松散地層隧道預(yù)加固技術(shù)

李剛占，富志鵬，李博融

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著中國公路建設(shè)不斷往西部及山區(qū)延伸，建設(shè)工程不可避免地要面對(duì)諸多特殊地質(zhì)工程難題。攻克復(fù)雜地質(zhì)條件下的公路工程修建難題，特別是松散地層公路隧道建設(shè)難題，以保障工程質(zhì)量和施工安全尤為重要［1－3］。在隧道初期支護(hù)之前，施工影響范圍內(nèi)地表及深層土體易發(fā)生沉降，為保證開挖掌子面及預(yù)開挖巖土體穩(wěn)定，超前支護(hù)必不可少，特別在松散地層進(jìn)行隧道建設(shè)，合理的預(yù)支護(hù)方式尤為關(guān)鍵［4－5］。松散體在注漿凝固后，強(qiáng)度可增加50%以上，從而大幅改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)［6－7］。

青海海東某公路隧道穿越松散砂卵石地層，隧道圍巖以細(xì)砂為主，卵石含量相對(duì)較低。由于地層自穩(wěn)能力差，加之對(duì)于圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性不甚明確，洞內(nèi)開挖過程中漏砂甚至局部坍塌問題頻發(fā)，不僅毀壞作業(yè)機(jī)具，更嚴(yán)重影響了作業(yè)施工人員安全及工程總體進(jìn)度［8－11］。因此，本文開展隧道開挖預(yù)支護(hù)方案研究，提出科學(xué)合理的超前支護(hù)手段，保證隧道施工安全。

1 工程概況

青海海東某公路隧道采用左右線分離式結(jié)構(gòu)，左線全長2 069m，右線全長2 061m，均屬長隧道，最大埋深左線約221．0m、右線約為218．0m。隧道出口平面線型為圓曲線，洞身段為直線。依托工程松散體組分以80～260mm的漂石為主，粒組占比達(dá)61．54%。就分布狀態(tài)來看，粒徑較大的卵石和漂石近似層狀分布。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)取樣及篩分試驗(yàn)結(jié)果可知，不同粒組占比差異較大，級(jí)配連續(xù)性差，細(xì)粒砂通過卵石骨架在開挖擾動(dòng)下極易漏砂，甚至出現(xiàn)局部塌腔。由于隧址區(qū)地層含水量極低，細(xì)顆粒之間幾乎呈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸，傳力靈敏，巖土體發(fā)生宏觀大變形概率大［12－14］。

2 超前支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)類似松散、軟弱地層隧道修建經(jīng)驗(yàn)，初步確定超前小導(dǎo)管注漿、超前短管棚注漿和水平旋噴樁方案可應(yīng)用于砂卵石地層隧道開挖，并通過超前支護(hù)效果對(duì)比，提出最優(yōu)支護(hù)方案。

2．1 超前小導(dǎo)管注漿

沿隧道開挖輪廓密排打入長6m的Φ42小導(dǎo)管，環(huán)向間距10cm。小導(dǎo)管每2m設(shè)置一環(huán)，每環(huán)搭接長度為3．9m，形成一層空間超前支護(hù)棚拱。

2．2 超前短管棚注漿

沿隧道開挖線打設(shè)Φ108超前管棚。為起到封堵漏砂的作用，6m短管棚環(huán)向密排布置，循環(huán)搭接長度為1．5m。由于砂卵石隧道不具備開挖工作腔室的條件，管棚通過固定在鋼拱架的導(dǎo)向管以12°傾角打入。

2．3 旋噴樁

針對(duì)細(xì)粒砂密集區(qū)，旋噴樁單層布設(shè)于隧道開挖線，設(shè)定加固范圍為180°。根據(jù)地層特點(diǎn)，旋噴樁間距取35cm，長15m，樁間搭接15cm。

3 加固效果數(shù)值計(jì)算

計(jì)算采用有限差分法，以三臺(tái)階開挖工法為典型代表，模擬施工過程。二次襯砌施作完成后，圍巖位移、應(yīng)力，初期支護(hù)軸力、彎矩，二次襯砌第一、第三主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如表1～4及圖1～3所示。

表1 圍巖變形

表2 拱頂沉降

表3 各超前支護(hù)下初期支護(hù)內(nèi)力

表4 各超前支護(hù)下二襯應(yīng)力

4 結(jié)果分析

從圍巖變形對(duì)比（圖4）來看，超前短管棚注漿對(duì)圍巖變形的控制效果最好，最大拱頂沉降為136mm，最大水平位移為14mm；水平旋噴樁次之，其最大拱頂沉降為160mm，最大水平位移為22mm；超前小導(dǎo)管注漿效果最差，最大拱頂沉降為165mm，最大水平位移為22mm；無超前支護(hù)條件下，最大拱頂沉降為181mm，最大水平位移為28mm。

從初期支護(hù)內(nèi)力來看，超前短管棚注漿的初期支護(hù)最大彎矩為295kN·m，最大軸力為1 367 kN；水平旋噴樁初期支護(hù)最大彎矩為351kN·m，最大軸力為1 168kN；超前小導(dǎo)管注漿初期支護(hù)最大彎矩為358kN·m，最大軸力為1 145kN；無超前支護(hù)條件下，初期支護(hù)最大彎矩為371kN·m，最大軸力為1 059kN。隨著超前支護(hù)剛度的增加，初期支護(hù)的軸力不斷增大，彎矩則不斷減小。

圖1 超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)計(jì)算結(jié)果

圖2 超前短管棚注漿支護(hù)計(jì)算結(jié)果

圖3 水平旋噴樁支護(hù)計(jì)算結(jié)果

圖4 不同超前支護(hù)方案地層及結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

從二襯應(yīng)力來看，超前短管棚注漿的二襯最大拉應(yīng)力為0．74MPa，最大壓應(yīng)力為3．06MPa；水平旋噴樁二襯最大拉應(yīng)力為0．83MPa，最大壓應(yīng)力為2．98MPa；超前小導(dǎo)管注漿二襯最大拉應(yīng)力為0．77 MPa，最大壓應(yīng)力為2．81MPa；無超前支護(hù)的二襯最大拉應(yīng)力為0．75MPa，最大壓應(yīng)力為2．79MPa。隨著超前支護(hù)剛度的增加，二襯所受壓應(yīng)力不斷增大，拉應(yīng)力不斷減小。

結(jié)合實(shí)際施工情況，對(duì)上述3種超前支護(hù)的特點(diǎn)進(jìn)行匯總，如表5所示。

表5 超前支護(hù)特點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié) 語

本文結(jié)合松散地層隧道施工實(shí)際，通過數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析了常用隧道預(yù)加固技術(shù)措施，明確了不同加固措施下圍巖的變形特征及結(jié)構(gòu)內(nèi)力?；诩庸套饔眯Ч?，揭示了短管棚注漿應(yīng)用于砂卵石隧道超前加固的適用性和必要性。

（1）不同超前預(yù)支護(hù)方式下，隨著超前支護(hù)剛度的增加，初期支護(hù)的軸力均不斷增大，彎矩不斷減??；二襯所受壓應(yīng)力不斷增大，拉應(yīng)力則不斷減小。

（2）超前短管棚注漿的圍巖變形和沉降控制效果最好，水平旋噴樁次之，超前小導(dǎo)管注漿效果最差。超前短管棚注漿條件下，拱頂沉降較無支護(hù)減小25%，較超前小導(dǎo)管減小18%，較水平旋噴樁減小15%。

（3）砂層密集區(qū)采用水平旋噴樁技術(shù)施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、周期相對(duì)較短，但能否在砂卵石隧道中成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于注漿效果；超前小導(dǎo)管注漿應(yīng)根據(jù)注漿擴(kuò)散范圍和砂體滑動(dòng)面，合理確定小導(dǎo)管環(huán)向間距和長度。超前密排短管棚注漿根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及數(shù)值分析反饋，封砂堵漏效果顯著，沉降控制效果好，可作為松散地層隧道開挖預(yù)支護(hù)推薦方案。