装入坑,支护更加提前,施工更加方便,减少了人员在基坑内的滞留时间,极大程度地降低了施工事故风险,增加了安全性,同时减少了工程施工成本,并最大限度地节约工期。

(3)此改良工艺适用于膨胀土地区单线铁路隧道深埋中心水沟施工,其他工程中的深、窄基坑及遇水易失稳的基坑设计、施工也可借鉴。

(4)所述工艺对基坑开挖尺寸的要求较高,预制的支护构件与基坑侧壁不可避免地会存在缝隙,可用水泥砂浆进行填灌,实际施工中效果良好。