全風(fēng)化砂巖互層段水軟化后隧道施工方案探討

曾青

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院，天津 300251)

1 隧道概況

新建鐵路大同至西安客運(yùn)專線干慶隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，線間距為5 m。隧道進(jìn)口里程改DK586+051，出口里程改DK592+744，全長6 693 m。共設(shè)三座斜井，1號，2號，3號斜井與正線相交里程分別為改 DK587+937.705、改DK589+400、改DK591+240，平距分別為548 m，872 m，460 m。

2 地質(zhì)概況

2.1 地層巖性

洞身位置穿越地層為第三系粉質(zhì)黏土夾砂巖，粉質(zhì)黏土，褐紅色，堅(jiān)硬～硬塑，巖芯呈土柱狀，土質(zhì)較均勻，局部砂性較大;砂巖，褐黃色，膠結(jié)較差，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，巖芯呈碎塊夾砂狀，手捏易碎，地層軟硬不均，互層狀結(jié)構(gòu)，不同地層結(jié)合差，頂板易脫落，圍巖易坍塌。

2.2 水文地質(zhì)

全隧鉆探孔未見明顯地下水，且通過調(diào)查，隧道區(qū)各溝谷均干涸，沒有流水，附近村莊水井也是在各溝底打設(shè)，水位均位于溝底以下50 m～90 m不等。但是考慮到第三系地層含水情況的不均勻性，洞身位置會(huì)含第三系孔隙潛水、上層滯水，雨季時(shí)水量會(huì)增大。

施工到雨季期間，由于受地表積水影響，部分洞頂圍巖發(fā)生軟化。隧道開挖后，洞內(nèi)壓力會(huì)減小，加之施工擾動(dòng)影響，松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大，存在土體裂隙貫通，地下水下滲，惡化圍巖穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

3 現(xiàn)場施工情況

現(xiàn)場的施工進(jìn)度情況：掌子面里程DK586+985，中導(dǎo)里程DK586+979.4，下導(dǎo)里程DK586+975.4，仰拱里程DK586+962.2，二次襯砌里程DK586+949.6?，F(xiàn)場遇到此種地層時(shí)，加之受到洞內(nèi)地下水和地表水下滲雙重作用，圍巖自穩(wěn)能力極差，施工風(fēng)險(xiǎn)很大，支護(hù)發(fā)生了較大變形。

4 處理方案研究

結(jié)合隧道所處地質(zhì)、地形、開挖斷面情況，現(xiàn)場研究了如下四種方案，通過方案比較確定合理方案。

4.1 方案一：洞內(nèi)深孔注漿預(yù)加固方案

隧道上半斷面采用超前預(yù)注漿，對開挖面及輪廓外5 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固，以確保施工安全。超前預(yù)注漿孔環(huán)徑向間距200 cm×200 cm。注漿采用φ90 mm分段前進(jìn)式注漿，前進(jìn)式注漿分段長度一般為15 m左右，施工中可根據(jù)現(xiàn)場注漿情況作適當(dāng)調(diào)整。

注漿材料選用水泥漿及水泥水玻璃漿，注漿壓力0.5 MPa～ 1.0 MPa，施工中根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)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(jìn)行鉆孔檢查，檢查孔數(shù)量應(yīng)達(dá)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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度(無側(cè)限抗壓極限強(qiáng)度不小于1.5 MPa)，并取樣驗(yàn)證確認(rèn)后，方可進(jìn)行下一步工作。

注漿完畢后拱部140°范圍采用密排小導(dǎo)管加固，小導(dǎo)管加長到6 m，搭接長度3 m，環(huán)向間距30 cm。超前半斷面預(yù)注漿縱斷面示意圖及開孔布置示意圖見圖1，圖2。

圖1 超前半斷面預(yù)注漿縱斷面示意圖

圖2 超前半斷面預(yù)注漿開孔布置示意圖

4.2 方案二：洞內(nèi)超前水平旋噴樁預(yù)加固方案

1)對隧道拱部180°范圍采用超前預(yù)加固樁對周圍土體進(jìn)行加固，超前預(yù)加固樁長度為15 m，樁徑600 mm，樁間距為400 mm，設(shè)計(jì)外插角度暫定為3%～5%，每循環(huán)搭接3 m;成樁體達(dá)到的抗壓強(qiáng)度5.0 MPa～8.0 MPa;為提高水平旋噴樁抗剪強(qiáng)度，采用拱部120°水平旋噴樁內(nèi)插φ89鋼管進(jìn)行預(yù)加固，φ89鋼管環(huán)向間距80 cm。

2)掌子面為確保穩(wěn)定需設(shè)置超前預(yù)加固樁進(jìn)行加固，掌子面超前預(yù)加固樁按水平方向打設(shè)，長度為12 m;一般按隧道斷面等腰三角形布置，間距2 m×2 m。

3)擴(kuò)大拱腳和加強(qiáng)鎖腳錨管。為保證隧道初期支護(hù)受力穩(wěn)定，在拱部120°設(shè)置大拱腳，大拱腳處設(shè)置厚度為80 cm。

4)為防止預(yù)加固樁在施工中咬合不好的問題，施工中根據(jù)現(xiàn)場情況必要時(shí)可在樁間加設(shè)小導(dǎo)管注漿堵漏加強(qiáng)。

5)按照 先周邊 后掌子面 順序進(jìn)行加固施工 周邊按照每次間隔1個(gè)，孔位從下到上或左、右交替進(jìn)行(跳躍式成樁，兩邊強(qiáng)度平衡，可以減少因鉆桿偏移造成樁間咬合率低的問題)。洞內(nèi)超前水平旋噴樁預(yù)加固橫斷面布置圖見圖3。

圖3 洞內(nèi)超前水平旋噴樁預(yù)加固橫斷面布置示意圖

4.3 方案三：地表垂直旋噴樁預(yù)加固方案

1)本方案是在通過從地表垂直打入旋噴樁以實(shí)現(xiàn)加固開挖隧道周邊圍巖的目的，為防止旋噴打設(shè)過深而增加施工難度和咬合度效果不好，對于隧道覆蓋層頂部土體進(jìn)行開挖清除后再進(jìn)行地表旋噴施工，原則上從地表施工旋噴樁鉆孔不大于40 m，清除地表土方后覆蓋層約26 m。

2)地表土方清除需做好臨時(shí)防護(hù)，措施如下：臨時(shí)邊坡坡率1∶1，臨時(shí)邊坡進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)，臨時(shí)防護(hù)采用錨噴支護(hù)，噴C25混凝土10 cm，砂漿錨桿長度2.5 m，間距2 m×2 m，鋼筋網(wǎng)為φ8，網(wǎng)格尺寸25 cm×25 cm。

3)垂直旋噴樁加固范圍為隧道外輪廓3 m范圍，結(jié)構(gòu)外緣3 m范圍內(nèi)為旋噴加固區(qū)域，3 m以外為空鉆區(qū)域，中間如遇砂層透鏡體，需進(jìn)行旋噴護(hù)壁;為防止施工時(shí)隧道兩側(cè)砂層滑落，分別在兩側(cè)各設(shè)置3排旋噴樁加固地層，深度在隧道邊墻處。

4)旋噴樁樁徑為80 cm，樁間距為60 cm。

4.4 方案四：降排水+超前大管棚加固方案

1)降排水措施。

a.排水孔。隧道通過采用超前探孔引排水(利用89導(dǎo)管)，超前探孔采用φ90鉆孔，長度為15 m，上臺(tái)階左右側(cè)各設(shè)置1個(gè)，中臺(tái)階設(shè)置3個(gè)，為防止砂層中的細(xì)顆粒流失，小導(dǎo)管上的引排孔不宜過大，在引排過程中小導(dǎo)管端部可設(shè)置一層過濾網(wǎng)，可根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定空隙大小。

b.降水井。每隔20 m在下臺(tái)階處設(shè)置一個(gè)降水井，井底應(yīng)位于仰拱底1 m以下。降水井濾管直徑可采用38 mm～100 mm的金屬管，管壁上滲水孔直徑為12 mm，呈梅花形排列，孔隙率應(yīng)大于15%。濾管壁外應(yīng)設(shè)兩層過濾網(wǎng)。過濾網(wǎng)上孔徑大小避免流沙現(xiàn)象發(fā)生。井點(diǎn)管的設(shè)置可采用鉆孔法，井孔直徑不宜大于300 mm，孔深比濾管底深0.5 m～1.0 m。在井管與孔壁間及時(shí)用潔凈中粗砂填灌密實(shí)均勻。井點(diǎn)系統(tǒng)安裝完畢后，需進(jìn)行試抽，保證無漏水、漏氣現(xiàn)象。井點(diǎn)廢除后，立即回填井點(diǎn)，妥善封孔。

2)對隧道拱部180°范圍采用φ108超前大管棚，超前大管棚長度為15 m，環(huán)向間距30 cm，縱向搭接長度3 m，管棚回填水泥砂漿增加剛度。

3)對隧道拱部180°范圍大管棚之間設(shè)置φ42 mm超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長4.0 m，t=3.5 mm，環(huán)向間距30 cm;超前小導(dǎo)管配合鋼架使用，每1.8 m(3榀)施作一環(huán)，其縱向搭接長度不小于1.0 m。降排水方案縱斷面示意圖見圖4。

5 方案比較

對以上各方案進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，并進(jìn)行投資比較，方案比較如表 所示

圖4 降排水方案縱斷面示意圖

表1 方案比較表

6 推薦意見及結(jié)論

6.1 推薦意見

地表旋噴加固方案由于地表旋噴深度較大，施工需進(jìn)行地表清方，對地方干擾、環(huán)境破壞大，地表邊坡開挖高度過大，存在較大的安全隱患，另由于深度較大，垂直旋噴的垂直偏差較難控制，會(huì)造成咬合效果不好，同時(shí)施工費(fèi)用大。

洞內(nèi)超前水平旋噴樁方案存在施工進(jìn)度慢，施工費(fèi)用高的缺點(diǎn)。

洞內(nèi)深孔注漿預(yù)加固方案存在洞內(nèi)施工難度較大、注漿效果較難保證、投資費(fèi)用較高的缺點(diǎn)。

洞內(nèi)超前降排水+超前大管棚加固方案施工難度相對較小、施工進(jìn)度快且投資少，對地方干擾、環(huán)境破壞小，但洞內(nèi)降水方案對洞內(nèi)施工干擾較大。

經(jīng)綜合比較，現(xiàn)場決定采用洞內(nèi)超前注漿+管棚的方案，即將方案一和方案四結(jié)合施工。

6.2 結(jié)論

現(xiàn)場根據(jù)推薦方案進(jìn)行施工，隧道涌砂涌泥情況得到了很好的控制，隧道變形較小，監(jiān)測量測數(shù)據(jù)正常，確保了隧道施工安全，隧道按期貫通得到了保障。

［1］ 張 悅.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(隧道)［M］.北京：中國鐵道出版社，1978.

［2］ TB 10003-2005，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ TZ 204-2008，鐵路隧道施工指南［S］.

［4］ 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.

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

［6］ 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.

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