淺埋砂層隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

馮曉東

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

干慶隧道地處山西聞喜縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)為單洞雙線黃土隧道，總長 6 693m，是大西客運(yùn)專線五條重點(diǎn)隧道之一，地形起伏較大，最大高差約為 261m。隧道通過區(qū)范圍內(nèi)地層巖性變化大，地質(zhì)情況較復(fù)雜，出口端表層為第四系上更新統(tǒng)坡、洪積)新黃土，細(xì)砂層，中間為第四系中更新統(tǒng)沖洪積)老黃土，細(xì)砂、粉砂層，下伏上第三系新統(tǒng)(N2)粉質(zhì)粘土，粉砂、細(xì)砂。隧道洞身穿越部分多夾有細(xì)砂層，細(xì)圓礫土，層間結(jié)合差，開挖后易發(fā)生剝落而產(chǎn)生坍塌。

1.2 水文地質(zhì)

隧道區(qū)有少量第三系孔隙水，雨季施工富水量可能增大，易匯聚不同巖層分界面處，在隧道中應(yīng)引起重視。

2 淺埋砂層隧道穩(wěn)定性特征

由于隧道開挖擾動的影響，圍巖中的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，應(yīng)力產(chǎn)生重分布，巖體的受力狀態(tài)改變，致使巖體的強(qiáng)度降低，承載能力下降。當(dāng)二次應(yīng)力值大于巖體強(qiáng)度時(shí)，巖體發(fā)生塑性變形，形成圍巖松動圈，隧道發(fā)生內(nèi)空收斂變形。淺埋砂層隧道，由于上覆地層較薄，開挖引起的變形極容易誘發(fā)地表下沉和圍巖大變形。又由于砂層的物理力學(xué)性質(zhì)較差，開挖后圍巖自身難以形成支撐環(huán)來維持洞室穩(wěn)定，若施工方法和支護(hù)加固措施選取不合理，易造成隧道圍巖變形過大，引起圍巖坍塌破壞，甚至冒頂。

3 砂層地質(zhì)中初期支護(hù)施工方法

3.1 超前支護(hù)

3.1.1 水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)

水平旋噴樁是通過水平鉆機(jī)鉆桿、噴嘴把配制好的漿液噴射到土體內(nèi)，高壓噴射流以巨大的能量將土體射穿，并在做緩慢旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退的同時(shí)切割土體，強(qiáng)制土顆粒與漿液攪拌混合，混合漿液凝固后，便形成水泥土柱狀固結(jié)體，即水平旋噴樁。旋噴形成樁土體相互咬接以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴樁帷幕體，可起到防流沙、抗滑移、防滲透的作用。

由于注入水泥漿在粉細(xì)砂層中擴(kuò)散效果不佳，呈線性分布，不能對砂層起到固結(jié)作用，與常規(guī)的大管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)相比，水平旋噴樁技術(shù)在防流沙方面具有更高的安全性，施工進(jìn)度好，成本較低等優(yōu)勢。

本工程設(shè)計(jì)水平旋噴樁沿隧道斷面外側(cè)，設(shè)置在隧道上半斷面(砂層中)，每500mm(樁心距)均勻布置一個(gè)樁徑為600mm的旋噴樁，咬合厚度10 cm，由于鉆桿剛度不夠，如果樁長度太長，樁的底部在鉆桿的自重作用下會逐漸向下方偏移，最終侵入開挖輪廓線內(nèi)而失去作用，故施工中設(shè)計(jì)樁長12m，縱向搭接長度2m，近水平方向布設(shè)，形成圓拱。

旋噴技術(shù)參數(shù):旋噴注漿壓力20MPa～25 MPa，后退速度20 cm/min～25 cm/m in，旋轉(zhuǎn)速度20 r/min～25 r/m in;噴嘴個(gè)數(shù)及直徑:雙噴嘴，2.5mm～2.8mm。水泥采用P.O42.5R普硅水泥，按水灰比W∶C=1∶1配合比配制、拌和。

3.1.2 超前小導(dǎo)管

從開挖后暴露出來的情況看，水平旋噴樁樁體質(zhì)量均勻、穩(wěn)定，加固效果可靠。在充分利用水平旋噴樁剛度和強(qiáng)度的前提下，發(fā)揮超前小導(dǎo)管的靈活性，將兩者較好的結(jié)合，施工中超前小導(dǎo)管由原設(shè)計(jì) 120°范圍調(diào)整至 180°，每 3榀施作一環(huán)改為每榀一打，長度為2 m/根～3m/根，局部環(huán)向間距加密，調(diào)整為 10 cm/根～20 cm/根。

3.2 開挖方法

由設(shè)計(jì)的三臺階臨時(shí)仰拱法改進(jìn)為短臺階預(yù)留核心土弧形開挖法，上臺階長度不超過 4m，中部臺階分為中上、中下兩個(gè)臺階，兩個(gè)臺階長度均為1.8m，下臺階長度不超過3m，仰拱距離掌子面不超過 16m，臺階連接處安設(shè)Ⅰ20b臨時(shí)橫撐，必要時(shí)增加豎撐。并且在開挖過程中短區(qū)段人工開挖，減少對圍巖的擾動，盡量縮短圍巖的暴露長度，開挖與噴射混凝土交叉作業(yè)，有漏砂處及時(shí)插入木板并噴射混凝土封閉，確保砂子不漏不掉，避免致密砂層擾動后形成松散壓力。

3.3 初期支護(hù)

洞身設(shè)計(jì)圍巖級別為黃土 Vb，支護(hù)參數(shù)為:全斷面設(shè)置Ⅰ25a工字鋼鋼架，間距0.6m/榀，噴射C25混凝土35 cm，拱墻設(shè)置φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格20 cm×20 cm，臺階連接處由原設(shè)計(jì)的 4根鎖腳錨管加強(qiáng)至 6根，長度 4m，并且在上、中臺階拱腳也用槽鋼支墊，施工過程中進(jìn)行倒用，通過這些措施有效地減少鋼架下沉。

根據(jù)現(xiàn)場施工信息反饋，砂層地段不能采用設(shè)計(jì)的濕噴工藝，原因:1)濕噴準(zhǔn)備工作時(shí)間較長，由于砂層自穩(wěn)能力差，不能及時(shí)封閉開挖面;2)濕噴混凝土初凝時(shí)間較長，不能及時(shí)起到支護(hù)的效果;3)濕噴的風(fēng)壓較干噴略高，對砂層擾動更大。由于濕噴在砂層段施工中具有明顯的不足之處，故將原設(shè)計(jì)濕噴工藝調(diào)整為干噴。

3.4 步距控制

根據(jù)砂層段變形釋放快，易失穩(wěn)的特點(diǎn)，在鐵道部 120號文的基礎(chǔ)上，施工過程中以仰拱距掌子面距離不超過 16m，襯砌距掌子面距離不大于 35m的強(qiáng)制性規(guī)定來指導(dǎo)施工，這一強(qiáng)有力措施很大程度保證了施工安全。

3.5 初支背后回填注漿

由于混凝土的自重及噴射混凝土密實(shí)度等的影響，初支背后與土體之間不可避免的會出現(xiàn)空隙。為了有效減小由于空隙引起的地面沉降，在施工時(shí)預(yù)先埋設(shè)φ42mm注漿鋼管，鋼管長100 cm左右，埋入砂層50 cm，外露15 cm，梅花形布置在拱頂及兩側(cè)拱腳位置，每 3m～5m設(shè)置1道。待仰拱成環(huán)10m左右后，便開始進(jìn)行背后回填注漿。注漿液采用水泥—水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.2MPa～0.4MPa，采用間歇注漿的方式進(jìn)行，注漿與靜壓交替進(jìn)行，保證回填密實(shí)。

3.6 監(jiān)控量測

隧道開挖后，圍巖向坑道方向的位移是圍巖動態(tài)的顯著表現(xiàn)，最能反映出圍巖或支護(hù)的穩(wěn)定性，淺埋砂層隧道開挖后，一般會有明顯的下沉，因此地表的觀察和地表的沉降顯得尤為重要。淺埋砂層隧道監(jiān)控量測項(xiàng)目包括洞內(nèi)外觀察，地表沉降和洞內(nèi)監(jiān)控量測。有條件時(shí)可進(jìn)行初期支護(hù)應(yīng)力檢測。

3.6.1 地表變形監(jiān)測

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際地形情況，在地表沿隧道線路方向布置觀測點(diǎn)，縱向每5m布置一個(gè)斷面(與洞內(nèi)測點(diǎn)相對應(yīng)，便于對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析)，每個(gè)斷面布設(shè) 5個(gè) ～7個(gè)觀測點(diǎn)，以線路中心為對稱點(diǎn)。量測頻率為每天一次。地表觀測點(diǎn)應(yīng)在開挖之前開始觀測，這樣可以獲得開挖全過程的沉降值。

3.6.2 洞內(nèi)凈空位移監(jiān)測

采用全站儀無尺量測方法，對拱頂下沉和水平收斂進(jìn)行量測，洞內(nèi)按照 5m的間距設(shè)置量測斷面，量測頻率為每天兩次。主要檢測隧道拱頂下沉、拱腰、邊墻處的收斂變形。隧道內(nèi)測點(diǎn)布置見圖 1。在拱頂處布置下沉測點(diǎn)，在拱腰設(shè)置水平收斂的上部測點(diǎn)，監(jiān)控上臺階開挖后變形規(guī)律;邊墻處設(shè)置水平收斂的中部測點(diǎn)，監(jiān)控中臺階開挖變形收斂;下臺階拱腳處(高于填充頂面)布置下部測點(diǎn)，監(jiān)控下臺階開挖變形收斂。測點(diǎn)均采用深入初期支護(hù)背后砂土內(nèi)，外露10 cm左右，焊接小塊鋼板，鋼板上粘貼帶十字絲測量反光片，每組收斂點(diǎn)均位于同一里程同一水平線上。拱頂下沉應(yīng)緊貼掌子面，其讀數(shù)應(yīng)在開挖后 3h～6 h內(nèi)完成。

3.6.3 量測結(jié)果分析

改進(jìn)施工方法后，洞內(nèi)DK 592+550～DK 592+500共測設(shè)10個(gè)斷面，累計(jì)拱頂沉降最大值為46mm，最小值為15mm，平均值為21mm;水平收斂累計(jì)最大值為35mm，最小值為9mm，變形在可控范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較好，證明該施工方案是可行的。

4 結(jié)語

1)經(jīng)過施工實(shí)踐和不斷探索，總結(jié)出淺埋大斷面砂層隧道施工關(guān)鍵技術(shù):a.水平旋噴樁超前預(yù)支護(hù)結(jié)合密排超前小導(dǎo)管;b.短臺階施工，嚴(yán)格控制臺階長度，分區(qū)段人工開挖，及時(shí)支護(hù);c.臨時(shí)支撐控制圍巖變形;d.初期支護(hù)背后注漿回填;e.仰拱、襯砌緊跟。2)砂層含水量決定砂層的自穩(wěn)性，因此含水量的監(jiān)測是不可少的一道工序，如果粉砂干燥可能發(fā)生突然涌砂，可封閉掌子面后適量注改性水玻璃或水，增加砂層穩(wěn)定性。3)淺埋砂層隧道具有變形釋放快，而且變形累計(jì)達(dá)到一定數(shù)值后，松散壓力達(dá)到初期支護(hù)的極限狀態(tài)會發(fā)生突變，因此監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析顯得尤為重要，變形速率連續(xù) 3 d達(dá)到 5mm以上，或者累計(jì)值達(dá)到100mm，必須停止掘進(jìn)，采取加固措施，跟進(jìn)仰拱、襯砌。

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