某铁路受滑坡和机场定向台影响, 线路以隧道方式先后穿越不良地质段。其中在进口端有50m, 由于受地形限制, 隧道拱顶已露出地表0.8m, 且地表有弹药库、试炮洞以及某军工企业厂房等, 施工环境极其复杂。原设计该里程段采用明挖法施工, 必须将上述军用设施和军工企业厂房进行拆迁, 工程量大, 占地面积多, 而且拆迁周期长, 无法满足施工工期要求。基于以上背景, 本文提出一种适用于复杂环境中的隧道拱顶外露地表暗挖施工技术, 可避免明挖施工开挖量大、边坡防护量大等缺点, 同时可保护周围环境, 地表建 (构) 筑物不必拆迁, 进一步缩短施工工期。

该隧道穿越地层为第四系黏质黄土, 平、纵断面如图1所示。

隧道穿越地层为风积黏质黄土 (Q₃^eol) , 浅黄~淡黄色, 厚度20~40m, 土质均一, 颗粒以黏粒为主, 土体较疏松, 垂直节理发育, 虫孔及针状孔隙发育, 表层含有植物根系, 土体结构较紧密, 坚硬~硬塑, Ⅱ级普通土, Ⅴ级围岩, σ₀=150k Pa。具Ⅲ~Ⅳ级湿陷性。隧道从该黄土地层穿越, 其物理力学指标为:弹性模量100MPa, 重度18k N/m³, 泊松比0.34, 黏聚力105k Pa, 内摩擦角23°。

下伏岩层为新近系泥岩 (N₁) , 棕红色、褐色、浅灰色, 成分以黏土矿物为主, 泥质结构, 层状构造, 节理裂隙发育, 成岩作用差, 岩质较软弱, 遇水易软化。强风化厚10~20m, Ⅲ级硬土、Ⅴ级围岩, σ₀=300k Pa;弱风化, Ⅳ级软石, Ⅴ~Ⅳ级围岩, σ₀=400k Pa。

钻探资料揭示, 各钻孔基本未揭示到地下水, 含水条件较差, 贫水, 正常涌水量约100m³/ (d·km) , 对隧道施工影响较小。

该50m段根据地形设计为明洞断面, 采用明挖法施工, 为方便洞顶排水, 在洞顶设置1处渡槽。图2为明挖小里程端横断面;图3为明挖大里程端横断面。

1) 采用明挖法施工, 隧道明洞渡槽段的最大高程差可达到13m, 施工工序繁琐, 同时因其拱顶仅出露地表0.8m, 地表以下埋深较深, 进而需要较大的开挖量以满足明洞施工的要求。

2) 由于该段地表为军工企业厂房, 其中小里程端拱顶正上方为弹药库, 且线路左侧8m为使用中的试炮洞, 采用明挖法施工必须将弹药库和试炮洞进行迁移, 其迁改和新建周期长, 同时大量的土石方开挖会对附近居民造成不利影响。

3) 在施工期间受自然天气的影响较大, 如若排水不当, 易导致渡槽段大量积水, 进而影响施工安全和工期。同时由于该段内黏质黄土的湿陷性明显, 进一步恶化围岩条件, 给施工带来额外的困阻, 并留下安全隐患。

为解决该50m段周边环境复杂、湿陷性黄土变形大、明挖施工不易实施的困难, 并进一步提高施工工效, 在进行现场实地勘察并经技术经济比选后, 提出一种适用于复杂环境中的隧道拱顶外露地表的暗挖施工技术, 即裸露拱盖法施工工法, 可避免明挖施工开挖量大、边坡防护量大等缺点, 同时可保护周围环境, 地表建 (构) 筑物不必拆迁, 进一步缩短施工工期。

隧道围岩既是荷载的来源, 又具有自承能力, 同时管棚加固地层效果好, 正是基于此形成了本施工工法。在隧道进入拱顶外露区段, 首先对掌子面前方围岩进行超前大管棚预加固, 以加强隧道拱部围岩的稳定性, 同时防止拱部的失稳坍塌, 在管棚的支护下, 及时开挖上台阶和初期支护施工;同时通过每处2根4m长的89锁脚管棚, 有效地控制初期支护拱脚下沉;再次采用3m长的89管棚径向加固, 有效防止周边围岩收敛, 从而控制支护大变形。施工中严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的原则, 快速封闭成环确保施工安全。该工法具有以下特点。

1) 对地表零开挖, 以拱部外露的暗挖隧道施工法通过, 避免对地表环境及建 (构) 筑物的影响。

2) 采用108超前短管棚 (6m) +89锁脚管棚 (4m) +89管棚径向注浆 (3m) 的综合加固方式, 有效地控制了地面沉降和支护变形。

3) 减少了征地面积和边坡防护量, 节约工程投资, 对周边生态环境的影响极小。

4) 与明挖法相比, 工程量小且不受雨季施工影响, 施工速度快。

施工前对此段地表进行截排水施工, 避免施工时雨水进入隧道软化隧道围岩、加速湿陷性黄土变形速率, 增大施工难度。

超前管棚支护如图5所示。采用ф108管棚对隧道地面以下暗挖部分进行超前支护, 管棚长度6m, 搭接长度1.2m, 环向间距加密至20cm, 不设管棚工作室, 及时进行注浆。

1) 预留核心土, 开挖上台阶, 将上台阶I25a钢架拱脚夯实并施加混凝土垫块, 增加钢拱架承载力, 减少拱脚下沉量, 架设上台阶钢架, 同时拱脚采用槽钢连接, 施加ф42锁脚锚管, 同时安装ф95锁脚管棚导向管并焊接在钢架上, 每循环进尺控制在1榀钢架, 钢架间距0.6m, 钢架型号为I25a, 拱部外露部分采用ф22双层连接钢筋和双层钢筋网片, 如图6所示。

2) 对拱顶外露部分施作外侧模板, 并喷35cm厚C25混凝土初期支护。

3) 上台阶继续施工3m后, 开始施作上导ф89锁脚管棚, 管棚长度4m, 采用1∶1水泥浆液注浆。

中台阶施工工序同上台阶, 中台阶施工3m后, 开始施作ф89锁脚管棚, 管棚长度4m;同时施作ф89径向管棚并注浆, 径向管棚长度3m, 纵向间距0.6m, 环向间距1.0m, 并与钢架焊接牢固, 采用1∶1水泥浆液注浆, 如图7所示。

下台阶施工工序同上台阶, 及时施作ф89锁脚管棚, 管棚长度4m;同时施作ф89径向管棚并注浆, 径向管棚长度3m, 纵向间距0.6m, 环向间距1.0m, 并与钢架焊接牢固, 采用1∶1水泥浆液注浆, 如图8所示。

控制仰拱距掌子面步距在18m以内, 及时施作仰拱, 仰拱厚度70cm, 配置5根ф22钢筋, 仰拱一次施工长度为3m, 初期支护封闭成环。

控制衬砌距掌子面步距在30m以内, 采用在衬砌台车端头搭建2m长简易防水板及钢筋施工台架, 衬砌一次施工长度为10m, 二次衬砌拱墙厚度60cm, 配置5根ф22钢筋, 衬砌封闭成环。

拱顶地表回填土石时与地表原地形顺接满足排水要求, 采用机械夯实, 土石上部施作浆砌片石, 即可防止后期雨水冲刷下渗, 如图9所示。

1) 监测结果显示, 最大地表沉降量在18~29mm, 符合设计要求。

2) 避免了军工厂房及设施的迁改新建, 直接节约新建成本480万元。

3) 该段要求工期为2个月, 现场实际施工45d完成, 提前工期15d;节省明洞土石开挖和边坡防护工程量, 直接节约施工成本101万元。

4) 减少了明挖法的地表征地面积7.8亩 (1亩=666.67m²) , 节省直接征地拆迁费用60万元。

1) 首次提出并采用拱顶裸露地表的拱盖法施工方法, 实现了零埋深或负埋深的隧道开挖方法, 以拱部外露的暗挖隧道施工法通过, 避免隧道施工对周围建 (构) 筑物的影响。

2) 复杂环境裸露拱盖法施工工法的关键工序: (1) 通过预加固和后加固措施严格控制围岩和支护变形; (2) 分三台阶预留核心土开挖, 并及时使初期支护封闭成环; (3) 严格控制施工步距。