富水砂卵石層明挖隧道基礎處理方案研究

翟 可

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

對富水砂卵石地層，工程界常認為砂卵石顆粒間為點對點接觸和傳力，地層承載力高，地層失水或小顆粒損失不會對地基產生很大影響，該地層作為工程地基使用時不需進行地基處理。近年來隨著涉及該地層的大量工程建設，對該地層的認識在不斷深化，如廣泛分布富水砂卵石地層的成都地鐵，在區間隧道施工完成較長時間后，會產生滯后沉降、地面塌陷問題，此現象引起工程界對該地層的重視和深入研究。白永學等［1］結合成都地鐵施工后地表塌陷問題，認為砂卵石地層顆粒間在外界因素干擾下，顆粒間毛細力和黏聚力破壞，地層可產生顆粒流動現象;羅松［2］、宋修元等［3］對成都地鐵砂卵石層產生的滯后沉降問題分析后認為，地下水提升、動荷載影響、顆粒損失是產生滯后沉降的4個階段之一，由此可見，對存在外界環境干擾(如地下動水、動荷載等)的富水砂卵石地基應進行地基加固處理。

鐵路隧道工程極少處于長距離的河床富水砂卵石地層中，對該地基處理缺少研究和成熟的工程經驗，本文借鑒成都地鐵隧道建設對該地層總結出的地層特性，以山西某鐵路隧道穿越的露水河河床為例，對隧道基礎處于含地下動水的砂卵石地基處理進行方案比選，并結合工后沉降計算分析及現場量測數據，提出具體的工程處理意見。

1 工程概況

山西某鐵路為以重載煤運為主，列車軸重為30 t的Ⅰ級干線電氣化鐵路;該線太行山隧道全長18 125 m，為2個單洞單線隧道，左右線間距30 m，設計時速120 km/h。

太行山隧道洞身局部穿越國家級風景保護區，按照環評報告要求，隧道在DK590+355～+700段需下穿345 m寬的露水河床(如圖1所示)。

圖1 露水河段平面圖Fig.1 Plan layout of tunnel crossing Lushui River

露水河受上游水庫蓄水影響，現狀河床表面常年干枯，但由于上游水庫庫底滲漏、降雨、灌溉及沿河居民生產生活用水的排入，勘察期間發現河床頂面下約24 m存在緩流的地下水，水位隨季節變化明顯，按照河床上下游高差推算地下水流水坡度約為3.8‰。

該淺埋段地層主要為第四系全新統沖積砂卵石及強-中風化的片麻巖;砂卵石層厚22～41 m，卵石成分為石英砂巖，σ0=500 kPa，質量比為61% ～78%，粒徑80～200 mm，圓礫含量約18%，填充物為中細砂，地層滲透系數約6×10-2cm/s，孔隙率32%;片麻巖強風化層厚度為5～10 m，σ0=800 kPa，孔隙率約12%。隧道洞身主要位于砂卵石地層，地下動水穩定水位在隧道基礎頂面上3 m左右。

根據隧道埋身及地質條件等因素綜合分析，本段隧道結構按照明洞結構設計，明挖法施工;基坑深23.6～25.2 m，三級放坡土釘支護，坡率1∶0.25～1∶1，基坑橫斷面設計見圖2。

圖2 明挖段基坑橫斷面圖Fig.2 Cross-section of foundation pit of open-cut tunnel section

2 基礎處理設計思路

依據勘察資料，卵石地層的基底承載力完全滿足隧道基礎承載力要求，但隧道基礎所處的河床卵石地層含有粉細砂顆粒，且隧道基礎位于地下水位線下，因河流上下游形成標高差，河床下卵石層中的地下水處于向下流動狀態，在隧道基礎持力卵石層中形成河底暗流，若該地下水量增大、流速增加或在長時間流水作用、重載列車動載等環境因素影響下，卵石層中細小顆粒會不斷損失，使隧道基礎下砂卵石地層產生蠕動變形，從而引起隧道整體下沉或水平移動，危及行車安全，故必須采取措施消除該影響。該地層處理的措施主要是注漿固結，使大、少顆粒粘結成整體，防止細小顆粒損失;但若采用注漿將隧道基礎下約10 m厚的卵石地層全部進行整體加固，則加固后的地層與隧道洞身一起將形成一道攔水壩，截斷地下水滲流途徑，在隧道結構外河床上游側匯集并形成高水位，使隧道結構產生偏壓，不利于隧道平面穩定和結構防水。經多方案論證，最終決定對地下水進行疏通，按照最不利工況進行隧道結構設計等的綜合處理方案，主要思路如下:

1)地下水流保通措施。根據現狀地下水位，在隧道基礎下設置專門過水通道或對隧道基礎地層進行抽條加固處理，加固段滿足固結地層細小顆粒的要求，不加固段滿足地下水通過需要。

2)依據最不利工況進行隧道結構設計。按照上游水庫潰壩工況，計算該處水頭高度，按照偏壓及水壓荷載進行隧道結構設計，并采取輔助隧道防水和穩固措施。

3 隧道基礎處理設計方案

3.1 隧道基礎地層整體加固+專用過水通道(方案1)

對隧道基礎下的卵石地層進行均勻整體注漿加固，使該層大小顆粒形成一體;在隧道結構與已加固地層間設置2 m厚的級配碎石夯實層作為專門過水通道，滿足地下水橫穿隧道下部需要，如圖3和圖4所示。隧道結構按照最不利工況荷載，采用1 m厚的P10、C35鋼筋防水混凝土襯砌結構，以滿足結構受力需要;為滿足防水需要該段隧道采用全包防水設計。

3.2 隧道基礎地層抽條加固方案(方案2)

將隧道基礎下的卵石地層進行抽條加固，注漿加固固結區寬3 m，非加固區寬2 m，間隔布置。固結區確保隧道基礎下地層穩定，非加固區為過水通道。隧道結構在設計時，考慮基礎的不均勻性，隧道底部結構設置縱向暗梁，以抵抗地基的不均勻變形要求;其他隧道結構及防水設計同方案1，如圖5所示。

圖3 方案1橫斷面圖Fig.3 Cross-section of No.1 consolidation method

圖4 方案1縱斷面圖Fig.4 Longitudinal profile of No.1 consolidation method

圖5 方案2橫斷面圖Fig.5 Cross-section of No.2 consolidation method

4 2種基礎處理方案工后沉降理論計算對比分析

4.1 方案1工后沉降計算

按照方案1基礎卵石層滿堂加固，過水通道采用級配碎石夯實層的處理措施，引起隧道基礎沉降的地層有2層:一是注漿加固后的砂卵石層，二是承擔過水作用的級配碎石層。根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》，該復合地基最終變形量

式中:s為復合地基最終變形量，mm;ψsp為復合地基沉降計算經驗系數;s'為復合地基的計算變形量，mm。

復合地基的計算變形量

式中:p0為基底附加壓力，考慮隧道結構自重、明洞上部回填土及列車荷載，取28 kPa;Esi為基底第i層土的壓縮模量，根據現場試驗，取級配碎石層壓縮模量9.5 MPa，注漿加固層壓縮模量35.5 MPa;zi為基底第i層土底面的距離，根據地質縱斷面，取z1=2 m，z2=6.8 m;αi為基底計算點至第i層土底面范圍內平均附加應力系數，根據文獻［4］取=0.247=0.208。

經計算得級配碎石層沉降5.8 mm，注漿加固后的卵石層沉降2.9 mm，2層總沉降8.7 mm。

復合地基沉降計算經驗系數ψsp根據變形計算深度范圍內壓縮模量的當量值Es取值0.31［4］。

該地基最終變形量

s=ψsps'=0.31×8.7=2.7 mm。

圖6 方案2縱斷面圖Fig.6 Longitudinal profile of No.2 consolidation method

4.2 方案2工后沉降計算

對卵石層采用抽條加固，抽條加固區段等效成樁基自身壓縮沉降進行計算。

樁在荷載作用下樁身壓縮沉降［5］

式中:h為樁長，取3.4 m;p0為樁頂荷載，取12 418 kN;A為樁身截面積，取26 m2;Ec為樁身混凝土彈性模量(加固體彈性模量)，取600 MPa;Qsk為單樁極限摩阻力標準值，取5 947 kN。

抽條加固區地基沉降量sc=1.9 mm。

4.3 計算結果與分析

由上述2方案工后沉降計算結果分析，可得出如下結論:

1)方案2工后沉降量約為方案1工后沉降量的70%。

2)方案1工后沉降值中，2 m厚級配碎石層(人工設置的過水通道)沉降值占該方案總沉降值的67%，為該方案地基主要變形層。

綜合分析方案2地基沉降量小于方案1，隧道地基處理按照方案2實施。

5 隧道地基沉降實測結果及分析

5.1 地基沉降量測結果

隧道基礎砂卵石地層采用抽條注漿加固施工后，對該段隧道基礎進行沉降量測，在不同里程設5個觀測點，在明洞上部回填后開始1次/周，連續3個月觀測，繪制出各點的沉降變化曲線，見圖7。

從圖7中可知，隧道基礎地層在前2個月處于沉降積累中，從第3個月開始基礎沉降趨于穩定，最大沉降量累計1.7 mm。

圖7 實測沉降曲線圖Fig.7 Curves of measured settlement

5.2 地基沉降結果判定結論

根據鐵建設［2006］158號《客運專線無碴軌道鋪設條件評估技術指南》［6］要求，隧道在鋪設無碴軌道前，應滿足以下條件:

1)對不少于3個月的沉降觀測作曲線回歸分析，曲線回歸的相關系數不應低于0.92。按照現場沉降觀測數值，作出曲線的回歸系數為0.96＞0.92，滿足要求。

2)沉降趨于穩定時，設計及實測沉降總量不大于5 mm。采用抽條加固計算地基總沉降量為1.9 mm，實測總沉降量為1.7 mm，均小于5 mm，滿足要求。

3)預測的隧道基礎工后沉降值不應大于15 mm。根據實測的沉降值，采用雙曲線法預測地基沉降值隨時間變化。取初期沉降S0=0，回歸系數a=42.454，b=0.324 9，曲線回歸的相關系數R2=0.930 6，如圖8所示。

預測的最終沉降值Sf=1/b=3.1 mm＜15 mm，滿足規范要求。

6 結論與體會

1)對存在地下動水、動荷載影響的富水砂卵石地基進行基礎處理時，需充分考慮地基處理方案對地下水流徑方向的影響，避免工程次生災害。

圖8 預測沉降雙曲線法回歸系數求解圖Fig.8 Settlement prediction by hyperbola regression method

2)富水砂卵石地基處理時，需首先選擇對地基自身地層進行加固處理，不建議在結構下部設置人工換填層，以利于控制地基總沉降量。

3)建議對富水砂卵石地層注漿方案進行進一步研究，深入掌握滲流、強透水、細顆粒砂卵石地層注漿參數，確保該地層注漿加固質量以滿足設計要求。

［1］ 白永學，漆泰岳，吳占瑞，等.砂卵石層盾構施工地層損失原因分析與施工對策［J］.現代隧道技術，2012，49(3):54-61.(BAI Yongxue，QI Taiyue，WU Zhanrui，et al.Analysis of and countermeasures to causes of ground loss induced by shield construction in sandy pebble stratum［J］.Municipal Engineering Technology，2012，49(3):54-61.(in Chinese))

［2］ 羅松，張浩然.成都富水砂卵石地層盾構施工滯后沉降防控措施探討［J］.隧道建設，2010，30(3):317-319.(LUO Song，ZHANG Haoran.Discussion on prevention and control of delayed settlement induced by shield tunneling in water-rich sandy cobble stratum in Chengdu［J］.Tunnel Construction，2010，30(3):317-319.(in Chinese))

［3］ 宋修元.富水砂卵石地層洞內深孔定點填充注漿加固技術淺析［J］. 現代隧道技術，2011，48(3):132-135.(SONG Xiuyuan.Analysis on deep hole grouting consolidation for tunnels in water-rich sandy gravel stratum［J］.Municipal Engineering Technology，2011，48(3):132-135.(in Chinese))

［4］ GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范［S］.北京:建筑工業出版社，2012.

［5］ 賴瓊華.樁基沉降實用計算方法［J］.巖土力學與工程學報，2004，23(6):1015-1019.(LAI Qionghua.Practical calculation procedure ofpile-foundation settlenent［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(6):1015-1019.(in Chinese))

［6］ 鐵建設［2006］158號 客運專線無碴軌道鋪設條件評估技術指南［S］.北京:中國鐵道工業出版社，2006.