隧道快速穿越深厚含礫黏土地層施工技術

韓利儒

(中鐵十四局集團第五工程有限公司,山東 濟寧 272100)

1 概述

新建貴南高鐵線路地處云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡上，地勢西北高、東南低，屬侵蝕—溶蝕作用形成的低山峰叢洼地、丘陵地貌。多條隧道工程通過灰?guī)r夾硅質巖(P1m)、灰?guī)r(P1q)為主的可溶巖地層，巖溶中等～強烈發(fā)育；其中德慶隧道、新屯一號隧道部分段落位于土層中，主要為含礫黏土(高液限、弱膨脹)和含黏土礫砂土地層，圍巖穩(wěn)定性差，且因基底土石界面存在土洞及淺部基巖巖溶強烈發(fā)育，在地下水作用下可能導致基底產(chǎn)生不均勻沉降。因此，施工期突水、突泥、深厚土層工后沉降與施工期間塌方風險防范、運營期的結構安全的重要難題。

2 主要技術難點

隧道穿越深厚含礫黏土(砂礫土)層時，含礫不均勻，圍巖自穩(wěn)性差，極易坍塌，雨季施工巖溶裂隙水增加，施工風險增大。在采用鉆爆法施工主要工法有雙側壁導坑法、三臺階加臨時仰拱法等，采用雙側導洞法施工時，大斷面隧道轉化為小斷面掘進，安全系數(shù)較高，但施工工序復雜，施工組織干擾大，進度緩慢；采用三臺階加臨時仰拱法施工時，直接大斷面掘進，又存在為了配合機械化施工，導致上臺階過長、開挖高度過高，施工中變形隱患增多，但從隧道工裝機械化發(fā)展趨勢來看，三臺階加臨時仰拱法更有優(yōu)勢。

3 “三臺階+臨時仰拱+筏板基礎”施工技術

施工工序斷面圖見圖1，主要支護參數(shù)見表1。

表1 主要支護參數(shù)表

3.1 開挖工法參數(shù)設定

三臺階開挖工法，臺階高度和長度的確定應綜合考慮結構受力、施工安全、初支及早封閉、空間滿足現(xiàn)場施工組織的要求等因素。結合理論分析，并考慮現(xiàn)場鋼拱架單元劃分、機械化工裝施工作業(yè)等因素，開挖參數(shù)如下：上臺階高度5.6 m，中臺階高度4.4 m，下臺階高度4.2 m。

深厚含礫黏土(砂礫土)層圍巖自穩(wěn)性較差，為確保開挖及樁筏基礎施工過程的安全，應盡可能早地封閉初支，初支封閉距掌子面按35 m控制，每循環(huán)開挖進尺應結合鋼架間距進行確定并不大于1.5 m。

3.2 超前支護參數(shù)設定

深厚含礫黏土(砂礫土)層圍巖自穩(wěn)性差，施工中容易發(fā)生溜坍，僅采用超前小導管難以通過注漿使圍巖條件得以改善并達到自穩(wěn)的要求，特別是在圍巖含水量得到降雨補給或是圍巖礫砂含量較高的情況下，掌子面極易失穩(wěn)溜坍。采用的超前中管棚加大外插腳小導管注漿的超前支護措施能取得較好的效果，有效保證開挖的安全。具體參數(shù)如下：1)φ76超前中管棚：φ76管棚設置于隧道拱部范圍內(nèi)，單根鋼花管棚長9 m，每環(huán)50根，環(huán)向間距40 cm，外插角10°～15°，管棚搭接長度不小于3 m。注漿材料采用純水泥漿，水灰比0.5∶1～0.8∶1，注漿壓力2 MPa。2)φ42超前小導管：φ42小導管設置于隧道拱部范圍內(nèi)，外插角3°～5°，單根長度4.5 m，環(huán)向間距40 cm，縱向間距1.2 m，每循環(huán)50根。注漿材料采用純水泥漿，水灰比0.5∶1～0.8∶1，注漿壓力0.5 MPa～1 MPa。

3.3 初期支護鋼拱架參數(shù)設定

通過單雙層初支結構的受力計算分析和從現(xiàn)場監(jiān)控量測的結果分析，初支收斂變形較小，而沉降變形較大，拱墻范圍設置雙層鋼架，參數(shù)如下：第一層為HW200型鋼鋼架，縱向間距0.6 m/榀，并噴射30 cm厚混凝土；第二層鋼架為Ⅰ22a鋼架，縱向間距0.6 m/榀，并噴射28 cm厚混凝土。按最不利荷載工況，采用荷載結構法對初期支護結構進行內(nèi)力分析，并將鋼架按等效剛度的原則進行折算，見表2，表3。

表2 單層初期支護截面強度校核表

表3 雙層初期支護截面強度校核表

從校核結果分析，無論是單層鋼架支護還是雙層鋼架支護，均可滿足截面受力要求，安全系數(shù)均大于1。但雙層鋼架相較于單層鋼架，其安全系數(shù)有明顯提升。從變形結果來看，雙層鋼架支護的結構水平收斂值較小，僅為2 mm左右，而整體沉降值較大，拱頂最大沉降15.8 mm，從變形上分析，與現(xiàn)場實測情況基本一致。從變形規(guī)律、時程分析，沉降變形主要產(chǎn)生于各臺階轉換時的工序銜接上，初期支護整體穩(wěn)定。

3.4 預留變形量

從現(xiàn)場監(jiān)控量測的結果分析，初支水平收斂基本在3 cm～5 cm，變形較小，但沉降變形較大，最大達到了27 cm，施工過程中應遵循強初支以及早控制圍巖變形為主的原則，不允許圍巖出現(xiàn)較大變形。經(jīng)過初期支護結構受力檢算，其強度和剛度能夠達到設計要求，因此，后續(xù)段落預留變形量仍維持原30 cm的方案，同時加強初支鋼架的鎖腳措施以控制鋼架整體沉降。

3.5 臨時支護

本工法中的臨時支護措施包含臨時仰拱及掌子面的臨時封閉。臨時仰拱包括中臺階臨時仰拱和下臺階臨時仰拱，其參數(shù)如下：中臺階臨時仰拱采用Ⅰ22a工字鋼并噴射28 cm厚混凝土，鋼架間距同拱墻初支鋼架間距；下臺階臨時仰拱采用Ⅰ22a工字鋼并噴射50 cm厚混凝土施作可保證初支整體成環(huán)，同時保證樁基施工過程中初期支護的穩(wěn)定性，為避免后續(xù)樁基施工時對臨時仰拱鋼架的拆除，下臺階鋼架間距應預留樁基施作空間并噴射50 cm厚混凝土，同時在各臺階兩側腳部及拱頂設置7處縱向拉通焊接槽鋼，加強鋼架整體連接。同時每循環(huán)應噴射混凝土封閉掌子面，對洞口淺埋段上中臺階均噴射15 cm厚混凝土。

3.6 筏板基礎施工技術

Ⅴc型復合(樁筏基礎)襯砌類型，其關鍵施工工序為：開挖(含預加固)及支護、地質補勘、樁基施工、筏板施工、二襯施工五大工序。

樁筏基礎參數(shù)應綜合考慮結構受力、現(xiàn)場施工條件及經(jīng)濟合理三個方面進行確定，結構受力包含筏板承載力、樁基承載力、基巖承載力三個方面；現(xiàn)場施工條件滿足機械設備洞內(nèi)作業(yè)空間，樁徑和樁距布置應便于組織施工，筏板的尺寸應與襯砌臺車尺寸相匹配，便于一次性澆筑成型。

筏板尺寸為13.7 m×12 m×2.5 m(橫×縱×厚)，旋挖鉆機洞內(nèi)施工需要9 m高度的作業(yè)空間，橫斷面邊樁應在隧道中線兩側6 m范圍內(nèi)。1.25 m樁徑基礎布置方案(橫向2 m+4 m×2+2 m，縱向1.6 m+3.5 m×3+1.6 m)。

樁筏基礎受力檢算：檢算基于以下幾個前提：樁筏基礎均為線彈性體，各類荷載均勻作用在筏板上，樁周土對樁基不提供約束，樁筏基礎無水平荷載，樁基為軸心受壓。

樁筏基礎段基底為松散的含礫黏土，不考慮樁周土對樁的作用，將樁基視為端承樁，樁筏基礎承擔隧道結構自重、列車荷載及圍巖豎向壓力。其中，結構自重及列車荷載均為定值，圍巖豎向壓力隨埋深增大而增大，參考塌落拱理論，圍巖豎向壓力最大值為深埋工況取33 m土柱高度。對于端承樁而言，在承擔一定荷載的基礎上，樁基長度越長，結構越不利，取最長樁基長度40 m進行計算。由此可知，樁筏基礎的最不利工況組合為樁長40 m，圍巖壓力33 m土柱高度。

襯砌結構自重：18.18×26=472.68 kN/m。

筏板自重：13.7×2.5×26=890.5 kN/m。

樁身自重：3.14×1.25×1.25/4×40×26=1 275.63 kN/根。

列車荷載：20×15=300 kN/m。

圍巖壓力：33×20×15=9 900 kN/m。

采用ANSYS有限元計算軟件建立樁閥基礎結構有限元模型，經(jīng)計算分析得到結構變形及內(nèi)力如圖2所示。

內(nèi)力結果為：樁身最大軸力為14 500 kN，筏板橫向最大彎矩1 990 kN·m，筏板縱向最大彎矩858 kN·m。

單樁承載力：參考TB 10093—2017鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范式6.2.2—4，嵌入基巖的鉆孔樁按基巖承載力確定的單樁軸向容許承載力為：

[P]=R(C1A+C2Uh)=30×103×(0.3×3.14×1.25×1.25/4+0.02×3.14×1.25×2)=15 749 kN。

參考JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范，按樁身材料強度確定的單樁容許承載力為：

Q≤ΨcfcA=0.9×23.4×103×3.14×1.25×1.25/4=25 831 kN。

則單樁容許承載力取15 749 kN，因此：

P=14 500 kN<15 749 kN，滿足要求。

筏板抗彎強度：筏板按雙向受彎的板進行配筋，根據(jù)筏板內(nèi)力，計算得筏板配筋沿線路方向為25@100，垂直于線路方向為25@100。

4 淺埋段地表注漿施工技術

注漿區(qū)域加固范圍為豎向洞頂以上8 m至底板處；橫向加固范圍為開挖輪廓線外5 m。注漿孔平面按間距1.5 m×1.5 m等邊三角形布置。

采用袖閥管后退式分段多次注漿，袖閥管采用外徑為76 mm，壁厚3.5 mm的鋼管加工制作，每節(jié)長度4 m～6 m，管節(jié)間連接采用直徑89 mm鋼管插管滿焊連接，外插管接頭長度50 cm。袖閥管段設置直徑8 mm溢漿孔，每斷面均勻布置3個溢漿孔，溢漿孔斷面間距為75 cm，底端10 cm加工成尖錐狀利于下入，在不注漿段管體與孔壁間設置套殼料，施作時在不加固段末端以上30 cm范圍纏繞麻絲柱塞，然后下管到位后灌注套殼料。套殼料用膨潤性粘土和水泥漿液攪拌而成。具體注漿參數(shù)預設計如表4所示。

表4 注漿加固參數(shù)表

加固完成14 d后，要求在不同位置(具有代表性處)鉆孔取芯試驗，至少做3組以上試驗，每組試驗不少于3個孔。加固后土體的力學參數(shù)應達到：變形模量不小于1.5 GPa；內(nèi)摩擦角不小于40°；粘聚力大于0.2 MPa，泊松比不大于0.35，后續(xù)應根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗情況及注漿效果，由地質專業(yè)開展土工試驗，確定最終力學參數(shù)。注漿加固達到要求以后方可進行暗洞施工。

5 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測工作是隧道穩(wěn)定性判斷的重要依據(jù)，主要技術手段有：1)拱頂下沉監(jiān)測、水平收斂監(jiān)測、斷面凈空收斂監(jiān)測，依此判斷隧道圍巖的變形趨勢，為合理預留變形量提供數(shù)據(jù)支持和二次襯砌提供合理的支護時機；2)圍巖壓力應變量測、鋼架內(nèi)力應變量測、噴射混凝土內(nèi)力應變量測，獲取圍巖施加于支護背后的壓力水平、鋼架和噴射混凝土受力情況，推斷初期支護安全性，確保施工安全。

6 結論

通過對本線多條同類型隧道的試驗段統(tǒng)一布置、數(shù)據(jù)共享，以及在淺埋段地表袖閥管注漿施工技術、“三臺階+臨時仰拱+筏板基礎”施工技術等關鍵技術研究優(yōu)化，主要得出結論如下：1)在隧道穿越深厚含礫黏土(砂礫土)層時，施工風險較大，施工工序銜接、施工組織優(yōu)化起到重要作用，三臺階加臨時仰拱法較雙側壁導坑法，施工工序簡單易實施、機械化配置程度高，實現(xiàn)施工過程“快挖、快支、快封閉”的原則,從而實現(xiàn)安全開挖,快速通過的處理方案，成本控制、掘進速度、安全性均有較大優(yōu)勢。2)多重手段的隧道監(jiān)控量測是本施工技術的參數(shù)設定的重要數(shù)據(jù)支撐，是保障人員安全、施工安全的重要前提。3)筏板基礎關鍵技術研究是穿越深厚含礫黏土(砂礫土)層隧道的重要組成部分，是保證高速鐵路后期運營安全性的技術核心。該技術將鉆孔灌注樁作為基礎極大的降低了道床對隧道基床承載力的影響，對類似工程具有一定的參考價值和借鑒意義。