全風化砂巖互層段水軟化后隧道施工方案探討

曾青

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院，天津 300251)

1 隧道概況

新建鐵路大同至西安客運專線干慶隧道設計為單洞雙線隧道，線間距為5 m。隧道進口里程改DK586+051，出口里程改DK592+744，全長6 693 m。共設三座斜井，1號，2號，3號斜井與正線相交里程分別為改 DK587+937.705、改DK589+400、改DK591+240，平距分別為548 m，872 m，460 m。

2 地質概況

2.1 地層巖性

洞身位置穿越地層為第三系粉質黏土夾砂巖，粉質黏土，褐紅色，堅硬～硬塑，巖芯呈土柱狀，土質較均勻，局部砂性較大;砂巖，褐黃色，膠結較差，全風化～強風化，巖芯呈碎塊夾砂狀，手捏易碎，地層軟硬不均，互層狀結構，不同地層結合差，頂板易脫落，圍巖易坍塌。

2.2 水文地質

全隧鉆探孔未見明顯地下水，且通過調查，隧道區(qū)各溝谷均干涸，沒有流水，附近村莊水井也是在各溝底打設，水位均位于溝底以下50 m～90 m不等。但是考慮到第三系地層含水情況的不均勻性，洞身位置會含第三系孔隙潛水、上層滯水，雨季時水量會增大。

施工到雨季期間，由于受地表積水影響，部分洞頂圍巖發(fā)生軟化。隧道開挖后，洞內(nèi)壓力會減小，加之施工擾動影響，松動圈不斷擴大，存在土體裂隙貫通，地下水下滲，惡化圍巖穩(wěn)定的風險。

3 現(xiàn)場施工情況

現(xiàn)場的施工進度情況：掌子面里程DK586+985，中導里程DK586+979.4，下導里程DK586+975.4，仰拱里程DK586+962.2，二次襯砌里程DK586+949.6。現(xiàn)場遇到此種地層時，加之受到洞內(nèi)地下水和地表水下滲雙重作用，圍巖自穩(wěn)能力極差，施工風險很大，支護發(fā)生了較大變形。

4 處理方案研究

結合隧道所處地質、地形、開挖斷面情況，現(xiàn)場研究了如下四種方案，通過方案比較確定合理方案。

4.1 方案一：洞內(nèi)深孔注漿預加固方案

隧道上半斷面采用超前預注漿，對開挖面及輪廓外5 m范圍內(nèi)土體進行加固，以確保施工安全。超前預注漿孔環(huán)徑向間距200 cm×200 cm。注漿采用φ90 mm分段前進式注漿，前進式注漿分段長度一般為15 m左右，施工中可根據(jù)現(xiàn)場注漿情況作適當調整。

注漿材料選用水泥漿及水泥水玻璃漿，注漿壓力0.5 MPa～ 1.0 MPa，施工中根據(jù)現(xiàn)場試驗調整合適的注漿壓力、注漿填充率等注漿參數(shù)。為確保施工安全，注漿結束后必須進行鉆孔檢查，檢查孔數(shù)量應達到總注漿孔數(shù)的10%以上，并滿足規(guī)范要求。漿液必須凝結達到設計強度(無側限抗壓極限強度不小于1.5 MPa)，并取樣驗證確認后，方可進行下一步工作。

注漿完畢后拱部140°范圍采用密排小導管加固，小導管加長到6 m，搭接長度3 m，環(huán)向間距30 cm。超前半斷面預注漿縱斷面示意圖及開孔布置示意圖見圖1，圖2。

圖1 超前半斷面預注漿縱斷面示意圖

圖2 超前半斷面預注漿開孔布置示意圖

4.2 方案二：洞內(nèi)超前水平旋噴樁預加固方案

1)對隧道拱部180°范圍采用超前預加固樁對周圍土體進行加固，超前預加固樁長度為15 m，樁徑600 mm，樁間距為400 mm，設計外插角度暫定為3%～5%，每循環(huán)搭接3 m;成樁體達到的抗壓強度5.0 MPa～8.0 MPa;為提高水平旋噴樁抗剪強度，采用拱部120°水平旋噴樁內(nèi)插φ89鋼管進行預加固，φ89鋼管環(huán)向間距80 cm。

2)掌子面為確保穩(wěn)定需設置超前預加固樁進行加固，掌子面超前預加固樁按水平方向打設，長度為12 m;一般按隧道斷面等腰三角形布置，間距2 m×2 m。

3)擴大拱腳和加強鎖腳錨管。為保證隧道初期支護受力穩(wěn)定，在拱部120°設置大拱腳，大拱腳處設置厚度為80 cm。

4)為防止預加固樁在施工中咬合不好的問題，施工中根據(jù)現(xiàn)場情況必要時可在樁間加設小導管注漿堵漏加強。

5)按照 先周邊 后掌子面 順序進行加固施工 周邊按照每次間隔1個，孔位從下到上或左、右交替進行(跳躍式成樁，兩邊強度平衡，可以減少因鉆桿偏移造成樁間咬合率低的問題)。洞內(nèi)超前水平旋噴樁預加固橫斷面布置圖見圖3。

圖3 洞內(nèi)超前水平旋噴樁預加固橫斷面布置示意圖

4.3 方案三：地表垂直旋噴樁預加固方案

1)本方案是在通過從地表垂直打入旋噴樁以實現(xiàn)加固開挖隧道周邊圍巖的目的，為防止旋噴打設過深而增加施工難度和咬合度效果不好，對于隧道覆蓋層頂部土體進行開挖清除后再進行地表旋噴施工，原則上從地表施工旋噴樁鉆孔不大于40 m，清除地表土方后覆蓋層約26 m。

2)地表土方清除需做好臨時防護，措施如下：臨時邊坡坡率1∶1，臨時邊坡進行臨時防護，臨時防護采用錨噴支護，噴C25混凝土10 cm，砂漿錨桿長度2.5 m，間距2 m×2 m，鋼筋網(wǎng)為φ8，網(wǎng)格尺寸25 cm×25 cm。

3)垂直旋噴樁加固范圍為隧道外輪廓3 m范圍，結構外緣3 m范圍內(nèi)為旋噴加固區(qū)域，3 m以外為空鉆區(qū)域，中間如遇砂層透鏡體，需進行旋噴護壁;為防止施工時隧道兩側砂層滑落，分別在兩側各設置3排旋噴樁加固地層，深度在隧道邊墻處。

4)旋噴樁樁徑為80 cm，樁間距為60 cm。

4.4 方案四：降排水+超前大管棚加固方案

1)降排水措施。

a.排水孔。隧道通過采用超前探孔引排水(利用89導管)，超前探孔采用φ90鉆孔，長度為15 m，上臺階左右側各設置1個，中臺階設置3個，為防止砂層中的細顆粒流失，小導管上的引排孔不宜過大，在引排過程中小導管端部可設置一層過濾網(wǎng)，可根據(jù)現(xiàn)場試驗確定空隙大小。

b.降水井。每隔20 m在下臺階處設置一個降水井，井底應位于仰拱底1 m以下。降水井濾管直徑可采用38 mm～100 mm的金屬管，管壁上滲水孔直徑為12 mm，呈梅花形排列，孔隙率應大于15%。濾管壁外應設兩層過濾網(wǎng)。過濾網(wǎng)上孔徑大小避免流沙現(xiàn)象發(fā)生。井點管的設置可采用鉆孔法，井孔直徑不宜大于300 mm，孔深比濾管底深0.5 m～1.0 m。在井管與孔壁間及時用潔凈中粗砂填灌密實均勻。井點系統(tǒng)安裝完畢后，需進行試抽，保證無漏水、漏氣現(xiàn)象。井點廢除后，立即回填井點，妥善封孔。

2)對隧道拱部180°范圍采用φ108超前大管棚，超前大管棚長度為15 m，環(huán)向間距30 cm，縱向搭接長度3 m，管棚回填水泥砂漿增加剛度。

3)對隧道拱部180°范圍大管棚之間設置φ42 mm超前小導管，小導管長4.0 m，t=3.5 mm，環(huán)向間距30 cm;超前小導管配合鋼架使用，每1.8 m(3榀)施作一環(huán)，其縱向搭接長度不小于1.0 m。降排水方案縱斷面示意圖見圖4。

5 方案比較

對以上各方案進行優(yōu)缺點分析，并進行投資比較，方案比較如表 所示

圖4 降排水方案縱斷面示意圖

表1 方案比較表

6 推薦意見及結論

6.1 推薦意見

地表旋噴加固方案由于地表旋噴深度較大，施工需進行地表清方，對地方干擾、環(huán)境破壞大，地表邊坡開挖高度過大，存在較大的安全隱患，另由于深度較大，垂直旋噴的垂直偏差較難控制，會造成咬合效果不好，同時施工費用大。

洞內(nèi)超前水平旋噴樁方案存在施工進度慢，施工費用高的缺點。

洞內(nèi)深孔注漿預加固方案存在洞內(nèi)施工難度較大、注漿效果較難保證、投資費用較高的缺點。

洞內(nèi)超前降排水+超前大管棚加固方案施工難度相對較小、施工進度快且投資少，對地方干擾、環(huán)境破壞小，但洞內(nèi)降水方案對洞內(nèi)施工干擾較大。

經(jīng)綜合比較，現(xiàn)場決定采用洞內(nèi)超前注漿+管棚的方案，即將方案一和方案四結合施工。

6.2 結論

現(xiàn)場根據(jù)推薦方案進行施工，隧道涌砂涌泥情況得到了很好的控制，隧道變形較小，監(jiān)測量測數(shù)據(jù)正常，確保了隧道施工安全，隧道按期貫通得到了保障。

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