大斷面黃土隧道近接下穿古長城遺址設(shè)計方案論證

趙新瑞

(青海省交通建設(shè)管理有限公司 西寧 810003)

引言

近年來，隨著西部大開發(fā)、京津冀一體化等國家戰(zhàn)略的逐步實施，在青海省、北京及河北等地區(qū)，交通隧道近接下穿古長城的情形日益增多，下穿隧道施工建設(shè)過程中，必然會影響到臨近建筑物，如何在隧道施工中科學地保護古長城已逐漸成為古長城沿線地區(qū)工程建設(shè)亟待解決的共性、熱點技術(shù)難題。

有關(guān)隧道施工沉降變形控制問題，很多學者開展了大量的研究，取得了一些好的經(jīng)驗和成果。張承客等[1]數(shù)值模擬了盾構(gòu)法施工對西安鐘樓古建筑的影響，并分析確定地層沉降控制的標準。任建喜等[2]依托西安地鐵下穿南門城墻工程，模擬預(yù)測了隧道施工引起的古城墻變形規(guī)律。秦東平[3]通過對地鐵下穿或臨近既有建筑物工程案例進行分析，得出隧道施工引起的地層差異沉降對既有建筑物的受力和變形影響及其抵抗差異變形的能力。楊強義等[4]依托南京地鐵9號線下穿南京城墻工程，分別從景觀環(huán)境、施工振動以及沉降變形等方面分析隧道施工對城墻的影響，提出了一套適用于隧道施工對文物建筑影響的有效評估方法。吳高偉等[5]通過數(shù)值模擬分析，得出采用水平旋噴樁超前加固措施可有效控制濕陷性黃土隧道拱頂沉降。于忠波等[6]研究了水平旋噴樁在軟巖富水隧道中的應(yīng)用，并提出了優(yōu)化改進措施。

基于以上文獻的研究成果，隧道施工將對其下穿的古城墻造成不利影響，為了將影響降至最低，保證隧道施工期間古城墻的安全，必須采取有效的加固措施。本文以國道227線老城關(guān)經(jīng)西寧至上新莊段公路尕溝隧道下穿明長城為背景，通過多方案比選及現(xiàn)場實測資料，展開大斷面公路隧道近接下穿古長城設(shè)計方案論證比選研究。

1 工程概況

尕溝隧道是國道227線老城關(guān)經(jīng)西寧至上新莊段公路重點工程，位于青海省大通回族土族自治縣境內(nèi)。隧址區(qū)地處青藏高原東北部與黃土高原的銜接地帶，為低山丘陵區(qū)。本項目隧道下穿明長城大通段，在平面上與明長城大通段沒有交叉點。按分離式隧道建設(shè)，左線全長774m，右線全長814m。隧址區(qū)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積，第四系上更新統(tǒng)，第四系中更新統(tǒng)沖洪積，新近系等。巖性以黃土、全風化砂巖和卵石夾層為主，圍巖級別均為V級。單洞開挖跨度達到16.6m，屬大跨度隧道。隧道在K16+350下穿明長城遺址，下穿遺址處左線埋深為58.3m，右線埋深為65.3m。根據(jù)文物保護要求，以墻體外緣為基線向兩側(cè)各擴展 50m為文物保護范圍，以保護范圍外緣為基線向兩側(cè)各擴展 500m為建設(shè)控制地帶。根據(jù)國家文物局批復(fù)要求“應(yīng)加強預(yù)支護措施，確保工程建設(shè)實現(xiàn)明長城遺址零沉降”。

根據(jù)隧道開挖情況，在左幅ZK16+396處、右幅K16+370處拱頂部分發(fā)現(xiàn)卵石夾層，厚度3-8m，富水嚴重。卵石層最大粒徑約13-15cm，膠結(jié)性較差，富水性較強，透水能力大，開挖時有掉塊現(xiàn)象；隧道拱頂上部有潛水層發(fā)育，受季節(jié)性降雨影響較大，施工時可能有滲水現(xiàn)象甚至局部可能有股狀水流滲出。開挖控制不當，易造成地表下沉，更有甚者出現(xiàn)冒頂風險，影響明長城的安全。

圖1 隧道拱頂塌落卵礫石

圖2 隧道內(nèi)涌水

2 下穿明長城遺址段設(shè)計方案論證

經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)隧道在軟弱地層下穿明長城等既有構(gòu)筑物，主要采用水平旋噴樁、洞內(nèi)帷幕注漿、管幕、雙層超前大管棚等方案[9-10]。結(jié)合本項目地層軟弱且存在地下水的實際情況，重點對水平旋噴樁、洞內(nèi)帷幕注漿、超前大管棚等三種超前支護方案進行比選、論證。

2.1 水平旋噴樁超前預(yù)支護方案

水平旋噴超前預(yù)支護方案是利用高壓旋噴技術(shù)在隧道掌子面前方開挖輪廓線以外形成拱形外殼(咬合旋噴樁)的結(jié)構(gòu)方案，以保證隧道開挖、施工安全的一種超前預(yù)加固方法[7][8]。即在隧道掌子面先行利用鉆機鑿孔，然后把帶有噴頭的灌注管推至預(yù)定位置后，利用高壓設(shè)備將漿液以特定高壓射流從噴嘴中射出，沖擊破壞土體，同時注漿管以一定的速度向外旋轉(zhuǎn)抽出，將漿液和土粒強制攪拌混合，漿液凝固后，在土體中形成一個凝結(jié)體即為旋噴樁。通過連續(xù)施作并保證旋噴樁之間一定的咬合寬度，共同形成拱形外殼。

高壓水平旋噴支護適用于淺埋隧道和靠近建筑物的隧道，在防止隧道變形和地表下沉、確保大斷面隧道開挖的地層穩(wěn)定方面效果較好。高壓水平旋噴支護主要適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、黃土、砂土、碎石土等地層。

(2)本項目擬定的水平旋噴樁超前預(yù)支護方案及參數(shù)

結(jié)合目前隧道出口端掌子面施工情況，同時考慮預(yù)加固實施段落在滿足國家文物局對明長城遺址保護范圍區(qū)段的基礎(chǔ)上向兩側(cè)各外擴10m。具體支護方案如下：

①水平旋噴樁采用φ600mm樁，環(huán)相間距400mm，外插角為5°～7°，咬合寬度100～200mm，每循環(huán)施工長度為18m，前后搭接段長度3m，有效長度15m，每循環(huán)共設(shè)置63根旋噴樁。每循環(huán)鉆孔長度21m，臨近孔口3m不進行旋噴注漿，以減少后期破除樁體工作量。

②水平旋噴樁和初期支護之間設(shè)置超前小導管加固。小導管單根長度為3.8m，縱向搭接長度1.29m，環(huán)向間距40cm，拱部約120°范圍布置，每環(huán)布設(shè)43根，外插角5°～7°，注漿材料采用普通水泥液漿,液漿水灰比：W∶C=0.8～1∶1。

③為防止下臺階開挖時上部水平旋噴樁形成的加固體發(fā)生較大沉降，在拱腰位置施作斜向旋噴樁，樁徑φ600mm，樁長5m，縱向間距2m，隨隧道開挖縱向設(shè)置。斜向旋噴樁需穿過水平旋噴樁并與其有效銜接。

④為提高水平旋噴樁樁體抗剪強度，拱腰部120°范圍水平旋噴樁樁體內(nèi)插入φ89×6mm鋼管進行加固，鋼管環(huán)向間距800mm，鋼管長度18m，每循環(huán)共計設(shè)置23根。每根斜向旋噴樁樁體內(nèi)均設(shè)置φ89×6mm鋼管，長度為5m。

夏國忠趴在戰(zhàn)壕邊，盯著山坡上躬腰撅臀向上爬的鬼子，在心里默默地計算著距離。五百米，三百米，兩百米，一百米?！按??！彪S著一聲吼叫，夏國忠手里的沖鋒槍一陣掃射，沖在最前面的幾個鬼子應(yīng)聲倒了下去。

圖3 旋噴樁超前預(yù)加固橫斷圖

⑤高壓旋噴咬合樁采用水泥單液漿，漿液配比為W∶C=0.8∶1～1∶1。針對含水量大的地層、砂卵石地層等，水泥漿漿液配比可適當調(diào)整，必要時可摻加一定量的速凝劑、早強劑或使用水泥-水玻璃雙液漿，具體施工方案結(jié)合現(xiàn)場試驗情況，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理四方共同確認后方能實施，工程量以監(jiān)理方根據(jù)現(xiàn)場實施情況確認為準。

⑥旋噴樁鉆具旋轉(zhuǎn)速度12～20r/min，鉆桿回撤速度15～25cm/min，進鉆壓力為3～5Mpa，退鉆壓力控制在35～40MPa；旋噴作業(yè)建議采用雙管旋噴，噴漿時采用特制噴漿鉆頭控制返漿量及拱部沉降。

⑦當掌子面前方出現(xiàn)含水量大地層、砂卵石地層等導致掌子面不能自穩(wěn)的情況下，先行噴射20cm厚的C25混凝土封閉掌子面，在掌子面上半斷面布設(shè)超前水平旋噴樁，每循環(huán)樁長12m，前后搭接段長度2m，有效長度10m，間距1.5m×1.5m，呈梅花形布置，每循環(huán)共計24根。

⑧施工工法采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。

圖4 水平旋噴樁預(yù)加固縱斷面圖

2.2 帷幕注漿方案

(1)作用原理及適用條件

超前帷幕注漿是為減少或隔斷地下水滲流途徑，減少施工中突水、涌水的危險，保證施工掘進安全，對影響區(qū)范圍采取全斷面或局部深孔預(yù)注漿，填補巖土體中的裂縫或孔隙，旨在改善注漿對象的物理力學性質(zhì)，在開挖區(qū)域周邊形成隔水帷幕，以防止地下水滲流給隧道施工帶來較大風險。

超前帷幕注漿主要適用于以下情況：涌水、涌泥或塌方嚴重地段；因地下水位的變化造成地層變形，可能會影響到周邊重要構(gòu)筑物安全的地段；地下水十分豐富的斷層破碎帶，且洞身周圍地下水補給充足地段。

(2)本項目初步擬定的帷幕注漿支護方案及參數(shù)

結(jié)合本項目實際情況，擬采用周邊帷幕注漿的預(yù)加固方案；在隧道上半斷面(180度范圍)進行帷幕注漿，每循環(huán)注漿段長25m(含止?jié){墻)，開挖20m，預(yù)留5m作為下循環(huán)止?jié){盤。每循環(huán)共設(shè)15個注漿孔，開孔孔徑125mm，鉆孔孔徑90mm，注漿孔環(huán)向間距為1.5m，擴散半徑2.0m，終孔間距不超過3.0m。止?jié){墻厚度2m，基礎(chǔ)埋設(shè)深度1m，止?jié){墻前方采用拱部徑向注漿加固。注漿材料為普通水泥—水玻璃雙液漿,雙液漿配比：W∶C=0.8～1∶1，C∶S=1∶1。由外向內(nèi)、由下到上、間隔跳孔注漿施工作業(yè)。

2.3 超前大管棚方案

(1)作用原理及適用條件

超前大管棚是將大直徑鋼花管安插在已鉆好的超前鉆孔中，在隧道開挖輪廓線外形成鋼管支護棚架的一種超前支護方式。利用鋼花管的強度支撐和加固自穩(wěn)能力極低的圍巖，以防止軟弱圍巖的下沉、松弛、坍塌等。

管棚支護能力強大，但是施工技術(shù)相對復(fù)雜，造價較高，一般僅在隧道地質(zhì)條件較差的洞口段及坍塌后可能產(chǎn)生嚴重后果的洞身地段采用，如含水土質(zhì)地層、寬大破碎帶及地面有重要建筑物的淺埋地段等。當?shù)刭|(zhì)條件較差需設(shè)置多排長管棚時，一般需在洞內(nèi)設(shè)置管棚工作室，對洞室進行適當?shù)臄U大。

(2)本項目初步擬定的超前大管棚支護方案及參數(shù)

超前管棚采用雙層Φ108mm×6mm無縫鋼管，鋼管長度為12m，每循環(huán)搭接3m，拱部180°范圍布設(shè)，共布設(shè)123根。鋼管管口段50cm范圍內(nèi)不開孔，其余部分按15cm間距交錯設(shè)置注漿孔，孔徑10mm，注漿壓力0.5～2.5Mpa，注漿采用普通水泥-水玻璃雙液漿，雙液漿配比：W∶C=0.8～1∶1，C∶S=1∶1。

圖5 帷幕注漿方案斷面

圖6 超前大管棚方案斷面

2.4 方案比選

表1 尕溝隧道下穿明長城遺址段方案對比表

綜上對比和分析，水平旋噴樁方案雖工程造價相對較高，但具有沉降控制效果好、施工質(zhì)量可控性高、施工進度較快等顯著優(yōu)點，結(jié)合文物保護相關(guān)要求，為了確保工程施工安全，確保預(yù)加固效果，盡可能實現(xiàn)零沉降，尕溝隧道下穿明長城段采用水平旋噴樁超前支護方案。

3 施工效果分析

經(jīng)施工驗證，水平旋噴樁預(yù)支護可有效控制隧道洞內(nèi)變形，且止水效果良好。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，隧道下穿明長城段施工期間：

(1)洞內(nèi)拱頂沉降、周邊收斂均小于50mm，遠小于設(shè)計預(yù)留變形量100mm。

(2)明長城本體量測最大沉降值為1.4mm，且下穿過程中及下穿后至今明長城表面及周邊地表未出現(xiàn)任何裂縫等失穩(wěn)現(xiàn)象，滿足文物部門及評估報告“明長城遺址沉降在2.0mm以內(nèi)”的“零沉降”規(guī)定。

圖7 水平旋噴樁鉆孔作業(yè)及成樁檢測

4 總結(jié)

本文針對大跨黃土隧道下穿古長城的特殊情況，采用水平旋噴樁高壓漿液噴射流強制切割土體解決普通壓密注漿在致密黃土、砂巖地層注漿效果不良的問題，在掌子面前方形成牢固棚護結(jié)構(gòu)，有效阻斷洞內(nèi)向地表的傳遞變形；通過每級臺階增設(shè)鎖腳錨桿，拱腰位置施作斜向旋噴樁，水平旋噴樁樁體內(nèi)插入鋼管進行加固等優(yōu)化措施確保了洞內(nèi)變形的穩(wěn)定；加強明長城本體監(jiān)測密切跟蹤遺址穩(wěn)定狀態(tài)，最終實現(xiàn)了隧道施工過程中及下穿后明長城始終處于穩(wěn)定狀態(tài)的技術(shù)目標，很好的保護了明長城的歷史風貌，為今后大跨黃土隧道下穿古長城設(shè)計提供了借鑒。