大西客運專線上白隧道穿越粉細砂層超前支護方案探討

侯軍紅，曾 青

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

1 隧道概況

上白隧道設(shè)計為單洞雙線隧道，線間距為5 m。隧道進口里程改 DK594+747，出口里程改DK596+464，全長1 717 m。

隧道位于直線上，隧道內(nèi)設(shè)單面坡，自進口至出口為14.5‰的上坡，隧道最大埋深126.22 m。

隧道所屬地區(qū)，黃土臺塬地貌，沖溝發(fā)育，地形起伏較大。山體綿延起伏，大部分被黃土覆蓋，溝谷深切較大，多呈“U”及“V”字形，地表多為耕地及林地。

2 現(xiàn)場施工揭示的地質(zhì)情況

隧道進口于2010年6月8日實現(xiàn)進洞施工，7月23日拱部開始出現(xiàn)干燥粉細砂層，掌子面涌砂嚴重，施工進展極為緩慢。

隧道洞身穿越砂層為第四系上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)砂層，該砂層位于新老黃土中，以夾層形式出現(xiàn)，厚度不均，在隧道不同部位均能遇到。該段砂層有四個特點:(1)以淺黃褐色粉細砂、細砂為主，顆粒粒徑主要集中在0.075～0.25 mm區(qū)間，約占總重的80% ～93%，顆粒較均勻，顆粒級配差;(2)干燥，天然含水率僅為2% ～4%;(3)密實狀態(tài);(4)黏聚力低，原樣經(jīng)多次取樣困難，利用擾樣進行夯實制樣，黏聚力0～2 kPa，內(nèi)摩擦角為30°～32°。此類砂層靈敏度高，觸變性強，在施工過程中，造成擾動，極易引起漏砂及涌砂。

3 事由經(jīng)過簡述

針對上白隧道砂層開挖困難，多次發(fā)生拱部漏砂、掌子面涌砂、進度緩慢的情況，研究提出了密排小導(dǎo)管注漿方案、洞內(nèi)超前深孔注漿預(yù)加固方案以及水平旋噴樁方案。

3.1 密排小導(dǎo)管注漿方案

3.1.1 目的

隧道開挖線外通過帶插板小導(dǎo)管注漿和調(diào)整施工工法以解決掘進過程中的流砂和坍塌問題，確保施工安全，提高施工質(zhì)量、加快施工進度、降低施工造價。

為了解決空隙小、滲透條件差的粉細砂地層，通過選擇可注性注漿材料和合理小導(dǎo)管施工技術(shù)提高圍巖的自穩(wěn)能力，保持開挖面穩(wěn)定、防止掉拱和結(jié)構(gòu)過量沉降。

3.1.2 加固設(shè)計方案(圖1、圖2)

對拱部及掌子面開挖時出現(xiàn)的粉細砂層，為了達到有效的控制流砂或坍塌等須在開挖線外180°范圍采用超前帶插板小導(dǎo)管注漿支護，達到超前支護、格柵與砂質(zhì)地層密貼和受力要求;小導(dǎo)管長2.5 m、上焊接10 cm、寬1.0 m長的鋼板，小導(dǎo)管環(huán)向間距10 cm、縱向間距0.6 m，管上預(yù)留注漿口;注漿材料及工藝根據(jù)試驗情況確定。

為確保開挖時掌子面砂層穩(wěn)固，上臺階掌子面增設(shè)超前小導(dǎo)管注漿;每循環(huán)掌子面開挖完成后，立即噴射混凝土，厚度5 cm，對掌子面進行封閉。

為便于施作超前插板小導(dǎo)管，拱架采用格柵鋼架，格柵主筋采用φ25鋼筋，鋼架間距0.6 m。

施工方法采用上臺階雙隔壁導(dǎo)坑施工，中、下臺階采用臺階法施工。

開挖時必須采取自上而下分部進行。采用帶插板的鋼管、加強超前注漿加固地層。先護后挖，密閉支撐，邊挖邊封閉，遇縫必堵，嚴防砂粒從支撐縫隙中逸出。

圖1 密排帶鋼板小導(dǎo)管支護橫斷面設(shè)計(單位:cm)

在小導(dǎo)管管壁上每隔100 mm交錯鉆眼，眼孔直徑6～8 mm，管外端剩余1 m不鉆孔，小導(dǎo)管長度為2.5 m/根，每榀格柵打設(shè)。

小導(dǎo)管打設(shè)時沿已施作末數(shù)第二榀格柵內(nèi)側(cè)內(nèi)環(huán)鋼筋邊緣、穿越已施作末數(shù)第一榀格柵中打入，小導(dǎo)管外插角度控制在20°左右，施工根據(jù)格柵斜筋位置調(diào)整鋼板角度，這樣為下一循環(huán)開挖確保開挖面不漏砂、有效保證開挖面的穩(wěn)定。

施工中為了防止漏砂打入帶插板小導(dǎo)管，初期支護噴射混凝土需分3次施作，第一次開挖后及時素噴4 cm厚混凝土、第二次噴射如圖2所示三角形部分混凝土，打設(shè)小導(dǎo)管后噴射第3次混凝土。

圖2 密排小導(dǎo)管方案示意

施工中為保證拱腳部位砂體穩(wěn)定，加密拱腳部位小導(dǎo)管間距，可形成拱腳部位插板鋼板搭接，提高基底承載力，防止結(jié)構(gòu)過量沉降和掉拱的發(fā)生。

3.2 洞內(nèi)超前深孔注漿預(yù)加固方案(圖3、圖4)

本方案是在隧道上半斷面采用超前預(yù)注漿，以對開挖面及輪廓線外3 m范圍內(nèi)土體進行加固，防止砂層涌出，以確保施工安全。半斷面超前預(yù)注漿孔環(huán)徑向間距100 cm×90 cm。注漿采用φ90 mm分段前進式注漿，前進式注漿分段長度一般為5 m左右，施工中可根據(jù)現(xiàn)場注漿情況作適當(dāng)調(diào)整。為了保證注漿效果，采取3序施工，分別在12 m，21 m位置增加補孔斷面。

注漿材料選用水泥漿及水泥水玻璃漿或其他漿液，注漿壓力2.0～3.0 MPa，施工中根據(jù)現(xiàn)場試驗調(diào)整合適的注漿壓力、注漿填充率等注漿參數(shù)。為確保施工安全，注漿結(jié)束后必須進行鉆孔檢查，檢查孔數(shù)量應(yīng)達到總注漿孔數(shù)的10%以上，并滿足規(guī)范要求。漿液必須凝結(jié)達到設(shè)計強度，并取樣驗證確認后，方可進行下一步工作。

圖3 超前半斷面預(yù)注漿縱斷面示意(單位:cm)

圖4 超前半斷面預(yù)注漿開孔布置示意(單位:cm)

待漿液凝結(jié)且達到應(yīng)有強度以后，采用小導(dǎo)管超前支護，小導(dǎo)管采用φ42 mm、t-3.5 mm熱軋鋼管，長度3.5 m，環(huán)向30 cm，縱向間距1.8 m，施工外插角5°～10°。

隧道采用三臺階臨時仰拱法。

3.3 水平旋噴樁方案(圖5、圖6)

圖5 水平旋噴樁加固示意(橫斷面)(單位:cm)

圖6 水平旋噴樁加固示意(縱斷面)(單位:cm)

3.3.1 目的

為了確保施工安全，在粉細砂地層施工前拱部及邊墻開挖線外形成單層加固體，以咬合水平旋噴樁加固為主，必要時輔以小導(dǎo)管注漿。

(1)在隧道開挖前，于掌子面前方構(gòu)筑拱形剛性體，減輕傳到掌子面和支護上的荷載，控制開挖引起的變形和拱部、掌子面流沙坍塌;

(2)旋噴使地層變成高強度的改良體，支撐上部荷載，控制不良地層的坍塌現(xiàn)象;

(3)使用專門的機械設(shè)備和高壓噴射裝置，且能夠控制噴射壓力，使樁體強度能夠滿足設(shè)計要求。

3.3.2 加固設(shè)計方案

水平旋噴樁布置暫按隧道斷面180°范圍內(nèi)，長度暫定為15 m，樁徑暫定為600 mm，樁間距暫為400 mm，設(shè)計外插角度暫定為3% ～5%(要分孔計算每根樁的偏角和仰角，利用三維坐標(biāo)，成孔定位達到精確)，每循環(huán)搭接3 m;成樁體達到的抗壓強度為0.5～8.0 MPa。

掌子面為確保穩(wěn)定需設(shè)置旋噴樁加固粉細砂地層，掌子面水平旋噴樁按水平方向打設(shè)，長度為15 m;一般按隧道斷面等腰三角形布置，主要布置在上臺階位置。

按照“先周邊，后掌子面”順序進行旋噴樁施工，周邊按照每次間隔1個，孔位從下到上或左、右交替進行(跳躍式成樁，兩邊強度平衡，可以減少因鉆桿偏移造成樁間咬合率低的問題)。

4 方案比較

結(jié)合現(xiàn)場方案的試驗性施工，各方案比較見表1。

表1 方案分析對比

5 推薦意見及建議

5.1 推薦意見

從表1看出，密排小導(dǎo)管注漿雖然有施工工藝相對簡單成熟、施工機具簡單、施工費用較低的優(yōu)點，但是基于目前的技術(shù)水平、設(shè)備狀況，所采用的低壓淺孔密排小導(dǎo)管注漿難以對上白隧道的干燥粉細砂地層起到固結(jié)的作用，存在較大安全風(fēng)險，洞內(nèi)超前深孔注漿施工費用較高，進度緩慢。因此建議推薦采用能有效控制漏砂、涌砂的洞內(nèi)超前水平旋噴樁方案。

5.2 建議

結(jié)合現(xiàn)場試驗，建議進一步改進設(shè)備，加強施工組織管理，提高施工工效，結(jié)合現(xiàn)場試驗及國內(nèi)相關(guān)經(jīng)驗，建議超前支護參數(shù)及施工方法如下。

針對上白隧道砂層部位采用超前水平旋噴樁方案堵漏，結(jié)合現(xiàn)場試驗，旋噴樁長度宜為15 m左右，樁徑600 mm，樁間距為400 mm，設(shè)計外插角度暫定為3%～5%，每循環(huán)搭接3 m;成樁體達到的抗壓強度5.0～8.0 MPa;為提高水平旋噴樁抗剪強度，全斷面或者拱部位于砂層地段采用拱部120°水平旋噴樁內(nèi)插φ89鋼管進行預(yù)加固，φ89鋼管環(huán)向間距80 cm。掌子面為確保穩(wěn)定需設(shè)置超前預(yù)加固樁加固粉細砂地層，掌子面超前預(yù)加固樁按水平方向打設(shè)，一般按隧道斷面等腰三角形布置，間距2 m×2 m，砂層斷面內(nèi)布設(shè)。

［1］鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊·隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］TZ204—2008 鐵路隧道施工指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［4］TB10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［5］朱永全，宋香玉.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［6］關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1993.

［7］關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:中國交通出版社，2003.

［8］陳五二.粉細砂地層隧道水平旋噴樁支護技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準設(shè)計，2011(S):136-137.

［9］蒲正林.深孔高壓注漿法在大西客運專線上白隧道穿越砂層中的應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準設(shè)計，2011(S):138-140.

［10］劉志剛，趙勇.隧道施工地質(zhì)技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［11］鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［12］張民慶，彭峰.地下工程注漿技術(shù)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2008.