富水砂性回填土中特大跨隧道設(shè)計(jì)與施工

李建林 吳金剛 馬杰

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082)

引言

富水砂層砂粒含量大，孔隙比大，含水量大，具有流動(dòng)性大、承載力小、自穩(wěn)性差等特點(diǎn)，砂層中開挖隧道相當(dāng)困難，尤其是暗挖隧道沉降控制。隧道上覆土層在自然狀態(tài)下處于應(yīng)力平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，但在隧道施工中，地層損失和地下水位的下降都會(huì)導(dǎo)致土層的變形和失穩(wěn)。隧道淺埋暗挖施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是水的治理，若能有效解決水的問題，隧道施工即成功了一半。

作為城市道路重要組成部分的四車道城市隧道，特別是超大跨軟弱圍巖段城市隧道，國內(nèi)外的理論研究和工程實(shí)踐尚不成熟，國內(nèi)有關(guān)特大跨度隧道的設(shè)計(jì)與施工還處在經(jīng)驗(yàn)積累階段。相對于兩、三車道隧道而言，四車道隧道多采取扁平的斷面形式，在力學(xué)上有其獨(dú)有的特征：(1)開挖后的圍巖應(yīng)力集中的程度更大；(2)隧道底腳處應(yīng)力集中過大，必須有較高的地基承載力；(3)拱頂難以穩(wěn)定；(4)有較大的松弛地壓；(5)支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力相對較小。

在富水砂性回填土層中修建雙洞八車道隧道，尚無可借鑒的工程案例。本文依托石清大道一期羊臺(tái)山隧道采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工(在施工洞口時(shí)地質(zhì)揭示與設(shè)計(jì)不一致，針對新揭示的地質(zhì)重新進(jìn)行設(shè)計(jì))，有針對性地采取了富水砂性回填土層中特大跨隧道的施工方法和輔助措施，保證了隧道施工的安全性和可靠性。

圖1 工程平面位置Fig.1 Engineering plane position

1 工程概況

石清大道一期道路工程由石巖段和龍華段組成，道路全長約7.9km。其中，石巖段起于寶石路(二期)，沿機(jī)荷高速公路北側(cè)由西向東布線，終點(diǎn)接規(guī)劃的光僑布龍連接線，長約5.1km；龍華段起點(diǎn)與龍觀路相接，終點(diǎn)接五和大道，長約2.8km。

1.1 隧道概況

全線設(shè)雙洞八車道隧道1 座—羊臺(tái)山隧道，隧道全長385m，主洞建筑限界寬度16.75m，高度5.0m；隧道內(nèi)輪廓寬度18.1m，毛洞開挖跨度達(dá)20.92m。隧道內(nèi)輪廓在滿足建筑限界(圖2)、運(yùn)營設(shè)備安裝空間、方便維修保養(yǎng)等前提下，力求使凈空斷面利用率高，結(jié)構(gòu)受力合理，采用受力條件好的三心圓形式(圖3)。

圖2 隧道建筑限界Fig.2 Tunnel construction clearance

圖3 隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)Fig.3 Tunnel cross-section design

本次研究范圍為左線東洞口ZK3 +448～ZK3+560 區(qū)段，全長 112m，具體見圖4。

圖4 左線地質(zhì)縱斷面Fig.4 Geologic profile of left

左線東洞口ZK3 +448～ZK3 +513 區(qū)段為暗挖段，全長 65m，圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí)，施工采用CRD 工法，具體施工工序見圖5。

圖5 CRD 施工工序Fig.5 Cumulative procedure of CRD

1.2 水文地質(zhì)條件

2015年12月，施工單位完成洞口開挖及仰坡處理。明洞開挖現(xiàn)場顯示，明暗分界(ZK3 +513)處基底、拱頂為素填土層。

左洞(K3 +513)開挖進(jìn)洞過程中出現(xiàn)初支變形過大、掌子面土體塌落、地基加固成孔困難等問題。

(1)揭示地質(zhì)情況：主要為砂質(zhì)回填土、地下水豐富，穩(wěn)定性差；

(2)地基加固：注漿小導(dǎo)管成孔困難，由于坍孔現(xiàn)象嚴(yán)重，小導(dǎo)管安設(shè)深度不足；

(3)初支變形過大：側(cè)壁導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖后，累計(jì)沉降6cm，水平收斂9cm，且臨時(shí)橫撐變形過大；下臺(tái)階開挖后，變形速率加劇，為控制變形，回填下臺(tái)階；開挖下臺(tái)階時(shí)，掌子面富水，出現(xiàn)局部土體塌落。

與原詳勘報(bào)告不符，因此進(jìn)行補(bǔ)勘。地質(zhì)補(bǔ)勘資料顯示，ZK3 +478～ ZK3 +513 段，隧道大部分?jǐn)嗝嫖挥谒靥钔翆?，基底基巖面不均勻，圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí)；ZK3 +448～ ZK3 +478 段，隧道基底位于強(qiáng)～微風(fēng)化巖層、拱墻多為素填土層，圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí)。

素填土(地層編號(hào)①1)：灰黃、褐黃、灰黑色，稍濕，松散- 稍密，主要由黏性土組成，夾少量碎塊石組成，部分地段碎塊石含量高，塊徑 3cm～10cm，最大可達(dá)20cm 以上。硬質(zhì)雜質(zhì)含量大于25%。密實(shí)度及均勻性差，力學(xué)強(qiáng)度低。該層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)35 次，N范圍值為 6～22 擊，平均 13 擊，變異系數(shù) 0.378；進(jìn)行重型動(dòng)力觸探23.4m，N63.5 范圍值為1～13 擊，平均4.1 擊，變異系數(shù)0.412。原位測試結(jié)果表明，該層無論是在水平方向還是在垂直方向均具有不均勻性。層厚 9.50m～31.50m，平均層厚19.74m。

1.3 富水砂層影響分析

地下水流動(dòng)對土體產(chǎn)生滲透力J＝γwi，其中γw為水的重度，i為水力坡度。當(dāng)向上的滲透力克服向下的重力，粒間的有效應(yīng)力為零時(shí)，顆粒群發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱為流砂現(xiàn)象。

富水地層含水量高，含水量的增高將使土的抗剪強(qiáng)度降低，降低摩阻力和粘聚力。破碎圍巖的滲透系數(shù)大，當(dāng)滲透力大于土體的抗剪強(qiáng)度τ＝c+σtanφ(其中c為粘聚力，σ為正應(yīng)力，φ為內(nèi)摩擦角)時(shí)，土體破壞。其中滲透力的大小取決于水力坡度，而抗剪強(qiáng)度取決于σ、c、φ值。

可見，流砂現(xiàn)象與滲透力的大小，以及土的顆粒級(jí)配、密度和透水性等有關(guān)。針對此種現(xiàn)象，處理方法主要有兩類：一是臨界水力坡度法，即保證施工時(shí)水力坡度不超過砂層的臨界水力坡度；二是莫爾-庫侖法，進(jìn)一步分為砂層固結(jié)法(c法)和降水井法(φ法)。c法通常采用注漿、高壓旋噴等方法對砂層進(jìn)行固結(jié)，改變透水性；φ法采用降水井對砂層進(jìn)行疏干后，使砂層內(nèi)摩擦力增大。根據(jù)有效應(yīng)力原理σ＝σ′+u。疏干排水后u減小，有效應(yīng)力σ′增大，砂層的有效抗剪強(qiáng)度就增大。

綜上所述，解決富水砂性回填土強(qiáng)度及穩(wěn)定性問題，核心是提高土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即提高c值和φ值。

2 設(shè)計(jì)方案

結(jié)合現(xiàn)場與地質(zhì)補(bǔ)勘資料，對ZK3 +448～ZK3 +513 段(原設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖暗挖段)，進(jìn)行了暗挖方案、明挖方案、明暗挖結(jié)合方案等三種方案對比，并最終確定采用暗挖方案，暗挖方法仍采用CRD 法(圖5)，同時(shí)采取的輔助措施包括降水井、地表注漿加固、地基加固、拱腳加固及側(cè)向抗滑樁加固。

2.1 降水措施

當(dāng)前暗挖隧道解決水的問題主要是采取地面降水和洞內(nèi)止水兩種，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。洞內(nèi)止水成本高、對周邊建筑物影響小、不受周邊環(huán)境限制；地面降水費(fèi)用低、對周邊建筑物影響大、受周邊環(huán)境制約大、效果明顯。

本工程周邊無重要的建筑物，故采用地面降水方案，即降水井法(φ法)，通過降低地下水對砂層進(jìn)行疏干后，使砂層內(nèi)摩擦力增大，同時(shí)通過降低空隙水壓力，增大砂層的有效抗剪強(qiáng)度。在左線 ZK3 +448～ZK3 +491 暗挖區(qū)段，隧道兩側(cè)布置降水井7 處(圖6)，縱向間距15m～17m，降水井打設(shè)深度為隧道底以下2m，降水時(shí)保證水位在隧道底(高程95.0)以下。

圖6 降水井布置平面Fig.6 Layout plan of dewatering well

2.2 地表注漿

暗挖隧道進(jìn)洞一直是施工中最易發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之一，本工程地層為回填砂性土，土中含水，更是為工程施工增加了風(fēng)險(xiǎn)，為了有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，增加暗挖進(jìn)洞安全性和可靠性，本工程通過采取地面注漿的方式改善土體的抗剪能力和抗?jié)B性(c法)。左線 ZK3 +491～ ZK3 +513 暗挖區(qū)段位于仰坡下方，明洞施工完成后，對暗洞段上方土體卸荷，場平后進(jìn)行洞外地表注漿加固(圖7)，加固參數(shù)如下：結(jié)構(gòu)左、右兩側(cè)約3m，洞頂 6m 至洞頂以下 13m，φ76PVC 袖閥管，@200cm×200cm梅花形布置。

圖7 地表注漿Fig.7 Surface grouting

2.3 地基加固及拱腳加固

左線ZK3 +478～ZK3 +513 暗挖區(qū)段原土層地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，為了保證結(jié)構(gòu)地基承載力滿足要求，本工程采用高壓旋噴樁加固地基土(圖8)，樁徑 60cm，1m×1m 正方形布置，樁端進(jìn)入巖層不小于0.5m；采用雙管旋噴，水泥漿配比及注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定；施工完成后地基承載力要求不小于250kPa。

圖8 地基加固Fig.8 Foundation reinforcement

2.4 側(cè)向抗滑樁加固

左線 ZK3 +478～ ZK3 +513 暗挖區(qū)段，回填砂層卸載完成后，隧道洞身范圍土層與兩側(cè)土層形成較大高差，施工期間容易產(chǎn)生土體滑動(dòng)，為了保證洞身兩側(cè)地層穩(wěn)定性，本工程在洞身兩側(cè)范圍打設(shè)抗滑樁保證地層的穩(wěn)定性。抗滑樁樁徑150cm，縱橫間距3m，距隧道結(jié)構(gòu)外邊緣3.75m，見圖9。

圖9 抗滑樁加固Fig.9 Anti-slide pile reinforcement

3 現(xiàn)場施工及監(jiān)測

圖10為第三方監(jiān)控量測單位針對CRD 工法施工時(shí)左上導(dǎo)洞測點(diǎn)布置橫斷面圖，其中ZK3 +448～ZK3 + 478 區(qū)段拱頂允許沉降最大值為18cm，ZK3 +478～ ZK3 +513 區(qū)段拱頂允許沉降最大值為25cm。

圖10 左上導(dǎo)洞測點(diǎn)布置橫斷面Fig.10 Cross-sectional diagram of survey point layout for upper guide tunnel

截止至2019年2月隧道主體結(jié)構(gòu)全部完工，根據(jù)第三方監(jiān)控量測單位提供監(jiān)測報(bào)告顯示，監(jiān)測結(jié)果基本收斂，隧道水平收斂最大值為ZK3 +460 斷面處達(dá)到7mm(圖11)；隧道拱頂沉降最大值為ZK3 +465 斷面處達(dá)到28mm(圖12)。

圖11 隧道水平累計(jì)收斂Fig.11 Cumulative convergence of tunnel horizontal

圖12 隧道拱頂累計(jì)沉降Fig.12 Cumulative settlement of tunnel vault

圖13為東洞口段施工期間及施工完成現(xiàn)場，從實(shí)際結(jié)果可知隧道加固效果明顯，通過采取暗挖方式結(jié)合以上輔助措施，富水砂性回填土中施工特大跨度隧道順利完成。

圖13 施工現(xiàn)場Fig.13 Site construction

4 結(jié)論

本工程實(shí)踐證明，在富水砂性地層中修建暗挖特大跨隧道時(shí)，采用合適的施工方法(如CRD法)，并輔以可靠的施工輔助措施，可較為安全地完成暗挖隧道的施工。

通過本文分析，可得出如下幾個(gè)結(jié)論：

(1)富水砂性回填土加固核心是提高土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即提高c值和φ值，采取的施工輔助措施需有效改善土體的抗剪能力；

(2)富水砂性回填土中施工暗挖隧道，可靠的輔助措施包括降水井、地表注漿加固、地基加固、拱腳加固及側(cè)向抗滑樁加固，具體可根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)措施。