高速鐵路隧道軟弱圍巖地段進(jìn)洞方案比選與實(shí)施方案

范榮

【摘 要】 本文通過(guò)工程實(shí)例，對(duì)隧道軟弱圍巖地段進(jìn)洞方案在工藝原理、地形地貌及地質(zhì)條件、施工難易程度、圍巖加固效果、沉降穩(wěn)定及安全性等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的對(duì)比分析，并簡(jiǎn)要介紹了所采用的進(jìn)洞方案施工方法及施工工藝，供類似工程參考。

【關(guān)鍵詞】 高速鐵路；隧道；軟弱圍巖；進(jìn)洞方案；比選與實(shí)施

1 前言

高速鐵路隧道必須根據(jù)進(jìn)洞地形地貌及地質(zhì)條件、施工難易程度、圍巖加固效果等進(jìn)行綜合分析，確定安全性強(qiáng)、沉降小、工藝方法和施工質(zhì)量易控制的軟弱圍巖地段進(jìn)洞方案，才能確保隧道施工質(zhì)量和安全進(jìn)洞要求。

2 工程概況

京福鐵路客運(yùn)專線安徽段金鍋嶺隧道位于安徽省黃山地區(qū)歙縣北側(cè)約6km，隧道進(jìn)口里程為DK285+093.8，出口里程為DK288+280，隧道全長(zhǎng)3186.2m，其中Ⅱ級(jí)圍巖680m（占21.34%），Ⅲ級(jí)圍巖487m（占15.28%），Ⅳ級(jí)圍巖560m（占17.58%），Ⅴ級(jí)圍巖1459.2m（占45.80%）。最大埋深約148.5m，線路所經(jīng)地區(qū)地貌主要為剝蝕低山丘陵區(qū)，山勢(shì)延綿，起伏較大，植被發(fā)育。隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，進(jìn)口段位于曲線上，出口位于直線上，全隧道單坡，坡度為12‰，隧道按噴錨構(gòu)筑法設(shè)計(jì)、施工，初期支護(hù)為采用錨、噴、網(wǎng)和鋼架，根據(jù)不同的圍巖情況采用不同的組合，二次襯砌采用耐久性抗腐蝕砼，防水等級(jí)為一級(jí)。由于金鍋嶺Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占隧道總量的63.38%，圍巖破碎，為工期控制性工程。

金鍋嶺隧道出口段DK288+251～DK288+221段地表Qel+dl粉質(zhì)黏土，下伏晚侏羅紀(jì)γ53（1）強(qiáng)風(fēng)化侵入花崗巖呈碎塊狀，且存在嚴(yán)重偏壓，地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，較發(fā)育。洞口段圍巖及埋深情況見圖1所示。

3 擬采用的進(jìn)洞方案比選

金鍋嶺隧道出口擬采用水平定向旋噴樁、洞口長(zhǎng)管棚進(jìn)洞方案，現(xiàn)對(duì)兩種進(jìn)洞方案進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）工藝原理對(duì)比分析

洞口長(zhǎng)管棚：在洞口Ⅴ級(jí)及以下圍巖，無(wú)自穩(wěn)能力、地表存在重要構(gòu)筑物或者地表沉降要求高的地段，拱頂支護(hù)可以施作洞口段長(zhǎng)管棚。洞口段長(zhǎng)管棚與導(dǎo)向墻配合使用，在導(dǎo)向墻施作完畢后，沿隧道正線方向打設(shè)一環(huán)洞口段長(zhǎng)管棚并進(jìn)行注漿，對(duì)洞口段圍巖進(jìn)行加固，從而保證隧道安全進(jìn)洞。

水平定向旋噴樁：在富水軟弱松散土層、淤泥、淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)地層塌方等地段，拱頂支護(hù)可以采用水平定向旋噴樁。采用水平定向旋噴鉆機(jī)打設(shè)預(yù)導(dǎo)孔，預(yù)導(dǎo)孔打設(shè)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度后旋轉(zhuǎn)回撤鉆桿，在回撤鉆桿的同時(shí)，將配制好的水泥漿液通過(guò)鉆桿噴射到土體中。樁體之間相互嚙合，在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，使掌子面的穩(wěn)定性得到提高。

從工藝原來(lái)來(lái)看兩種進(jìn)洞方案均可用于自穩(wěn)能力較差地段。

（2）地形地貌及地質(zhì)條件對(duì)比分析

金鍋嶺隧道出口進(jìn)洞圍巖破碎且線路右側(cè)存在嚴(yán)重的偏壓，若施作洞口長(zhǎng)管棚不僅使洞口拱頂全風(fēng)化花崗巖板結(jié)成整體并形成梁效應(yīng)有效增強(qiáng)了圍巖的自身穩(wěn)定性以及抗剪力，保證隧道的進(jìn)洞安全；若施作水平定向旋噴樁可以使洞口拱頂段圍巖板結(jié)并相互嚙合，但抗剪能力明顯不如長(zhǎng)管棚施工。

從以上分析來(lái)看，存在嚴(yán)重的偏壓且圍巖破碎的隧道口優(yōu)選長(zhǎng)管棚進(jìn)洞。

（3）施工難易程度對(duì)比分析

在全風(fēng)化花崗巖地段，施作洞口長(zhǎng)管棚需要15d，而施作水平定向旋噴樁需要30d。水平定向旋噴樁施工工期長(zhǎng)主要原因：a、受圍巖實(shí)際情況影響較大，在碎塊狀巖石較多的地段，水平旋噴鉆機(jī)難以掘進(jìn)；b、埋深較淺，最淺處埋深不足2m，為了防止漏漿，可能需要在埋深較淺的一側(cè)進(jìn)行加固。

由于金鍋嶺隧道為工期控制性工程，選擇洞口長(zhǎng)管棚明顯優(yōu)于水平定向旋噴樁。

（4）圍巖注漿加固效果對(duì)比分析

洞口長(zhǎng)管棚：a、漿液在巖體內(nèi)擴(kuò)散受巖體節(jié)理和層理等影響，擴(kuò)散成脈狀，擴(kuò)散和加固范圍不均勻； b、由于注漿后有一定的自穩(wěn)能力，水流沖刷不易造成大規(guī)模的突水突泥。

水平定向旋噴樁：a、漿液通過(guò)鉆桿與土體強(qiáng)制攪拌，擴(kuò)散和加固范圍均勻；b、雖然在鉆口附近嚙合較好，但是在鉆機(jī)鉆入后由于存在碎塊狀的巖塊，不可避免的會(huì)出現(xiàn)鉆機(jī)打入角度誤差較大的情況，這樣就導(dǎo)致了旋噴樁之間的嚙合力不滿足要求，進(jìn)而影響了該處圍巖的自穩(wěn)能力。

從加固效果來(lái)看，若選用注漿經(jīng)驗(yàn)豐富的隊(duì)伍可以保證注漿質(zhì)量，采用長(zhǎng)管棚施工優(yōu)于水平定向旋噴樁施工。

（5）沉降穩(wěn)定性對(duì)比分析

長(zhǎng)管棚通過(guò)長(zhǎng)管棚：通過(guò)長(zhǎng)管棚對(duì)周邊圍巖進(jìn)行注漿加固提高了圍巖自身的強(qiáng)度；由于長(zhǎng)管棚布置在前面圍巖以及導(dǎo)向墻的型鋼上，形成了梁效應(yīng)，并且有效的分擔(dān)了拱部及邊墻圍巖的應(yīng)力。從圍巖受力降低以及圍巖自身強(qiáng)度提高兩個(gè)方面大大降低了隧道拱頂以及邊墻的沉降變形量。

水平定向旋噴樁提高了圍巖自身的強(qiáng)度，可以降低隧道的沉降變形量。

當(dāng)洞口段圍巖完成初期支護(hù)時(shí)：由于長(zhǎng)管棚對(duì)圍巖受力進(jìn)行了分擔(dān)，圍巖自身應(yīng)力并未全部作用于初支，而施工水平定向旋噴樁時(shí)受力并未降低，圍巖自身作用力通過(guò)水平定向旋噴樁仍將全部作用于初支，因此從沉降穩(wěn)定性來(lái)看，選擇長(zhǎng)管棚優(yōu)于水平定向旋噴樁。

（6）安全性對(duì)比分析

從圍巖注漿加固效果對(duì)比分析以及沉降穩(wěn)定性對(duì)比分析來(lái)看，選擇洞口長(zhǎng)管棚施工明顯優(yōu)于水平定向旋噴樁。

（7）成本對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)估算，導(dǎo)向墻施工約為2.2萬(wàn)元，長(zhǎng)管棚施工約30.6萬(wàn)元，合計(jì)約32.8萬(wàn)元。

經(jīng)過(guò)估算，水平定向旋噴樁施工約為25.7萬(wàn)元。

從成本對(duì)比分析來(lái)看，優(yōu)選水平定向旋噴樁。

結(jié)論：通過(guò)方案比選我們可以看出，雖然長(zhǎng)管棚施工也存在一定的缺點(diǎn)，比如需要施作導(dǎo)向墻、價(jià)格略高，但是對(duì)于晚侏羅紀(jì)γ53（1）強(qiáng)風(fēng)化侵入花崗巖呈碎塊狀，地下水較發(fā)育，且偏壓嚴(yán)重的地段，相對(duì)于水平定向旋噴樁施工工期、注漿加固效果以及控制沉降等方面具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，故在此處按照洞口段長(zhǎng)管棚施工。

4 長(zhǎng)管棚進(jìn)洞施工方法及工藝

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)

導(dǎo)向墻采用C20混凝土，截面尺寸為1m×1m，布置在拱部140°范圍，環(huán)向長(zhǎng)度約19.5m，內(nèi)設(shè)兩榀Ⅰ18輕型工字鋼架，鋼架外緣設(shè)Φ140壁厚5mm長(zhǎng)1.4m的導(dǎo)向鋼管，環(huán)向間距為40cm共47根，鋼管與鋼架焊接。管棚從導(dǎo)向鋼管內(nèi)穿過(guò)，采用Φ108壁厚6m熱軋無(wú)縫鋼管，節(jié)長(zhǎng)4～6m，每孔的總長(zhǎng)度為30m，環(huán)向間距為40cm共47根，長(zhǎng)管棚注漿采用1：1水泥漿液，注漿壓力0.5～2.0MPa。導(dǎo)向鋼管布置如圖2所示，長(zhǎng)管棚布置如（圖3）所示：

（2）機(jī)械設(shè)備配置

洞口段長(zhǎng)管棚施工需要的主要機(jī)械設(shè)備：XY-2PCG地質(zhì)鉆機(jī)兩臺(tái)，L-22/7空壓機(jī)兩臺(tái)，BW-250/50型注漿泵兩臺(tái)，630KVA變壓器一個(gè)，全轉(zhuǎn)儀一臺(tái)，水準(zhǔn)儀一臺(tái)。

（3）施工工期

采用兩臺(tái)地質(zhì)鉆機(jī)同時(shí)施工，從開始鉆孔到最后注漿完畢共用時(shí)15天。

（4）施工方法

施工時(shí)的順序主要為：放樣導(dǎo)向墻設(shè)置輪廓線→設(shè)置長(zhǎng)管棚導(dǎo)向墻 →施鉆→頂管→止?jié){墻施作→注漿。

（5）長(zhǎng)管棚應(yīng)用實(shí)際效果

a、優(yōu)化了注漿設(shè)計(jì)

在導(dǎo)向墻施作完畢后首先在1#孔處進(jìn)行了鉆孔，同時(shí)對(duì)鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)的鉆進(jìn)速度、沖洗液顏色和流量變化、卡鉆里程、突進(jìn)里程、沖擊器聲音的變化進(jìn)行了記錄，并對(duì)記錄進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)前方地質(zhì)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉆孔時(shí)鉆進(jìn)存在卡鉆，沖洗液顏色為灰色且夾雜少量花崗巖石粒，鉆孔內(nèi)有水滲出但流量較小等情況，預(yù)測(cè)前方30m的地質(zhì)情況為：以強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化的花崗巖為主，巖體破碎，地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，較發(fā)育。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行注漿之前我們進(jìn)行了注漿試驗(yàn)，為了能滿足擴(kuò)散半徑的要求，我們分別取了粘土層試樣、斷層破碎帶試樣以及嚴(yán)重風(fēng)化試樣進(jìn)行了注漿試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，我們獲取了施工所需要的注漿參數(shù)，具體參數(shù)見（表1）：

根據(jù)圍巖的實(shí)際情況我們對(duì)注漿量進(jìn)行了優(yōu)化，由表2可以看出單根鋼管注漿量在嚴(yán)重風(fēng)化帶處要比斷層破碎帶少0.55m3比粘土層少1.7m3。因此預(yù)測(cè)出圍巖實(shí)際情況為嚴(yán)重風(fēng)化帶將大大降低注漿量，節(jié)約成本。

b、注漿效果

對(duì)檢查孔進(jìn)行了孔內(nèi)攝像，從攝像資料可以明顯看到前方破碎巖層被漿液充填，自穩(wěn)能力較強(qiáng)。檢查孔內(nèi)成像圖片如圖4所示：

注漿完畢后，在開挖輪廓線附近進(jìn)行了取芯，芯樣呈短柱狀，破碎巖層已經(jīng)被水泥漿液固結(jié)，漿液充填飽滿，加固效果明顯。

金鍋嶺出口段采用洞口段超前長(zhǎng)管棚，能夠滿足安全開挖的要求。

5、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于類似地表粉質(zhì)黏土自穩(wěn)能力較差，下伏強(qiáng)風(fēng)化花崗巖呈碎塊狀，存在嚴(yán)重偏壓，且地下水較發(fā)育的隧道，進(jìn)洞方案的選擇直接關(guān)系到安全進(jìn)洞、工期要求、效益和環(huán)保等。通過(guò)金鍋嶺隧道出口長(zhǎng)管棚進(jìn)洞的成功實(shí)施，我們深刻認(rèn)識(shí)到在處理類似問(wèn)題時(shí)，首先要對(duì)各種方案進(jìn)行詳細(xì)的分析和對(duì)比，只有確定合理的施工方案，才能“安全優(yōu)質(zhì)高效”的完成各項(xiàng)施工。