超前短旋噴樁三臺階山法應用
——基于城市隧道淺埋暗挖淤泥圍巖

楊 輝

(福州市城鄉(xiāng)建設發(fā)展總公司 福建福州 350001)

超前短旋噴樁三臺階山法應用
——基于城市隧道淺埋暗挖淤泥圍巖

楊 輝

(福州市城鄉(xiāng)建設發(fā)展總公司 福建福州 350001)

某城市淺埋隧道地層處于雜填土、淤泥、粘土、微承壓水，周邊環(huán)境復雜。超前短旋噴樁三臺階山法施工安全風險低、成本合理、進度快、社會效益顯著。

短旋噴樁；三臺階山法；城市隧道

0 引言

隨著施工技術的進步、采用大型施工機械的要求和大斷面隧道的出現(xiàn)，對隧道開挖方法選擇有了極大變化：在選定開挖方法時，要以大斷面開挖為指向，圍巖條件不是唯一的決定因素。在同一座隧道，開挖方法頻繁變化，既不經濟也不安全，主張在全隧道中(除洞口段外)采用同一種開挖方法——全地質型開挖方法，如全斷面法或臺階法[1]。當圍巖地層處于雜填土、淤泥、粘土、微承壓水，周邊環(huán)境復雜、鎖腳失效等，可采用水平旋噴樁、全斷面攪拌樁或旋噴樁等預加固措施。城市隧道施工往往涉及到大眾交通出行迫切需求，工期要求緊，全地質型開挖方法成為優(yōu)先考慮工法，超前短旋噴樁三臺階山法，施工安全、風險低、成本合理、進度快、社會效益顯著。本文擬以某城市暗挖隧道為工程案例，詳細論述超前短旋噴樁三臺階山法方案實施。

1 工程概況

某城市暗挖隧道Ⅵ級圍巖地質主要為軟土淤泥、粘土、含卵石、殘積砂質粘性土，淺埋埋深僅6m～10m，斷面面積93m2，屬50m2～100m2的大斷面隧道，跨度11m，屬中跨度隧道[9，14m)。地質特點：

①土層從上到下依次為：雜填土、素填土、塊石、耕土、粘土、淤泥、(含礫砂)粘土、淤泥質土和孤石(卵石)，其中淤泥層厚達6m～14m，含水量高達62%，局部含有機質。

②粘土部分塑性指數(shù)大。

③拱腰中下部、拱腳地質從淤泥過渡為(含礫砂)粘土、碎卵石層等，屬承壓含水層，水量較豐富，特別是臺風暴雨季節(jié)，地下水量有所增加。

隧道區(qū)域現(xiàn)狀地表房屋已拆遷完成，土層存在碎塊雜物、卵石等致攪拌樁無法實施，隧道掘進過程中出現(xiàn)鎖腳錨固失效，初支輪廓外局部涌泥，施工進展緩慢，安全風險大。為解決掘進中出現(xiàn)的上述問題，需開展相關研究，確定安全經濟快速工法，提高社會效益。

2 超前短旋噴樁三臺階山法方案

2.1 數(shù)值分析

采用Midas NX有限元數(shù)值分析超前短旋噴樁三臺階山法施工可行性。為簡化模型，將短旋噴樁拱簡化成厚度為60cm的實體拱殼結構。將超前小導管加固地層簡化為一種實體單元，后期通過改變屬性來實現(xiàn)其效果的模擬，其計算參數(shù)同樣采取復合地基法。將錨桿粘聚力進行等效換算，將初支型鋼剛度折算給噴射混凝土，將初支簡化成曲面殼體結構。圍巖滿足莫爾-庫倫屈服條件，不考慮旋噴樁與土體的滑移，采用復合地基進行模擬。噴射混凝土采用板單元模擬。各項數(shù)值模擬參數(shù)如表1所示，模型如圖1所示。

表1 計算模型參數(shù)

圖1 隧道施工模型

經數(shù)值模擬，超前短旋噴樁三臺階山法隧道整體塑性區(qū)集中在洞頂和左右兩側的中下導，這兩部分區(qū)域承擔了明顯的荷載，通過旋噴樁預加固此區(qū)域，可解決初支鎖腳失效問題。支護周邊圍巖沒有明顯的塑性區(qū)發(fā)展趨勢，圍巖整體穩(wěn)定，破壞程度小，說明短旋噴樁圍巖加固起到明顯的積極作用。圍巖變形如表2所示。

表2 圍巖變形 mm

2.2 優(yōu)化方案

通過數(shù)值分析，采用超前短旋噴樁三臺階山法可行，考慮經濟性，將原計劃隧道全斷面加固調整為局部加固短樁。

(1)超前短旋噴樁斷面示意圖如圖2所示。地表段為空樁(深L：15m>L>4m)，僅對隧道兩側邊墻采用雙排8m樁長φ800二重管高壓旋噴樁加固至仰供底標高作為止水墻，洞頂拱部范圍采取開挖輪廓線3.0m范圍(以內1m，以外2m)土體加固，局部采取加長樁加固至洞內掌子面起拱線。

圖2 短旋噴樁加固斷面示意圖

(2)三臺階山法如圖3所示。第1步，山形上部弧形導坑開挖：在拱部超前支護后進行，開挖上部導坑，預留中間核心土，上導拱腳預留或反壓三角形土，與中間核心土間開斜流水溝，核心土長度不小于3m，寬度大于隧道開挖寬度的1/2，核心土頂面距洞頂距離1.8m。上臺階步距開挖4 m～6m，矢跨比0.3，開挖循環(huán)進尺0.5m～0.6m。第2～3步，左、右側中臺階開挖：開挖進尺1.0 m～1.2m，開挖步距10m～15m，左、右側臺階錯開2m～3m，施作臨時仰拱，臨時仰拱與初支型鋼鉸接，采用焊接鋼筋向下頂住臨時仰拱。第4～5步，左、右側下臺階開挖：開挖進尺1 m～1.2m，開挖步距5m～8m，左、右側臺階錯開2m～3m，立即初噴3cm～5cm混凝土，及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，接長鋼架。第6步，左右開挖完成后，滯后一側施工6m后開挖中間核心土，進行隧底施工，施工完成后立即進行仰拱施工，仰拱每次施工4m～6m。

2.3 主要施工情況

超前短旋噴樁采用42.5R復合硅酸鹽水泥，水泥用量250kg/m，水泥摻量28%。按照優(yōu)化方案短旋噴樁標高對每根樁樁長進行精確計算，樁長深入隧道斷面控制在+100cm左右。試樁成樁質量和隧道掌子面強度符合要求。水泥土芯樣抗壓強度代表值(16d齡期)1.3MPa?，F(xiàn)場鉆孔取芯樣品及掌子面如圖4所示。

圖3 三臺階山法示意圖

圖4 現(xiàn)場鉆孔取芯樣品、掌子面加固效果

圖5 三臺階山法

掌子面開挖效果如圖5所示，旋噴樁加固效果明顯，掌子面可以組織挖掘機開挖施工，安全性大大提高，施工未出現(xiàn)坍塌涌泥、鎖腳失效、長時間補注漿等。實測拱頂沉降最大值119mm，地表沉降最大值89mm，收斂最大值113mm，與數(shù)值計算基本吻合，施工進度每天1～1.5m/d。因本段拱腰中下部、拱腳水文地質為承壓含水層且水量較豐富，輔以局部降水。采用超前短旋噴樁三臺階山法，順利安全序時通過淺埋淤泥圍巖段，為后續(xù)通車打下基礎。

3 結語

超前短旋噴樁三臺階山法，可有效解決碎塊雜物、卵石等致攪拌樁無法施工、小斷面開挖地質仍不穩(wěn)定、初支鎖腳失效、工期要求緊等問題，實施后掘進進度快、成本合理、安全風險低、社會效益明顯。

[1] 關寶樹.漫談礦山法隧道技術第九講——隧道開挖和支護的方法[J].隧道建設,2016,36(7):771-781.

[2] JTG/F60-2009 公路隧道施工技術細則[S].北京:人民交通出版社,2009.

Advanceshortspinningpileandthreestephillmethodapplication——basedonshallowburieddredgingmudsurroundingrockintheurbantunnel

YANGHui

(Fuzhou urban construction development corporation,fuzhou city,Fujian province,Fuzhou 350001)

Shallow-buried tunnel of a city is in the miscellaneous fill and silt and clay and confined water,complex surrounding environment.Three steps lead short jet grouting pile construction safety risk is low,the cost is reasonable,progress quickly,the social benefit is remarkable.

Short jet grouting pile; Three steps and mountain method；Urban tunnel

楊輝(1976.9- ),男,高級工程師。

E-mail:183710984@qq.com

2017-09-13

U45

A

1004-6135(2017)12-0066-03