富水砂卵石層明挖隧道基礎(chǔ)處理方案研究

翟 可

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

0 引言

對富水砂卵石地層，工程界常認(rèn)為砂卵石顆粒間為點對點接觸和傳力，地層承載力高，地層失水或小顆粒損失不會對地基產(chǎn)生很大影響，該地層作為工程地基使用時不需進行地基處理。近年來隨著涉及該地層的大量工程建設(shè)，對該地層的認(rèn)識在不斷深化，如廣泛分布富水砂卵石地層的成都地鐵，在區(qū)間隧道施工完成較長時間后，會產(chǎn)生滯后沉降、地面塌陷問題，此現(xiàn)象引起工程界對該地層的重視和深入研究。白永學(xué)等［1］結(jié)合成都地鐵施工后地表塌陷問題，認(rèn)為砂卵石地層顆粒間在外界因素干擾下，顆粒間毛細力和黏聚力破壞，地層可產(chǎn)生顆粒流動現(xiàn)象;羅松［2］、宋修元等［3］對成都地鐵砂卵石層產(chǎn)生的滯后沉降問題分析后認(rèn)為，地下水提升、動荷載影響、顆粒損失是產(chǎn)生滯后沉降的4個階段之一，由此可見，對存在外界環(huán)境干擾(如地下動水、動荷載等)的富水砂卵石地基應(yīng)進行地基加固處理。

鐵路隧道工程極少處于長距離的河床富水砂卵石地層中，對該地基處理缺少研究和成熟的工程經(jīng)驗，本文借鑒成都地鐵隧道建設(shè)對該地層總結(jié)出的地層特性，以山西某鐵路隧道穿越的露水河河床為例，對隧道基礎(chǔ)處于含地下動水的砂卵石地基處理進行方案比選，并結(jié)合工后沉降計算分析及現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)，提出具體的工程處理意見。

1 工程概況

山西某鐵路為以重載煤運為主，列車軸重為30 t的Ⅰ級干線電氣化鐵路;該線太行山隧道全長18 125 m，為2個單洞單線隧道，左右線間距30 m，設(shè)計時速120 km/h。

太行山隧道洞身局部穿越國家級風(fēng)景保護區(qū)，按照環(huán)評報告要求，隧道在DK590+355～+700段需下穿345 m寬的露水河床(如圖1所示)。

圖1 露水河段平面圖Fig.1 Plan layout of tunnel crossing Lushui River

露水河受上游水庫蓄水影響，現(xiàn)狀河床表面常年干枯，但由于上游水庫庫底滲漏、降雨、灌溉及沿河居民生產(chǎn)生活用水的排入，勘察期間發(fā)現(xiàn)河床頂面下約24 m存在緩流的地下水，水位隨季節(jié)變化明顯，按照河床上下游高差推算地下水流水坡度約為3.8‰。

該淺埋段地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂卵石及強-中風(fēng)化的片麻巖;砂卵石層厚22～41 m，卵石成分為石英砂巖，σ0=500 kPa，質(zhì)量比為61% ～78%，粒徑80～200 mm，圓礫含量約18%，填充物為中細砂，地層滲透系數(shù)約6×10-2cm/s，孔隙率32%;片麻巖強風(fēng)化層厚度為5～10 m，σ0=800 kPa，孔隙率約12%。隧道洞身主要位于砂卵石地層，地下動水穩(wěn)定水位在隧道基礎(chǔ)頂面上3 m左右。

根據(jù)隧道埋身及地質(zhì)條件等因素綜合分析，本段隧道結(jié)構(gòu)按照明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計，明挖法施工;基坑深23.6～25.2 m，三級放坡土釘支護，坡率1∶0.25～1∶1，基坑橫斷面設(shè)計見圖2。

圖2 明挖段基坑橫斷面圖Fig.2 Cross-section of foundation pit of open-cut tunnel section

2 基礎(chǔ)處理設(shè)計思路

依據(jù)勘察資料，卵石地層的基底承載力完全滿足隧道基礎(chǔ)承載力要求，但隧道基礎(chǔ)所處的河床卵石地層含有粉細砂顆粒，且隧道基礎(chǔ)位于地下水位線下，因河流上下游形成標(biāo)高差，河床下卵石層中的地下水處于向下流動狀態(tài)，在隧道基礎(chǔ)持力卵石層中形成河底暗流，若該地下水量增大、流速增加或在長時間流水作用、重載列車動載等環(huán)境因素影響下，卵石層中細小顆粒會不斷損失，使隧道基礎(chǔ)下砂卵石地層產(chǎn)生蠕動變形，從而引起隧道整體下沉或水平移動，危及行車安全，故必須采取措施消除該影響。該地層處理的措施主要是注漿固結(jié)，使大、少顆粒粘結(jié)成整體，防止細小顆粒損失;但若采用注漿將隧道基礎(chǔ)下約10 m厚的卵石地層全部進行整體加固，則加固后的地層與隧道洞身一起將形成一道攔水壩，截斷地下水滲流途徑，在隧道結(jié)構(gòu)外河床上游側(cè)匯集并形成高水位，使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏壓，不利于隧道平面穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)防水。經(jīng)多方案論證，最終決定對地下水進行疏通，按照最不利工況進行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計等的綜合處理方案，主要思路如下:

1)地下水流保通措施。根據(jù)現(xiàn)狀地下水位，在隧道基礎(chǔ)下設(shè)置專門過水通道或?qū)λ淼阑A(chǔ)地層進行抽條加固處理，加固段滿足固結(jié)地層細小顆粒的要求，不加固段滿足地下水通過需要。

2)依據(jù)最不利工況進行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計。按照上游水庫潰壩工況，計算該處水頭高度，按照偏壓及水壓荷載進行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采取輔助隧道防水和穩(wěn)固措施。

3 隧道基礎(chǔ)處理設(shè)計方案

3.1 隧道基礎(chǔ)地層整體加固+專用過水通道(方案1)

對隧道基礎(chǔ)下的卵石地層進行均勻整體注漿加固，使該層大小顆粒形成一體;在隧道結(jié)構(gòu)與已加固地層間設(shè)置2 m厚的級配碎石夯實層作為專門過水通道，滿足地下水橫穿隧道下部需要，如圖3和圖4所示。隧道結(jié)構(gòu)按照最不利工況荷載，采用1 m厚的P10、C35鋼筋防水混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，以滿足結(jié)構(gòu)受力需要;為滿足防水需要該段隧道采用全包防水設(shè)計。

3.2 隧道基礎(chǔ)地層抽條加固方案(方案2)

將隧道基礎(chǔ)下的卵石地層進行抽條加固，注漿加固固結(jié)區(qū)寬3 m，非加固區(qū)寬2 m，間隔布置。固結(jié)區(qū)確保隧道基礎(chǔ)下地層穩(wěn)定，非加固區(qū)為過水通道。隧道結(jié)構(gòu)在設(shè)計時，考慮基礎(chǔ)的不均勻性，隧道底部結(jié)構(gòu)設(shè)置縱向暗梁，以抵抗地基的不均勻變形要求;其他隧道結(jié)構(gòu)及防水設(shè)計同方案1，如圖5所示。

圖3 方案1橫斷面圖Fig.3 Cross-section of No.1 consolidation method

圖4 方案1縱斷面圖Fig.4 Longitudinal profile of No.1 consolidation method

圖5 方案2橫斷面圖Fig.5 Cross-section of No.2 consolidation method

4 2種基礎(chǔ)處理方案工后沉降理論計算對比分析

4.1 方案1工后沉降計算

按照方案1基礎(chǔ)卵石層滿堂加固，過水通道采用級配碎石夯實層的處理措施，引起隧道基礎(chǔ)沉降的地層有2層:一是注漿加固后的砂卵石層，二是承擔(dān)過水作用的級配碎石層。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，該復(fù)合地基最終變形量

式中:s為復(fù)合地基最終變形量，mm;ψsp為復(fù)合地基沉降計算經(jīng)驗系數(shù);s'為復(fù)合地基的計算變形量，mm。

復(fù)合地基的計算變形量

式中:p0為基底附加壓力，考慮隧道結(jié)構(gòu)自重、明洞上部回填土及列車荷載，取28 kPa;Esi為基底第i層土的壓縮模量，根據(jù)現(xiàn)場試驗，取級配碎石層壓縮模量9.5 MPa，注漿加固層壓縮模量35.5 MPa;zi為基底第i層土底面的距離，根據(jù)地質(zhì)縱斷面，取z1=2 m，z2=6.8 m;αi為基底計算點至第i層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，根據(jù)文獻［4］取=0.247=0.208。

經(jīng)計算得級配碎石層沉降5.8 mm，注漿加固后的卵石層沉降2.9 mm，2層總沉降8.7 mm。

復(fù)合地基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψsp根據(jù)變形計算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值Es取值0.31［4］。

該地基最終變形量

s=ψsps'=0.31×8.7=2.7 mm。

圖6 方案2縱斷面圖Fig.6 Longitudinal profile of No.2 consolidation method

4.2 方案2工后沉降計算

對卵石層采用抽條加固，抽條加固區(qū)段等效成樁基自身壓縮沉降進行計算。

樁在荷載作用下樁身壓縮沉降［5］

式中:h為樁長，取3.4 m;p0為樁頂荷載，取12 418 kN;A為樁身截面積，取26 m2;Ec為樁身混凝土彈性模量(加固體彈性模量)，取600 MPa;Qsk為單樁極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取5 947 kN。

抽條加固區(qū)地基沉降量sc=1.9 mm。

4.3 計算結(jié)果與分析

由上述2方案工后沉降計算結(jié)果分析，可得出如下結(jié)論:

1)方案2工后沉降量約為方案1工后沉降量的70%。

2)方案1工后沉降值中，2 m厚級配碎石層(人工設(shè)置的過水通道)沉降值占該方案總沉降值的67%，為該方案地基主要變形層。

綜合分析方案2地基沉降量小于方案1，隧道地基處理按照方案2實施。

5 隧道地基沉降實測結(jié)果及分析

5.1 地基沉降量測結(jié)果

隧道基礎(chǔ)砂卵石地層采用抽條注漿加固施工后，對該段隧道基礎(chǔ)進行沉降量測，在不同里程設(shè)5個觀測點，在明洞上部回填后開始1次/周，連續(xù)3個月觀測，繪制出各點的沉降變化曲線，見圖7。

從圖7中可知，隧道基礎(chǔ)地層在前2個月處于沉降積累中，從第3個月開始基礎(chǔ)沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降量累計1.7 mm。

圖7 實測沉降曲線圖Fig.7 Curves of measured settlement

5.2 地基沉降結(jié)果判定結(jié)論

根據(jù)鐵建設(shè)［2006］158號《客運專線無碴軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》［6］要求，隧道在鋪設(shè)無碴軌道前，應(yīng)滿足以下條件:

1)對不少于3個月的沉降觀測作曲線回歸分析，曲線回歸的相關(guān)系數(shù)不應(yīng)低于0.92。按照現(xiàn)場沉降觀測數(shù)值，作出曲線的回歸系數(shù)為0.96＞0.92，滿足要求。

2)沉降趨于穩(wěn)定時，設(shè)計及實測沉降總量不大于5 mm。采用抽條加固計算地基總沉降量為1.9 mm，實測總沉降量為1.7 mm，均小于5 mm，滿足要求。

3)預(yù)測的隧道基礎(chǔ)工后沉降值不應(yīng)大于15 mm。根據(jù)實測的沉降值，采用雙曲線法預(yù)測地基沉降值隨時間變化。取初期沉降S0=0，回歸系數(shù)a=42.454，b=0.324 9，曲線回歸的相關(guān)系數(shù)R2=0.930 6，如圖8所示。

預(yù)測的最終沉降值Sf=1/b=3.1 mm＜15 mm，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論與體會

1)對存在地下動水、動荷載影響的富水砂卵石地基進行基礎(chǔ)處理時，需充分考慮地基處理方案對地下水流徑方向的影響，避免工程次生災(zāi)害。

圖8 預(yù)測沉降雙曲線法回歸系數(shù)求解圖Fig.8 Settlement prediction by hyperbola regression method

2)富水砂卵石地基處理時，需首先選擇對地基自身地層進行加固處理，不建議在結(jié)構(gòu)下部設(shè)置人工換填層，以利于控制地基總沉降量。

3)建議對富水砂卵石地層注漿方案進行進一步研究，深入掌握滲流、強透水、細顆粒砂卵石地層注漿參數(shù)，確保該地層注漿加固質(zhì)量以滿足設(shè)計要求。

［1］ 白永學(xué)，漆泰岳，吳占瑞，等.砂卵石層盾構(gòu)施工地層損失原因分析與施工對策［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(3):54-61.(BAI Yongxue，QI Taiyue，WU Zhanrui，et al.Analysis of and countermeasures to causes of ground loss induced by shield construction in sandy pebble stratum［J］.Municipal Engineering Technology，2012，49(3):54-61.(in Chinese))

［2］ 羅松，張浩然.成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工滯后沉降防控措施探討［J］.隧道建設(shè)，2010，30(3):317-319.(LUO Song，ZHANG Haoran.Discussion on prevention and control of delayed settlement induced by shield tunneling in water-rich sandy cobble stratum in Chengdu［J］.Tunnel Construction，2010，30(3):317-319.(in Chinese))

［3］ 宋修元.富水砂卵石地層洞內(nèi)深孔定點填充注漿加固技術(shù)淺析［J］. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48(3):132-135.(SONG Xiuyuan.Analysis on deep hole grouting consolidation for tunnels in water-rich sandy gravel stratum［J］.Municipal Engineering Technology，2011，48(3):132-135.(in Chinese))

［4］ GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］ 賴瓊?cè)A.樁基沉降實用計算方法［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(6):1015-1019.(LAI Qionghua.Practical calculation procedure ofpile-foundation settlenent［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(6):1015-1019.(in Chinese))

［6］ 鐵建設(shè)［2006］158號 客運專線無碴軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道工業(yè)出版社，2006.