富水砂礫石地層淺埋大跨高速鐵路隧道施工技術(shù)

郭光旭,張 鑫

(1.西成鐵路客運專線陜西有限責任公司，陜西 西安 710043；2.中鐵裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引 言

隧道工程具有隱蔽性、地質(zhì)條件復雜性、施工復雜性和周圍環(huán)境的不確定性等突出特點，因此施工技術(shù)的難度和建設(shè)風險較大。石鼓山隧道埋深淺，地層雜亂，地下水發(fā)育，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復雜，施工難度極大，安全風險極極高[1-3]。

該隧道在施工過程采用了地表旋噴樁或袖閥管注漿加固后洞內(nèi)三臺階臨時仰拱法開挖的方法，加快了施工進度，提高了工效，為實現(xiàn)工期目標提供了有利支持，可在類似工程推廣應用。

1 工程概況

寶蘭客專石鼓山隧道為客運專線單洞雙線隧道，全長為4 330 m，開挖最大斷面為160 m2，最大跨度為15.2 m，全隧為V、VI級圍巖。工程地質(zhì)和水文地質(zhì)極為復雜，主要體現(xiàn)在“兩難”、“一險”?！耙浑y”：全隧均為Ⅴ、Ⅵ級圍巖，其中Ⅵ級圍巖1 300 m，占隧道總長度的30%；“二難”：全隧1 720 m為砂層、細-粗圓礫土層及礫砂層與細-粗圓礫土層，局部段落淺埋、超淺埋?！耙浑U”：隧道的茵香河、張家溝淺埋段，最小埋深為8 m，上有地方道路，交通繁忙，河流常年流水，地層以中粗砂、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土為主，存在坍塌、冒頂、涌砂、涌水、突水及突泥等安全風險，施工難度高，為高風險隧道，是寶蘭客專重點控制性工程之一。

隧道DK639+950～DK640+070段下穿茵香河段，圍巖以砂礫土，施工中極易發(fā)生地表沉陷、洞內(nèi)坍塌、突水和突泥等，安全風險極高。

(1)河床地表常年流水，流量為4 600 m3·d-1。地下水量豐富，水位埋深約2～8 m、高于洞頂約7 m。隧道開挖止水防水難度很大。

(2)下穿河床段地質(zhì)復雜，上面覆蓋層主要是直徑為1～2 m的大礫石砂層，結(jié)構(gòu)松散，如不進行固結(jié)處理，隧道無法成洞。但大礫石會造成成孔和注漿施工難度較大。

(3)隧道洞身通過地層主要為第四系中更新統(tǒng)洪積粉質(zhì)粘土、粉砂、細沙、粉土、細圓礫土、粗圓礫土等，須采用管棚+超前小導管注漿超前加固。地層中有大量卵石和大直徑礫石，因此管棚和超前小導管施工較困難。

(4)地方政府對茵香河重新規(guī)劃，將石鼓山隧道下穿茵香河段設(shè)為影視基地及文化旅游風景區(qū)，拓寬河道并在下游修建蓄水壩用以抬高水位，增加了隧道范圍內(nèi)地下水的補給源，加大了隧道施工及后期運營風險。

圖1 隧道突泥涌水照片

在隧道通過其他富水砂層及細-粗圓礫土層時多次發(fā)生突泥涌水等地質(zhì)災害(圖1)，施工難度大，安全風險高，進度緩慢。為有效保證隧道下穿茵香河段的施工安全，采取了地表旋噴加固、洞內(nèi)超前地質(zhì)預報、加強支護、優(yōu)化開挖方法措施。

2 地表旋噴樁加注漿加固

在地表采用Φ800 mm旋噴樁進行加固。旋噴加固范圍為拱墻開挖輪廓線外1.1 m，旋噴樁樁底至仰拱最低面，旋噴樁樁長為25～30 m。最外側(cè)兩排旋噴樁為咬合樁，樁間距縱向為0.7 m，橫向間距為0.6 m，梅花形布置。其余隧道范圍內(nèi)的旋噴樁間距均按1.2 m×1.2 m布置。旋噴漿液采用單液漿進行施工，注漿壓力不小于20 MPa，如圖2、3所示。

圖2 旋噴注漿加固

圖3 旋噴樁施工作業(yè)

根據(jù)探測鎖定結(jié)果，DK639+988～DK640+010旋噴樁段采取袖閥管注漿進行補強加固，補強加固范圍長度為22 m、寬度為15.02 m，注漿范圍為拱頂以上5 m，上臺階拱腳以下1 m。隧道開挖輪廓線外注漿深度為仰拱底部，旋噴樁加固段袖閥管補強，如圖4所示。

下午四點光景的太陽烤得路面都燙腳，高木沒走兩步，就一身大汗；梨花卻一陣陣地發(fā)冷，她雙臂裹著身體，越走越縮；走到麥村與谷村交界的大寨河邊，梨花扶住橋頭的石柱蹲下身來，她不想再走了。河面上有不少蜻蜓在飛舞，有紅的，有白的……沿著河道飛來飛去。滿頭大汗的高木抓起桃花的手，卻被她身上的冰冷觸了一下；他一愣，就被梨花掙脫了手。梨花慢慢地直起身來，繼續(xù)往前走。高木默默地跟在她身后，愣愣的，沒說一句話。

表1 旋噴樁施工主要技術(shù)參數(shù)

圖4 旋噴樁加固段袖閥管補強

注漿完成后沿溝心設(shè)置厚度為30 cm的C25鋼筋混凝土底板，表層設(shè)Φ12 mm鋼筋網(wǎng)，間距為20×20 cm；設(shè)置范圍為線路左側(cè)37.5 m，右側(cè)27.5 m。

本段地表注漿應在枯水季節(jié)施工，施工期間做好地表水的臨時引排措施，確保施工安全及質(zhì)量。

3 隧道支護措施及開挖方法

3.1 支護措施

拱部雙層Φ42 mm超前小導管超前注單液漿。初支鋼架采用工25a型鋼，間距為0.5 m，噴射C25混凝土,厚度為35 cm；拱墻設(shè)置錨桿，錨桿長度為4 m，間距為1.0 m，拱墻設(shè)置Φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm。二次襯砌采用C35鋼筋混凝土襯砌，拱墻厚度為65 cm，仰拱厚度為75 cm。采用CRD法施工。DK639+950～DK640+070段采用全包防水設(shè)計,全環(huán)設(shè)2 mm厚防水板，板后鋪設(shè)無紡布。防水板內(nèi)側(cè)沿縱向設(shè)Φ80 mm透水盲管；環(huán)向設(shè)Φmm 50HDPE雙壁打孔波紋管，環(huán)向盲管間距為6 m，以排泄透過防水板的滲漏水。

3.2 開挖方法

原設(shè)計工法采用雙側(cè)壁導坑法或CRD法，通過圍巖加固后，采用優(yōu)化的三臺階臨時仰拱法施工，上臺階留置2 m左右的核心土，核心土后方的上臺階及中臺階設(shè)置臨時仰拱。開挖斷面圖如圖5所示。根據(jù)隧道風險特點，以安全為原則，響應緊襯砌的要求，石鼓山隧道仰拱安全步距按30 m控制，二襯安全步距按60 m控制。開挖斷面圖如圖5、6所示。

圖5 三臺階臨時仰拱法工序橫斷面

圖6 三臺階臨時仰拱法工序平面

三臺階臨時仰拱法要求上臺階設(shè)置臨時仰拱，中臺階設(shè)置臨時橫撐，臨時仰拱與初支鋼架采用栓接連接，結(jié)合現(xiàn)場情況，針對不同段落，對該工法做了如下改進。

(1)上臺階留置2 m左右核心土，充分保證了掌子面穩(wěn)定。核心土后方的上臺階設(shè)置臨時仰拱，中臺階臨時橫撐改為臨時仰拱，并在臨時仰拱上填土(厚度0.5 m并壓實)，保證了該工法可全面適應機械化施工。

(2)臨時仰拱與初支鋼架連接由栓接改為倒楔形卡，臨時仰拱鋼架安裝在楔形卡內(nèi)，楔形卡對臨時仰拱鋼架形成垂直向上和水平的約束，從而使臨時仰拱即發(fā)揮了控制沉降和收斂的作用，又充分有效地減小了大型機械施工對初支的擾動。

(3)在富水砂卵石V圍巖段落，因圍巖壓力大，在原三臺階臨時仰拱法的基礎(chǔ)，上部設(shè)置豎撐，有效地抑制了隧道早期沉降變形。

4 效果分析

隧道淺埋段施工過程中采用了地表袖閥管注漿、旋噴樁加固后，局部結(jié)合洞內(nèi)外加固補強措施，隧道開挖后揭示：閥管加固區(qū)漿液填充效果明顯，圍巖穩(wěn)定，無掉塊滲水；旋噴樁樁體可見，完整性較好，隧道開挖輪廓線內(nèi)樁體可見，對隧道內(nèi)圍巖加固起到了良好效果。

(1)分析法。通過對施工過程中分注漿段記錄各時間段對應的注漿壓力(0～3 MPa)、注漿速度(20～30 L·min-1)等數(shù)據(jù)的分析，注漿效果滿足要求(圖7)。

圖7 注漿P-Q、P-T曲線

(2)檢查孔取芯法。取芯數(shù)量為注漿孔數(shù)的2%且不少于3個；取芯率大于70%，平均取芯率大于85%。通過取芯驗證本試驗段注漿滿足要求(圖8)。

圖8 芯樣

(3)隧道變形分析。針對茵香河淺埋段的風險特點，為確保施工安全，按照3次·d-1的監(jiān)控量測頻率對洞內(nèi)及地表進行了監(jiān)控量測。監(jiān)測結(jié)果如下：斷面距離為2.5～5.0 m，拱頂累計下沉量為6.4～39.9 mm，水平收斂累計值為0～19.82 mm，在可控范圍之內(nèi)；施工進度提升至35～40 m·月-1，是未采取措施前的2倍，結(jié)果表明安全開挖和快速施工的目的達到。

(4)出水量分析。利用超前水平鉆孔判斷掌子面前方水量情況，單孔出水量均小于2 L·m-1·min。

5 結(jié) 語

石鼓山隧道茵香河、張家溝淺埋段的順利通過，為軟弱圍巖隧道淺埋段安全快速施工總結(jié)出了有效的技術(shù)措施，積累了豐富的管理經(jīng)驗，為此類隧道的設(shè)計和施工提供了范例，主要結(jié)論如下。

(1)通過石鼓山隧道下穿茵香河淺埋段開挖后洞內(nèi)驗證，淺埋段地表加固采用袖閥管注漿及地表旋噴加固相結(jié)合的處理方案可行，注漿加固效果良好，可以達到止水防水，加固圍巖，提高自穩(wěn)能力的目的。

(2)施工過程中，“地表加固一段、評估一段、洞內(nèi)開挖一段、支護一段、總結(jié)一段”，監(jiān)控量測變形速率及累計變形值控制在正常范圍內(nèi)，無預警，確保安全順利地通過了茵香河淺埋河谷地段。

(3)施工過程中，通過采取快挖早封閉等措施，開挖完成至封閉2 h內(nèi)完成，隧底開挖至初支封閉8 h，15 d內(nèi)完成初支封閉成環(huán)。