干燥粉細砂隧道超前預加固方案優(yōu)化研究

張 亮

(中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隧道修建施工過程中難免遇到軟弱松散圍巖，隧道在此條件開挖過程中會對鄰近圍巖造成較大擾動、產(chǎn)生應力重分布，如果不及時在施工前對圍巖進行超前加固，施工過程中極易產(chǎn)生掌子面涌砂滑塌，造成拱頂沉降、拱腰收斂變形過大，給隧道施工及運營維護帶來很大困難。

關于隧道超前加固的研究，國內(nèi)外學者進行了大量的工作也取得了不錯的成果：王震等[1]以西安地鐵車站施工為背景，通過數(shù)值模擬方法結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測驗證了隧道大管棚超前加固在黃土地區(qū)施工的可行性；楊建周[2]以某松散堆積體隧道為例，在符合室內(nèi)試驗力學性能基礎上采用自行設計的漿液對隧道拱部120°范圍進行加固并對加固效果進行評價；李建軍[3]以萬榮隧道為例，利用數(shù)值模擬手段，分析水平旋噴樁超前加固對于砂石黃土隧道加固效果，結(jié)果表明水平旋噴樁加固效果明顯，對加固掌子面保持穩(wěn)定性有很不錯的效果。

上述研究對于隧道穿越不良地質(zhì)段的超前加固有一定借鑒意義，但現(xiàn)階段對于粉細砂地層隧道超前加固的研究還不是很多。本文以中蘭鐵路盤峴山隧道穿越干燥粉細砂地層為實例，采用數(shù)值模擬方法對隧道不同超前加固措施進行對比分析，并根據(jù)工程施工特點提出優(yōu)化方案，為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

新建中蘭鐵路盤峴山隧道位于蘭州市蘭州新區(qū)中川鎮(zhèn)境內(nèi)，隧址區(qū)地貌屬黃土梁區(qū)，期間分布較多谷溝，地形起伏較大。隧道全長2 829 m，為雙線隧道，其中DK236+633—DK236+706段地層巖性為第四系上更新統(tǒng)風積粉砂，呈稍濕、中密狀，呈松散結(jié)構，掌子面干燥，未見地下水，圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生流沙現(xiàn)象，為Ⅴ級圍巖；DK236+706—DK236+750段地層巖性為第四系上更新統(tǒng)風積粉砂和砂質(zhì)黃土，粉砂主要分布在上臺階以上部位，粉砂呈稍濕、中密狀，呈松散、松軟結(jié)構，圍巖自穩(wěn)性一般，掌子面干燥，未見地下水，為Ⅴ級圍巖。2019年9月24日隧道開挖至DK236+633，上臺階及拱頂位置為粉砂層，其余位置為砂質(zhì)黃土，洞內(nèi)溜砂嚴重，如圖1所示。通過DK236+633上臺階掌子面揭示及中下臺階粉砂層走向推測，粉砂層范圍進一步擴大至全斷面。后經(jīng)過詳細的地質(zhì)鉆探，最終確定對隧道施工影響的含砂地層終止里程為DK236+750。

圖1 DK236+633掌子面溜砂情況

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

整個計算模型在x(橫向)、y(縱向)、z(豎向)擬定的計算尺寸分別為100 m×40 m×100 m，模型上部采用自由邊界的地表面，其余各部位均采取法向約束，整體隧道計算模型及局部網(wǎng)格見圖2。圍巖、旋噴樁預支護拱棚和傾斜旋噴樁預加固，采用八節(jié)點六面體單元來模擬。

圖2 三臺階臨時仰拱法+豎撐法計算模型

2.2 計算參數(shù)

對模型計算參數(shù)賦值，將地層作為理想彈塑性摩爾-庫侖材料，初支與二襯等作為彈性材料考慮[4]。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告，結(jié)合《鐵路隧道設計規(guī)范》及室內(nèi)試驗相關標準確定圍巖物理、力學參數(shù)。依據(jù)文獻[5]中超前小導管注漿及深層咬合樁試驗并結(jié)合文中關于粉細砂層隧道施工過程數(shù)值模擬相關參數(shù)，本文采用的具體的地層和支護物理力學指標見表1。

表1 計算模型所采用的物理力學參數(shù)

根據(jù)施工現(xiàn)場具體情況，本文采用三臺階+臨時豎撐法施工，擬模擬兩種超前預加固支護方案，工況一為雙層大管棚+小導管注漿，工況二為旋噴樁。在此基礎上，再對三臺階法無臨時仰拱和有臨時仰拱兩種工況的隧道施工過程進行三維數(shù)值模擬分析。

2.3 超前加固方案對比分析

2.3.1 洞周位移

考慮到模型邊界約束對于數(shù)值計算的結(jié)果將產(chǎn)生一定影響，故為最大可能減少影響，數(shù)值計算中選取模型中間的斷面為數(shù)據(jù)分析斷面，不同工況下中間斷面周邊位移最終計算結(jié)果見表2。

表2 兩種工況下隧道周邊位移計算結(jié)果 mm

從以上隧道變形看，旋噴樁超前加固方案水平收斂和拱頂下沉值明顯比雙層大管棚+小導管注漿方案減小很多，隧道變形得到很好的控制。

2.3.2 初期支護應力

旋噴樁超前加固方案開挖完成后初期支護目標面處的最小主應力(壓應力)和最大主應力(拉應力)分布見圖3，雙層大管棚+小導管注漿超前加固方案圖略，兩種工況初期支護最大主應力見表3。

圖3 旋噴樁方案施工完成后初期支護的主應力(單位：Pa)

表3 初期支護最大主應力 MPa

由圖3、表3及計算結(jié)果可看出，雙層大管棚+小導管注漿方案和旋噴樁方案兩種方案的初期支護結(jié)構的壓應力和拉應力的分布規(guī)律基本上是相同的，兩側(cè)邊墻全部為壓應力，可以充分發(fā)揮混凝土抗壓強度高的優(yōu)點；初期支護的最大壓應力都發(fā)生在隧道兩側(cè)邊墻墻角部位，方案一和方案二的最大值分別達15.85 MPa和9.02 MPa，方案二比方案一的最大壓應力減小43.1%；兩種方案初期支護的最大拉應力都位于隧道拱頂內(nèi)側(cè)部位，方案一和方案二的最大值分別達1.55 MPa和1.01 MPa，方案二比方案一的最大拉應力減小34.8%，且雙層大管棚+小導管注漿方案的拉應力范圍比后者大。

綜合以上可得，雙層大管棚+小導管注漿方案周邊位移較大，且初期支護拉、壓應力均超過初支結(jié)構C25抗壓強度設計值11.9 MPa和抗拉強度設計值1.27 MPa，不滿足結(jié)構受力要求，故應采用旋噴樁超前加固方案。

2.4 臨時仰拱方案計算分析

2.4.1 洞周位移變化特征

為最大限度減少邊界約束對計算結(jié)果的影響，同樣選取中間斷面作為計算數(shù)據(jù)提取斷面，隧道進口工區(qū)上半斷面粉細砂層段無臨時仰拱三臺階法與有臨時仰拱三臺階法周邊位移變化與開挖步關系曲線見圖4；兩種工況中間斷面周邊位移最終監(jiān)測結(jié)果見表4。

圖4 三臺階法施工周邊位移變化與開挖步變化曲線

表4 有無仰拱隧道周邊位移計算結(jié)果 mm

從圖4和表4可以看出：

(1)采用三臺階法施工時，設置臨時仰拱和不設置臨時仰拱兩種工況下各觀察點處的周邊位移隨開挖步(或距上臺階開挖面的距離)變化規(guī)律是相似的。

(2)上臺階開挖面尚未到達目標斷面之前，隧道周邊的各處位移已經(jīng)發(fā)生，且開挖面越靠近目標斷面，位移變化的速率也越大；到達目標斷面時的位移變化速率達到最大值，隨著開挖面的離開，變形速率逐漸減小。

(3)各分部施工通過目標斷面開挖后約10 m(相當于0.7倍隧道開挖跨度)范圍內(nèi)的施工對相應的周邊位移影響都非常大，周邊位移變化較快。在開挖面離開目標斷面1.0倍隧道開挖跨度后，隧道周邊變形都很快趨于穩(wěn)定值。

(4)無臨時仰拱三臺階法和有臨時仰拱三臺階法最終拱頂下沉值分別為65.2 mm和60.8 mm；有仰拱條件下的拱頂沉降只比無仰拱條件下的拱頂沉降小了4.4 mm，減少6.7%，臨時仰拱對抑制拱頂沉降效果不明顯，主要原因是預留核心土使上臺階仰拱延遲施作，上臺階不能及時形成封閉結(jié)構。

(5)兩種工況下的水平收斂最大值出現(xiàn)在隧道跨度較大處(第二臺階測線)，無仰拱和有仰拱二者水平收斂值最大值分別達50.4 mm和32.7 mm，有仰拱條件下的水平收斂比無仰拱條件下的水平收斂減小了17.7 mm，減少35.1%，所以臨時仰拱對控制隧道水平收斂效果明顯。

(6)無臨時仰拱條件下的隧道拱頂預沉降值53.4 mm，有仰拱時隧道拱頂預沉降值為50.7 mm，分別占各自工況下隧道拱頂總沉降值的81.9%和83.4%，對于粉細砂地層，采用旋噴樁加固后，開挖到掌子面前預變形量很大，應注意旋噴樁預加固施工質(zhì)量。

從以上隧道變形結(jié)果分析可知：有臨時仰拱對控制水平收斂有一定效果，由于核心土的存在不能使臨時仰拱及時施作，導致其對控制拱頂預沉降的作用較?。辉谑┕み^程中，應注意旋噴樁預加固施工質(zhì)量。

2.4.2 初期支護應力分析

隧道開挖完成后，有無臨時仰拱方案目標面處初期支護最大壓應力和最大拉應力結(jié)果見表5。

表5 有無臨時仰拱方案初期支護最大主應力 MPa

由表5和計算結(jié)果可知，無臨時仰拱和有臨時仰拱兩種工況下，初期支護結(jié)構主應力的分布規(guī)律基本上是相同的，有臨時仰拱后控制了變形，但是有臨時仰拱工況的最大拉、壓應力反而都大于無臨時仰拱工況。兩種工況下，隧道兩側(cè)邊墻全部為壓應力，初期支護的最大壓應力都發(fā)生在隧道兩側(cè)邊墻墻角部位，可以充分發(fā)揮混凝土抗壓強度高的優(yōu)點；兩種方案初期支護的最大拉應力都位于隧道拱頂內(nèi)側(cè)部位。

綜合以上可得，有臨時仰拱方案對于控制水平收斂非常有利，為了確保粉細砂地層隧道的安全施工，采用旋噴樁超前加固方案基礎上應采用三臺階臨時仰拱法施工。

3 施工控制關鍵技術

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，應在隧道拱部150°范圍內(nèi)設計水平旋噴樁，并在水平旋噴樁中心插入?89 mm的鋼管，增強水平旋噴樁的抗折性和抗彎性。在150°范圍下方土體沙化程度較高，為保證正常進行仰供施工，同樣需要進行超前支護。鑒于外插角使得水平旋噴樁利用率較低，計劃在150°線下方兩側(cè)分別施工1排斜向旋噴樁(如圖5所示)。

圖5 旋噴樁設計(單位：mm)

采用水平定向鉆機打設水平孔，鉆進至設計深度后，撥出鉆桿，同時通過水平鉆機、鉆桿、噴嘴以大于35 MPa的壓力把配制好的漿液噴射到土體內(nèi),借助流體的沖擊力切削土層，使噴流射程內(nèi)土體遭受破壞；與此同時鉆桿一面以一定的速度(20 r/min)旋轉(zhuǎn)、一面低速(15～30 cm/min)徐徐外拔，使土體與水泥漿充分攪拌混合，膠結(jié)硬化后形成直徑比較均勻、具有一定強度(0.5～8.0 MPa)的樁體，從而使地層得到加固；當旋噴樁相互咬接后,便以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體。水平旋噴樁具有梁效應和土體改良加強效應，能夠起到防流沙、抗滑移、防滲透的作用，保證隧道掘進安全。

水平旋噴樁不僅具有梁效應、拱效應和土體改良加強效應，保證隧道掘進安全，同時水平旋噴樁在旋噴過程中，水泥漿液能沿著地層的縫隙滲透擴散，尤其在涌水量較大的地層中，水泥漿液擴散填充縫隙后起到止水的效果[6-7]。

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取洞內(nèi)溜砂較為嚴重的K236+633斷面拱頂沉降與水平收斂為研究對象，拱頂監(jiān)測設置3個監(jiān)測點，水平收斂監(jiān)測分別在各臺階處設置一個監(jiān)測點，最終監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

圖6 拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果

圖7 水平收斂監(jiān)測結(jié)果

對比表4以及圖6與圖7可以看出：現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果整體差別不大，且兩者所反映趨勢基本相同；無論是拱頂沉降還是水平收斂，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果均要略小于數(shù)值分析結(jié)果。最終監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)表明，隧道開挖前期，無論拱頂沉降還是水平收斂均較小，當隧道開挖至前方掌子面附近，位移增加迅速，后期位移逐漸趨于平穩(wěn)。整體結(jié)果表明數(shù)值分析結(jié)論較為可靠，具有一定參考性。

5 結(jié)論

(1)干燥粉細砂隧道在采用三臺階+臨時豎撐法施工時，采用旋噴樁超前加固方案時，各臺階水平收斂和拱頂下沉值明顯比雙層大管棚+小導管注漿方案減小很多，隧道變形得到很好的控制。

(2)雙層大管棚+小導管注漿方案雖然與旋噴樁方案的初期支護結(jié)構的壓應力和拉應力的分布規(guī)律基本上是相同的，但是其所受壓應力、拉應力更大且超出C25混凝土軸心抗拉和抗壓強度，故應采用旋噴樁超前加固措施。

(3)采用旋噴樁加固方案，分析有無臨時仰拱對于變形的控制效果，結(jié)果表明有臨時仰拱對控制水平收斂有一定效果；由于核心土的存在不能使臨時仰拱及時施作，導致其對控制拱頂預沉降的作用較小。

(4)無臨時仰拱和有臨時仰拱兩種工況下，有臨時仰拱時，其最大拉、壓應力反而都大于無臨時仰拱工況，但是考慮到臨時仰拱對于控制變形有不錯的效果，因此本工程施工建議在旋噴樁超前加固方案基礎上采用三臺階臨時仰拱法施工。