淺埋砂層隧道施工關鍵技術

馮曉東

1 工程概況

1.1 工程地質

干慶隧道地處山西聞喜縣境內，設計為單洞雙線黃土隧道，總長 6 693m，是大西客運專線五條重點隧道之一，地形起伏較大，最大高差約為 261m。隧道通過區范圍內地層巖性變化大，地質情況較復雜，出口端表層為第四系上更新統坡、洪積)新黃土，細砂層，中間為第四系中更新統沖洪積)老黃土，細砂、粉砂層，下伏上第三系新統(N2)粉質粘土，粉砂、細砂。隧道洞身穿越部分多夾有細砂層，細圓礫土，層間結合差，開挖后易發生剝落而產生坍塌。

1.2 水文地質

隧道區有少量第三系孔隙水，雨季施工富水量可能增大，易匯聚不同巖層分界面處，在隧道中應引起重視。

2 淺埋砂層隧道穩定性特征

由于隧道開挖擾動的影響，圍巖中的原始應力平衡狀態被破壞，應力產生重分布，巖體的受力狀態改變，致使巖體的強度降低，承載能力下降。當二次應力值大于巖體強度時，巖體發生塑性變形，形成圍巖松動圈，隧道發生內空收斂變形。淺埋砂層隧道，由于上覆地層較薄，開挖引起的變形極容易誘發地表下沉和圍巖大變形。又由于砂層的物理力學性質較差，開挖后圍巖自身難以形成支撐環來維持洞室穩定，若施工方法和支護加固措施選取不合理，易造成隧道圍巖變形過大，引起圍巖坍塌破壞，甚至冒頂。

3 砂層地質中初期支護施工方法

3.1 超前支護

3.1.1 水平旋噴樁超前預支護

水平旋噴樁是通過水平鉆機鉆桿、噴嘴把配制好的漿液噴射到土體內，高壓噴射流以巨大的能量將土體射穿，并在做緩慢旋轉和進退的同時切割土體，強制土顆粒與漿液攪拌混合，混合漿液凝固后，便形成水泥土柱狀固結體，即水平旋噴樁。旋噴形成樁土體相互咬接以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴樁帷幕體，可起到防流沙、抗滑移、防滲透的作用。

由于注入水泥漿在粉細砂層中擴散效果不佳，呈線性分布，不能對砂層起到固結作用，與常規的大管棚超前預支護技術相比，水平旋噴樁技術在防流沙方面具有更高的安全性，施工進度好，成本較低等優勢。

本工程設計水平旋噴樁沿隧道斷面外側，設置在隧道上半斷面(砂層中)，每500mm(樁心距)均勻布置一個樁徑為600mm的旋噴樁，咬合厚度10 cm，由于鉆桿剛度不夠，如果樁長度太長，樁的底部在鉆桿的自重作用下會逐漸向下方偏移，最終侵入開挖輪廓線內而失去作用，故施工中設計樁長12m，縱向搭接長度2m，近水平方向布設，形成圓拱。

旋噴技術參數:旋噴注漿壓力20MPa～25 MPa，后退速度20 cm/min～25 cm/m in，旋轉速度20 r/min～25 r/m in;噴嘴個數及直徑:雙噴嘴，2.5mm～2.8mm。水泥采用P.O42.5R普硅水泥，按水灰比W∶C=1∶1配合比配制、拌和。

3.1.2 超前小導管

從開挖后暴露出來的情況看，水平旋噴樁樁體質量均勻、穩定，加固效果可靠。在充分利用水平旋噴樁剛度和強度的前提下，發揮超前小導管的靈活性，將兩者較好的結合，施工中超前小導管由原設計 120°范圍調整至 180°，每 3榀施作一環改為每榀一打，長度為2 m/根～3m/根，局部環向間距加密，調整為 10 cm/根～20 cm/根。

3.2 開挖方法

由設計的三臺階臨時仰拱法改進為短臺階預留核心土弧形開挖法，上臺階長度不超過 4m，中部臺階分為中上、中下兩個臺階，兩個臺階長度均為1.8m，下臺階長度不超過3m，仰拱距離掌子面不超過 16m，臺階連接處安設Ⅰ20b臨時橫撐，必要時增加豎撐。并且在開挖過程中短區段人工開挖，減少對圍巖的擾動，盡量縮短圍巖的暴露長度，開挖與噴射混凝土交叉作業，有漏砂處及時插入木板并噴射混凝土封閉，確保砂子不漏不掉，避免致密砂層擾動后形成松散壓力。

3.3 初期支護

洞身設計圍巖級別為黃土 Vb，支護參數為:全斷面設置Ⅰ25a工字鋼鋼架，間距0.6m/榀，噴射C25混凝土35 cm，拱墻設置φ8鋼筋網，網格20 cm×20 cm，臺階連接處由原設計的 4根鎖腳錨管加強至 6根，長度 4m，并且在上、中臺階拱腳也用槽鋼支墊，施工過程中進行倒用，通過這些措施有效地減少鋼架下沉。

根據現場施工信息反饋，砂層地段不能采用設計的濕噴工藝，原因:1)濕噴準備工作時間較長，由于砂層自穩能力差，不能及時封閉開挖面;2)濕噴混凝土初凝時間較長，不能及時起到支護的效果;3)濕噴的風壓較干噴略高，對砂層擾動更大。由于濕噴在砂層段施工中具有明顯的不足之處，故將原設計濕噴工藝調整為干噴。

3.4 步距控制

根據砂層段變形釋放快，易失穩的特點，在鐵道部 120號文的基礎上，施工過程中以仰拱距掌子面距離不超過 16m，襯砌距掌子面距離不大于 35m的強制性規定來指導施工，這一強有力措施很大程度保證了施工安全。

3.5 初支背后回填注漿

由于混凝土的自重及噴射混凝土密實度等的影響，初支背后與土體之間不可避免的會出現空隙。為了有效減小由于空隙引起的地面沉降，在施工時預先埋設φ42mm注漿鋼管，鋼管長100 cm左右，埋入砂層50 cm，外露15 cm，梅花形布置在拱頂及兩側拱腳位置，每 3m～5m設置1道。待仰拱成環10m左右后，便開始進行背后回填注漿。注漿液采用水泥—水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.2MPa～0.4MPa，采用間歇注漿的方式進行，注漿與靜壓交替進行，保證回填密實。

3.6 監控量測

隧道開挖后，圍巖向坑道方向的位移是圍巖動態的顯著表現，最能反映出圍巖或支護的穩定性，淺埋砂層隧道開挖后，一般會有明顯的下沉，因此地表的觀察和地表的沉降顯得尤為重要。淺埋砂層隧道監控量測項目包括洞內外觀察，地表沉降和洞內監控量測。有條件時可進行初期支護應力檢測。

3.6.1 地表變形監測

結合現場實際地形情況，在地表沿隧道線路方向布置觀測點，縱向每5m布置一個斷面(與洞內測點相對應，便于對監測數據進行分析)，每個斷面布設 5個 ～7個觀測點，以線路中心為對稱點。量測頻率為每天一次。地表觀測點應在開挖之前開始觀測，這樣可以獲得開挖全過程的沉降值。

3.6.2 洞內凈空位移監測

采用全站儀無尺量測方法，對拱頂下沉和水平收斂進行量測，洞內按照 5m的間距設置量測斷面，量測頻率為每天兩次。主要檢測隧道拱頂下沉、拱腰、邊墻處的收斂變形。隧道內測點布置見圖 1。在拱頂處布置下沉測點，在拱腰設置水平收斂的上部測點，監控上臺階開挖后變形規律;邊墻處設置水平收斂的中部測點，監控中臺階開挖變形收斂;下臺階拱腳處(高于填充頂面)布置下部測點，監控下臺階開挖變形收斂。測點均采用深入初期支護背后砂土內，外露10 cm左右，焊接小塊鋼板，鋼板上粘貼帶十字絲測量反光片，每組收斂點均位于同一里程同一水平線上。拱頂下沉應緊貼掌子面，其讀數應在開挖后 3h～6 h內完成。

3.6.3 量測結果分析

改進施工方法后，洞內DK 592+550～DK 592+500共測設10個斷面，累計拱頂沉降最大值為46mm，最小值為15mm，平均值為21mm;水平收斂累計最大值為35mm，最小值為9mm，變形在可控范圍內，穩定性較好，證明該施工方案是可行的。

4 結語

1)經過施工實踐和不斷探索，總結出淺埋大斷面砂層隧道施工關鍵技術:a.水平旋噴樁超前預支護結合密排超前小導管;b.短臺階施工，嚴格控制臺階長度，分區段人工開挖，及時支護;c.臨時支撐控制圍巖變形;d.初期支護背后注漿回填;e.仰拱、襯砌緊跟。2)砂層含水量決定砂層的自穩性，因此含水量的監測是不可少的一道工序，如果粉砂干燥可能發生突然涌砂，可封閉掌子面后適量注改性水玻璃或水，增加砂層穩定性。3)淺埋砂層隧道具有變形釋放快，而且變形累計達到一定數值后，松散壓力達到初期支護的極限狀態會發生突變，因此監控量測數據分析顯得尤為重要，變形速率連續 3 d達到 5mm以上，或者累計值達到100mm，必須停止掘進，采取加固措施，跟進仰拱、襯砌。

[1] 韓 莉.水平旋噴攪拌樁在超淺埋含水砂層超淺埋地鐵隧道中的應用[J].廣東土木與建筑，2004(8):6-7.

[2] 林群義.地鐵區間隧道過砂層段施工技術措施[J].科技創新導報，2008(9):57-58.

[3] 李迎春.富水砂層大跨度平頂淺埋暗挖隧道施工技術[J].國防交通工程與技術，2007(4):61-63.

[4] 黃德華.粉砂地層小間距淺埋暗挖隧道穿越鐵路施工技術[J].隧道建設，2004，24(1):40-43.

[5] 楊 建.關角隧道進口段淺埋砂層隧道穩定性特征研究[J].西部交通科技，2010(32):87-91.