大斷面客運(yùn)專線隧道穿越第三系富水復(fù)合地層設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

伊興芳

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 天津　300142)

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大斷面客運(yùn)專線隧道穿越第三系富水復(fù)合地層設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

伊興芳

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 天津300142)

摘要：大西客運(yùn)專線干慶隧道通過我國中西部地區(qū)廣泛分布的第四系、第三系等新生代地層,此套地層以粉質(zhì)黏土、砂層、黃土為主,地層分布隨機(jī),且砂層富含上層滯水性質(zhì)囊狀水,在施工過程中多次涌砂涌水。針對大斷面客運(yùn)專線隧道穿越第三系富水復(fù)合地層施工技術(shù)難題,研究提出隧道掌子面穩(wěn)定措施和超前預(yù)加固措施,有效解決涌砂涌水問題,確保施工安全。

關(guān)鍵詞：客運(yùn)專線鐵路；鐵路隧道；復(fù)合地層；超前預(yù)加固

在隧道建設(shè)過程中，軟弱圍巖一直是隧道界比較關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)，關(guān)寶樹等系統(tǒng)闡述了軟弱圍巖的內(nèi)涵及其特性，提出了軟弱圍巖隧道變形控制的基本理念和措施[1]。大西客運(yùn)專線干慶隧道通過第三系粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、第四系黃土復(fù)合富水軟弱圍巖地層，該套地層巖性分布隨機(jī)性較大，難以掌握規(guī)律，地下水特性也無定性的規(guī)律，出水部位不定，出水量時大時小，極易引發(fā)涌水涌砂，對隧道施工帶來極高的安全風(fēng)險。

1工程概況

干慶隧道全長6 693 m，洞身穿越地層為第四系上更新統(tǒng)(Q3)新黃土、粉砂，中更新統(tǒng)(Q2)老黃土、粉砂；第三系上新統(tǒng)(N2)粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉砂、圓礫土，局部夾砂巖，不同地層間結(jié)合差。隧址區(qū)地下水按賦存條件為第四系孔隙潛水、第三系上層滯水性質(zhì)囊狀水。其中第四系孔隙潛水主要賦存于第四系松散層中，主要富水層為碎石類土及砂類土，在黃土與下伏地層接觸帶附近存有少量上層滯水，水位隨季節(jié)的變化而變化；第三系上層滯水性質(zhì)囊狀水，賦存于第三系砂類土、碎石類土以及半膠結(jié)砂巖裂隙中，受地層復(fù)合程度影響，差異性大，分布極不均勻。

受地下水的影響，砂層靈敏度變高，觸變性增強(qiáng)，施工中一旦隔水層被揭穿，打通地下水力聯(lián)系，地下水的運(yùn)移路徑發(fā)生變化，動水可誘發(fā)砂層和粉質(zhì)黏土等圍巖失穩(wěn)，極易涌水、涌泥、涌砂。

2軟弱富水復(fù)合地層隧道設(shè)計

針對該隧道復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)際工程情況，提出了超前預(yù)注漿與超前預(yù)加固咬合樁兩種設(shè)計方案，分別應(yīng)用干慶隧道2號斜井小里程端、3號斜井大里程端掌子面，通過對比分析研究軟弱富水復(fù)合地層隧道修建關(guān)鍵技術(shù)。

2.1超前預(yù)注漿

2號斜井小里程端開挖揭示地層為拱頂及上臺階為細(xì)砂層，中臺階為粉質(zhì)黏土，下臺階為細(xì)砂層。砂層與黏土結(jié)合處滲水量較大，伴有涌水及涌砂現(xiàn)象；粉質(zhì)黏土遇水軟化，強(qiáng)度降低較多，手捏呈軟塑狀。不同地層間結(jié)合差，開挖時易涌水涌砂，施工安全風(fēng)險較大。根據(jù)開挖揭示涌水量及地層情況，設(shè)計采用了超前周邊預(yù)注漿加固措施[2]。

2.1.1超前周邊注漿(圖1～圖4)

(1) 隧道拱部160°外輪廓4 m范圍采用超前周邊注漿。每一循環(huán)注漿長度為25 m，開挖20 m，并保留5 m止?jié){巖盤。

(2)單孔注漿漿液擴(kuò)散半徑2 m，孔底平面間距約3 m，每循環(huán)共設(shè)3環(huán)33個注漿孔。

(3)注漿孔開孔直徑不小于110 mm，終孔直徑不小于91 mm；孔口管采用φ108 mm，壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，管長3 m，孔口管應(yīng)埋設(shè)牢固，并有良好的止?jié){措施。

(4)鉆孔和注漿順序由外向內(nèi)，同一圈孔間隔施工。采用后退式，先鉆孔后注漿；如果成孔困難，可采用前進(jìn)式注漿。

圖1　超前周邊注漿縱斷面(單位：cm)

圖2　超前周邊注漿A-A孔口布置示意

圖3　超前周邊注漿B-B孔口布置示(單位：cm)

圖4　超前周邊注漿C-C孔口布置示意(單位：cm)

2.1.2超前管棚支護(hù)

超前周邊注漿結(jié)束后，拱部140°范圍采用φ108 mm大管棚超前支護(hù)[3]，管棚長10 m，縱向搭接長度不小于3 m，環(huán)向間距30 cm，管棚間采用小導(dǎo)管超前注漿，小導(dǎo)管長4 m，環(huán)向間距30 cm，縱向間距2 m，傾角10°～15°。

2.1.3掌子面穩(wěn)定措施

為穩(wěn)定掌子面，掌子面采用玻纖錨桿加固。玻纖錨桿垂直于掌子面打入，錨桿長度為12 m，錨桿橫向間距1 m，豎向間距1 m。沿隧道縱向，每8 m一環(huán)，搭接長度4 m。

2.2超前預(yù)加固咬合樁

3號斜井大里程端現(xiàn)場開挖揭示地層為上、中臺階為粉細(xì)砂，下部為老黃土。粉細(xì)砂層稍濕，顆粒較均勻，呈松散結(jié)構(gòu)；老黃土含少量鈣質(zhì)結(jié)核，局部夾砂層，遇水易軟化。本段地層主要特點(diǎn)是開挖漏砂涌砂嚴(yán)重，在掌子面拱頂上方易形成漏斗狀空洞，難以形成有效的作業(yè)空間，施工風(fēng)險極高。為有效防止漏砂涌砂及控制沉降，設(shè)計采用超前預(yù)加固咬合樁支護(hù)措施[4]。

2.2.1超前預(yù)加固咬合樁設(shè)置要求

隧道拱部160°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，每循環(huán)搭接長度3 m；成樁體達(dá)到的抗壓強(qiáng)度5.0～8.0 MPa；為提高超前預(yù)加固咬合樁抗剪強(qiáng)度，采用拱部120°超前預(yù)加固咬合樁內(nèi)插φ89 mm鋼管提高強(qiáng)度[5-6]，φ89 mm鋼管環(huán)向間距80 cm。洞內(nèi)超前預(yù)加固咬合樁布置如圖5所示。

圖5　洞內(nèi)超前預(yù)加固咬合樁布置(單位：cm)

2.2.2掌子面穩(wěn)定措施

掌子面為確保穩(wěn)定采用超前預(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軟弱富水復(fù)合地層隧道關(guān)鍵技術(shù)

軟弱富水復(fù)合地層隧道修建核心技術(shù)在于掌子面穩(wěn)定性與超前預(yù)加固措施，同時加強(qiáng)鎖腳，及時封閉成環(huán)對于控制大變形有明顯的效果[7]。

3.1穩(wěn)定掌子面措施

鐵路隧道建設(shè)中常規(guī)控制掌子面穩(wěn)定主要措施是掌子面預(yù)留核心土、掌子面掛網(wǎng)噴混凝土封閉等，僅適用一般土質(zhì)地層及破碎巖質(zhì)地層。對于第三系軟弱富水復(fù)合地層一般掌子面穩(wěn)定措施很難確保正常施工，而且在動態(tài)開挖過程中極易誘發(fā)大規(guī)模涌水涌砂，為確保掌子面穩(wěn)定，提出了玻纖錨桿超前加固與超前預(yù)加固樁加固兩種措施，均能較好地穩(wěn)定掌子面，抑制掌子面在開挖過程中擠出變形。

3.2超前預(yù)加固措施

干慶隧道第三系、第四系地層復(fù)合程度高，富水砂層分布無規(guī)律可尋，隧道設(shè)計重點(diǎn)應(yīng)研究如何形成有效的開挖空間，即有效的超前預(yù)加固措施。針對不同地層情況，設(shè)計采用了超前預(yù)注漿加固措施和超前預(yù)加固咬合樁措施。

超前預(yù)注漿適用于拱部砂層厚度小于4 m，砂層空隙率較大，富水程度較高的2號斜井小里程端，配合超前大管棚及小導(dǎo)管支護(hù)，不僅有效避免了涌水涌砂與初期支護(hù)沉降收斂大變形甚至坍塌等風(fēng)險，而且提高了施工進(jìn)度，確保了施工安全，是適合類似地層的合理措施，并形成了一套獨(dú)到的“排水降壓、注漿加固、管棚支護(hù)”施工工藝(圖6)。此施工方案工藝簡單、成熟，具有推廣價值。

超前預(yù)加固咬合樁適用于拱部砂層厚度大于4 m，砂層空隙率較小，可注性較差，富水程度較小的3號斜井大里程端，配合超前中管棚加筋支護(hù)，形成具有一定強(qiáng)度(0.5～8.0 MPa)的咬合樁體(圖7)，改善了隧道拱部及邊墻圍巖特性，產(chǎn)生了較好的拱棚效應(yīng)，能夠起到防流沙、抗滑移、防滲透的作用，保證隧道開挖掘進(jìn)安全。

圖6　超前大管棚加固效果

圖7　超前深層預(yù)加固咬合樁加固效果

4結(jié)論

國內(nèi)外富水砂層隧道較多，但客運(yùn)專線大斷面隧道穿越第三系軟弱富水復(fù)合地層并不多見。依托大西客運(yùn)專線干慶隧道建設(shè)，提出了第三系軟弱富水復(fù)合地層隧道掌子面位移控制及超前預(yù)加固設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，確保了隧道施工安全，提高了施工進(jìn)度，對國內(nèi)外類似工程有一定的借鑒意義，推廣應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)寶樹.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]徐長久.胡麻嶺隧道第三系粉細(xì)砂巖段施工關(guān)鍵技術(shù)[J].國防交通工程與技術(shù)，2011(6)：55-58.

[3]于家寶.不同輔助方法在風(fēng)積砂隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005(5)：89-91.

[4]楊宏射.水平旋噴樁技術(shù)在興旺峁隧道砂層加固施工中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2010(1)：100-105.

[5]侯軍紅，曾青.大西客運(yùn)專線上白隧道穿越粉細(xì)砂層超前支護(hù)方案探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(S1):12-14.

[6]陳五二.粉細(xì)砂地層隧道水平旋噴樁支護(hù)技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(S):135-137.

[7]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[8]中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

Study of Key Technologies in Design of Large Cross-section Tunnel through Rich Water Tertiary Complex Strata on Passenger Dedicated Line Yi Xing-fang

(The Third Railway Survey & Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Abstract：GanQing tunnel on Datong-Xi’an passenger dedicated line passes through the Quaternary and Tertiary strata of the Midwest regions in China, characterized by silty clay, sand, loess in random distribution with cystic water in sand layer. Sand and water gush occurred many times during the construction. In order to settle the problem, this paper puts forward tunnel face stability measures and advance pre-strengthening to effectively solve the problem and ensure construction safety.

Key words：Passenger dedicated line; Railway tunnel; Complex strata; Advance strengthening

中圖分類號：U238； U452.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.018

文章編號：1004-2954(2015)02-0073-03

作者簡介：伊興芳(1982—)，男，工程師，E-mail：sdsyixingfang@126.com。

收稿日期：2014-11-17； 修回日期：2014-12-07