隧道洞口崩坡積碎石土層地基處理方案分析研究

李元元

（四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 康定 626001）

隧道洞口崩坡積碎石土層地基處理方案分析研究

李元元

（四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 康定 626001）

根據(jù)長河壩隧道出口地形、地質(zhì)條件和存在的隱患，主要需解決的問題是隧道出口堆積體段地基沉降、不均勻沉降、偏壓變形、庫水侵蝕軟化地基的問題。文中參考地基處理類似的工程案例，提出加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案和鋼管樁頂撐處治方案2種方案，并進(jìn)行了比較研究。

堆積土層；地基沉降；加筋帷幕墻；隧道洞口

1 工程概況

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)大渡河上游干流上，為大渡河干流河段梯級開發(fā)規(guī)劃的第十梯級電站，是以發(fā)電為主、兼有防洪等綜合利用效益的特大型水利水電樞紐工程。電站裝機(jī)容量2 400 MW，水庫正常蓄水位1 690 m。

省道S211復(fù)建公路長河壩隧道長4 177 m，從水電站樞紐區(qū)下游順坡進(jìn)洞，在水電站樞紐區(qū)上游響水溝右側(cè)坡出洞，洞內(nèi)設(shè)置1處大半徑曲線繞過水電站樞紐建筑，其余洞段均為直線。

2 工程地質(zhì)

長河壩隧道出口段連接響水溝大橋，線路以下地面為草灌覆蓋，溝底局部基巖出露，表層為崩坡積碎石堆積土層；線路以上地面為樹林植被覆蓋，線路右側(cè)地表局部可見巖石出露，線路左側(cè)為厚層崩坡積碎石堆積土層，長河壩隧道K17+835—+938段隧道路面以下為崩坡積碎石堆積土層，最厚約20 m。崩坡積碎石堆積土層在隧道縱斷面上呈三角形分布，并在隧道洞身進(jìn)入花崗巖地層而消失。下伏基巖為一套晉寧期—澄江期的侵入巖，花崗巖是工程區(qū)的主體巖石，花崗巖體內(nèi)含有深灰色輝長巖捕虜體，巖體間呈焊接式接觸關(guān)系，以淺灰色～灰白色花崗巖及石英閃長巖為主。

3 存在的主要隱患

長河壩水電站水庫正常蓄水位1 690 m，長河壩隧道出口洞門設(shè)計(jì)高程為1 702.285 m，原勘探資料顯示，洞口處碎石土堆積土覆蓋層的底部標(biāo)高為1 688.39 m?？紤]水庫蓄水后庫水的毛細(xì)現(xiàn)象、波浪作用等因素的綜合影響，1 693 m高程以下基本為庫水影響區(qū)，即洞口段崩坡積碎石土層的中下部均侵泡在庫水位以下。在水庫蓄水和泄水的過程中，庫水位升降將直接引起長河壩隧道出口段隧道底部的坡堆積體的干濕狀態(tài)交替，降低土體力學(xué)參數(shù)；水位升降也將致使坡堆積水位勢的變化，也加大了水力滲透的滲流力和水力沖刷作用；堆積體結(jié)構(gòu)易于使隧底沉降量加大，且由于隧底基巖面呈斜傾構(gòu)造，隧洞兩側(cè)拱腳易發(fā)生不均勻沉降，水庫蓄水后隧道底部土體沉降變形極可能對隧道洞身造成變形破壞。

1）隧道不均勻沉降變形

隧道出口右側(cè)堆積體厚度較薄，左側(cè)較厚，基巖面為由右側(cè)向左側(cè)傾斜的表面特征，因而隧道拱腳兩側(cè)堆積體厚度左厚右薄，隧道左右兩側(cè)沉降量不等，存在不均勻沉降，易使隧道洞身結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向變形；隧道洞身在K17+835處可見基巖，而洞口K17+935附近堆積體厚度約20 m，隧道出口段堆積體縱向分布厚度不均，沉降量不等，也存在不均勻沉降，易使隧道洞身結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向變形，嚴(yán)重者將出現(xiàn)貫通洞身結(jié)構(gòu)的多條環(huán)向變形開裂。上述兩方向的不均勻變形可能促使洞身發(fā)生較嚴(yán)重的不均勻變形開裂，影響隧道的正常運(yùn)營。

2）隧道偏壓變形

由于隧道左右側(cè)地質(zhì)條件不一，受力不對稱，存在左右側(cè)偏壓變形，洞身將承受不均勻拉剪變形。

3）庫水侵蝕和侵泡軟化隧道底地基

水庫蓄水后將基本維持庫水位運(yùn)行，隧道底地基將長期受庫水侵蝕，水位以下堆積體在庫水侵泡下存在不同程度的軟化作用，對隧道地基造成危害，促使隧道洞體及圍巖發(fā)生應(yīng)力調(diào)整，部分段落隧道洞身可能存在變形破壞。

4 處治方案

根據(jù)長河壩隧道出口地形、地質(zhì)條件和存在的隱患，主要需解決的問題是隧道出口堆積體段地基沉降、不均勻沉降、偏壓變形、庫水侵蝕軟化地基的問題。參考地基處理類似的工程案例，提出加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案和鋼管樁頂撐處治方案（Φ108 mm×5 mm）2種方案進(jìn)行比較研究。加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案需在處理范圍內(nèi)選擇有代表性的地層做設(shè)計(jì)方案適宜性驗(yàn)證試驗(yàn)，提交試驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告修改施工參數(shù)，以達(dá)到最佳處治效果。

4.1 加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案

加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案（見圖1）通過對隧道兩側(cè)拱腳及仰拱下設(shè)置注漿孔內(nèi)置外徑Φ89 mm壁厚4.75 mm的花管，結(jié)合土體注漿形成的帷幕墻對地基進(jìn)行加固，由注漿花管和注漿固結(jié)后的土體形成復(fù)合基礎(chǔ)共同承擔(dān)隧道拱腳傳來的荷載，以補(bǔ)償隧道地基地層承載力較低的性能，提高隧道拱腳、仰拱和微型樁及帷幕墻共同承載和變形協(xié)調(diào)的能力。

鉆孔加筋注漿后，加固固結(jié)后的土體和鉆孔內(nèi)置的鋼管共同承受上部荷載的作用力，形成復(fù)合樁基基礎(chǔ)。此外，隧道仰拱下地層由于受兩側(cè)注漿加筋帷幕墻的變形約束，從隧底作用整體看，仰拱、拱腳、兩側(cè)加筋帷幕墻、仰拱下注漿加筋微型樁及注漿土體已形成復(fù)合基礎(chǔ)，共同承受隧道的上部荷載。復(fù)合地基承載力計(jì)算如下：

式中：ψ——樁身穩(wěn)定系數(shù)；fy——鋼管材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度；As——鋼管材料截面面積；ψc——土體承載系數(shù)；fc——土體設(shè)計(jì)強(qiáng)度；Ac——土體面積。

鉆孔注漿量按以下公式計(jì)算：

式中：r——注漿有效滲透半徑；h——注漿厚度；n——土體的孔隙率；α——漿液有效灌注系數(shù)；β——漿液損失率；nα（1+β）——不同土體的灌注充填率。

在K17+835—K17+935.5段隧道洞內(nèi)兩側(cè)拱腳地面按間排距50 cm各設(shè)2排Φ110 mm注漿孔，梅花型布置，分段注漿固結(jié)，形成兩條沿隧道縱向的加筋帷幕墻，加筋帷幕墻中Φ110 mm注漿孔深入基巖0.5 m，孔內(nèi)置入外徑Φ89 mm壁厚4.75 mm的注漿花管，注漿固結(jié)后對隧道拱腳進(jìn)行強(qiáng)力支撐。在隧道中軸線兩側(cè)2 m各設(shè)一道Φ110 mm鉆孔，間距1 m，孔內(nèi)置入外徑Φ89 mm壁厚4.75 mm的注漿花管，花管進(jìn)入基巖0.5 m，注漿固結(jié)后對隧道仰拱進(jìn)行有效支撐。施工前，兩加筋帷幕墻間堆積體通過隧道施工期間通行的載重車輛的長時(shí)間碾壓，并在施做隧道仰拱時(shí)進(jìn)行地基碾壓處理，盡量減少變形沉降、不均勻沉降和不均勻變形，來達(dá)到減少地基變形的目的。同時(shí)，在隧道出口處兩側(cè)拱腳處各設(shè)一根C30鋼筋混凝土挖孔樁，頂撐隧道洞門。

加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案的主要施工控制參數(shù)是注漿壓力和注漿量，酌情采用單參數(shù)或雙參數(shù)控制，注漿量可以選按每延米鉆孔注漿量或總注漿量控制，注漿壓力應(yīng)根據(jù)帷幕墻注漿試驗(yàn)情況和漿液有效擴(kuò)散半徑確定。注漿及加筋補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量和效果檢驗(yàn)可參照地基處理規(guī)范規(guī)定進(jìn)行，必要時(shí)采用現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，主要檢驗(yàn)隧道兩側(cè)拱腳下加筋及注漿處理后地基的承載和變形性能，仰拱下加筋及注漿處理后地基的檢驗(yàn)試驗(yàn)可參照執(zhí)行。主要工程數(shù)量：Φ110 mm鉆孔9 064 m，外徑Φ89 mm壁厚4.75 mm花管9 064 m（不計(jì)損耗及接頭重疊部分），M20水泥砂漿2 136 m3，C30鋼筋混凝土挖孔樁300 m3。

圖1 加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案詳圖

此處治方案的優(yōu)點(diǎn)是直接注漿固結(jié)處理影響隧道病害的部分堆積體，改善隧底以下和拱腳處堆積體的物理力學(xué)性質(zhì)和水理性能，鉆孔內(nèi)置的外徑Φ89 mm壁厚4.75 mm的花管經(jīng)注漿固結(jié)后形成的微型樁帷幕墻，極大地加強(qiáng)了拱腳的支撐能力。同時(shí)，仰拱下地層由于受兩側(cè)帷幕墻的位移約束，使隧道坐落在由仰拱、加筋帷幕墻及其中間的注漿加筋微型樁、注漿固結(jié)土體組合形成的復(fù)合基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了隧道底部結(jié)構(gòu)的整體性，可盡量減少堆積體沉降、不均勻沉降，施工設(shè)備輕巧，占地少，移動(dòng)方便，不影響隧道正常施工和洞內(nèi)交通運(yùn)輸，工程量較少。缺點(diǎn)是由于土體的空隙和孔隙、裂隙、可能存在的空洞等情況不明，土體的灌注性能存在變數(shù)，漿液有效滲透半徑和不同土體的灌注填充率可能變化較大，注漿漿液流失率可能較大，無效注漿量可能較多，隱蔽工程質(zhì)量監(jiān)督和檢查難度大，存在注漿超注等不確定因素，易造成隱性工程造價(jià)升高，使工程造價(jià)增加。

4.2 鋼管樁頂撐處治方案

鋼管樁頂撐處治方案（見圖2）是直接通過在隧道兩側(cè)拱腳及底拱下采用微型鋼管樁對隧道承受的荷載進(jìn)行頂撐，限制隧道變形沉降。拱腳和仰拱下設(shè)置鋼管樁頂撐后，形成微型鋼管樁基基礎(chǔ)。

在K17+835—K17+935.5段隧道洞內(nèi)兩側(cè)拱腳地面按50 cm間排距各設(shè)2排Φ108 mm×5 mm微型鋼管樁，鉆孔孔徑Φ130 mm，鉆孔深入基巖6 m，鋼管外側(cè)設(shè)鍍鋅噴層和環(huán)氧涂層防腐體系，管外內(nèi)均采用M25水泥砂漿封填，對隧道拱腳進(jìn)行支撐。在隧道中軸線兩側(cè)2 m按1 m間距各設(shè)1排外徑Φ108 mm×5 mm的微型鋼管樁，鉆孔孔徑Φ130 mm，鉆孔進(jìn)入基巖6 m，鋼管外側(cè)設(shè)鍍鋅噴層和環(huán)氧涂層防腐體系，管內(nèi)外均采用M25水泥砂漿封填，形成對仰拱的頂撐。同時(shí)，在隧道出口處兩側(cè)拱腳處各設(shè)一根C30鋼筋混凝土挖孔樁，頂撐隧道洞門。

鋼管樁頂撐處治方案的主要施工控制參數(shù)是單樁承載力，可參照地基處理規(guī)范規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)。鋼管樁頂撐主要工程數(shù)量：Φ130 mm鉆孔14 734 m，外徑Φ108 mm壁厚5 mm鋼管14 734 m（含防腐涂層,不計(jì)損耗及接頭重疊部分長度），M25水泥砂漿293.4 m3（孔內(nèi)理論灌注混凝土量及其50%損耗），C20混凝土315 m3（后期拱腳及仰拱下可能脫空的回填量），C30鋼筋混凝土挖孔樁300 m3。

圖2 鋼管樁頂撐處治方案圖

此處治方案的優(yōu)點(diǎn)是加固對象和受力體系明確，不確定因素少，工程量易控制，工程總價(jià)浮動(dòng)小，施工設(shè)備輕巧，占地少，移動(dòng)方便，前期施工不影響隧道正常施工和洞內(nèi)交通運(yùn)輸。缺點(diǎn)是工程投資大，拱腳處雙排鋼管樁施工較困難，水庫蓄水后，隧道底部可能脫空，需在公路運(yùn)營期對隧道底部進(jìn)行注漿填塞，影響后期交通。

4.3 現(xiàn)場試驗(yàn)情況

此工程原擬采用加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案，并已進(jìn)行了處治方案適宜性現(xiàn)場試驗(yàn)，要求采用鉆孔取芯檢查試驗(yàn)效果。經(jīng)現(xiàn)場查看鉆孔所取的巖芯，認(rèn)為所鉆取的巖芯尚較完整，注漿后土體的粘結(jié)強(qiáng)度、承載性能較好，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢查，注漿后土體孔隙的充填基本達(dá)到設(shè)計(jì)方案的要求。

5 方案比較分析

加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案、鋼管樁頂撐處治方案（Φ108 mm×5 mm）兩種處治方案技術(shù)上均可行，對隧道施工交通影響均較??；從處治效果上看，加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案能改善土體的物理力學(xué)參數(shù)，處治效果最好，鋼管樁頂撐處治方案未改善土體的物理力學(xué)參數(shù)，在水庫蓄水形成沉降變形后，隧底部可能脫空，后期需對隧道底部進(jìn)行注漿填塞，影響隧道運(yùn)營期交通；從施工實(shí)施角度看，加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案和鋼管樁頂撐處治方案拱腳處雙排樁施工困難；從方案可計(jì)算的工程數(shù)量分析，加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案投資較少，鋼管樁頂撐處治方案投資較大。兩方案比較見表1。

6 結(jié)語

通過上述兩種處置方案的分析比較，在技術(shù)、交通影響、不確定性、隱性投資、經(jīng)濟(jì)性、處治效果、施工便利性和投資等方面的綜合分析比較，加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案相對較優(yōu)，結(jié)合加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案能較好解決蓄水后隧道地基變形問題、不影響隧道運(yùn)營期交通、前期試驗(yàn)階段已進(jìn)行了相應(yīng)材料準(zhǔn)備等方面因數(shù)，建議采用加筋帷幕墻補(bǔ)強(qiáng)處治方案，該方案的比較分析對類似地質(zhì)條件工程的設(shè)計(jì)施工也有借鑒意義。

Comparative study on foundation treatment schemes about colluvial gravel soil layer of avalanche slope in tunnel portal

LI Yuan-yuan

According to the terrain,geological conditions and the existing hidden defects in the tunnel portal of the Changhe dam,the some main problems should be solved,include the foundation settlement,the nonuniform settlement,the bias deformation and the foundation softening under the reservoir water erosion of accumulation body in tunnel portal.Based on the ground treatment of the similar projects,the paper puts forward and compares the two treatment methods of the reinforced curtain wall reinforcement and the steel pipe top bracing.

colluvial layer;foundation settlement;reinforced curtain wall;tunnel portal

TV672+.1

A

1002－0624（2014）06－0001－03

表1 主要處治方案比較表

2013-12-13