超淺埋濕陷性黃土隧道變形控制與地基加固施工技術

彭小兵

超淺埋濕陷性黃土隧道變形控制與地基加固施工技術

彭小兵

摘 要：結合寶蘭客運專線五星坪隧道出口暗挖段施工，在超淺埋、回填土、濕陷性砂質黃土地層中，暗挖隧底需水泥土擠密樁加固處理，通過雙層超長管棚預支護，改進三臺階七步開挖支護工法，在隧底仰拱初期支護內預留擠密樁施工孔位，采用履帶式螺旋鉆取代電動洛陽鏟取土、夯擊成樁設備相對大型化等措施，有效控制隧道施工變形，做到安全、快速和優質施工，為類似工程實施提供借鑒。

關鍵詞：超淺埋；濕陷性黃土；隧道；變形控制；地基加固

0 引言

隨著鄭西、石太、大西客運專線等一批高標準、高速度鐵路項目建成投產，黃土隧道的施工方法逐步轉化成以三臺階七步開挖法和CRD法為主，并在此基礎上形成三臺階臨時仰拱法和三臺階臨時橫撐法等改進型施工工法。

高鐵隧道內由于鋪設無砟軌道，要求線路有高度的平順性，基底工后沉降不大于15mm，不同結構物間的差異沉降不大于5mm，只有采取嚴格、有效的基底加固處理，消除隧底黃土濕陷性，提高基底承載能力，才能滿足設計標準。在淺埋濕陷性黃土隧道需進行地基加固處理區段，大多使用CRD工法開挖，采用電動洛陽鏟取孔、夯錘分層夯擊水泥土分層回填成樁的排土擠密樁工藝完成隧底加固處理，因其施工進度慢、隧道施工與基底處理相互干擾、安全風險突出，類似淺埋濕陷性黃土隧道基底加固處理效果較差，實現設計意圖困難。結合寶蘭客運專線五星坪隧道出口暗洞基底處理的施工經驗，就超淺埋濕陷性黃土隧道變形控制和基底加固處理進行分析。

1 工程概況

五星坪隧道出口位于蘭州市七里河區五星坪后街，隧道洞口段100m，埋深2．4～11．3m，洞頂為素填土、雜填土層，厚12～15m；其下15～20m為濕陷性砂質黃土，濕陷系數δs為0．015°～0．07°，具有Ⅳ級（很嚴重）自重濕陷性；地基承載力140～220kPa，土體含水率為9%～15%。因征遷困難，設計明洞方案調整為暗洞延長76m的超淺埋暗挖進洞方案，洞口段設雙層、100m長、φ108mm大管棚超前支護。暗洞進洞136m的地基加固采用水泥土擠密樁。

五星坪隧道出口施工具有以下特點：（1）隧道地質條件差，洞口段為超淺埋地層，洞身以素填土為主，地基承載力較低，受地表經濟作物耕種影響，洞內土體含水率偏高，局部呈潮濕狀；監測拱頂下沉值30～50cm，收斂2～5cm（擴大）。因此，施工中控制支護結構變形，避免因支護結構變形嚴重產生隧道坍塌，為本隧道施工的重難點。（2）隧底采用水泥土擠密樁消除地基土的濕陷性，水泥土擠密樁成樁原理為：通過夯擊擠密消除黃土的大孔隙進而消除濕陷性，并對地基起一定的加筋作用；夯擊產生的振動對周邊初期支護影響較大，處理不慎則有可能破壞初期支護，導致隧道出現塌方變形等安全風險。此外，傳統擠密樁鉆孔取土工藝需用洛陽鏟較多，占用洞內作業空間面積較大，對隧道掌子面施工進度存在明顯干擾，洞內擠密樁施工安全風險控制和工效提升，為本隧道施工的另一重難點。

2 控制變形施工方法的選擇

在超淺埋濕陷性黃土隧道施工中，一般的施工方法有雙側壁導坑法、CRD工法等。這些傳統的施工方法在控制隧道變形方面具有較好的效果，但也有一定的局限性，因隧道支護增加內支撐后，限制了大型施工機械的使用，使各分部開挖面循環銜接性差，施工工效低，拆除內支撐時存在一定的安全隱患。

本洞采取三臺階七步開挖法改進型工法，其核心是以開挖弧形導坑為基本模式，分上、中、下三臺階七個開挖面，各部位的開挖支護沿隧道縱向錯開、平行推進。針對黃土隧道各道施工工序引起的變形規律，采取針對性控制變形措施，對淺埋黃土隧道施工過程中可能產生塌方編制應對措施。

2.1 上臺階弧形導坑開挖時變形控制措施

針對黃土隧道上臺階弧形導坑開挖時，隧道拱頂沉降變形速率最大，在上臺階保留5～7d，期間拱頂沉降變形量約占累計變形1/4～4/5的規律特點，將拱腳支承厚度由0．35m擴大至0．8～1．2m，對基底土體進行夯實并加墊鋼板或預制件，以擴大受力面積，減緩拱頂下沉。

當上臺階拱頂下沉值超預留變形量1/3（15cm）時，在上臺階間隔設置臨時橫撐，橫撐端部與初期支護鋼拱架之間螺栓連接，形成上臺階鋼拱架支撐封閉結構。當拱頂下沉值超預留變形量1/2（22cm）時，在臨時橫撐內噴射20cm厚噴射混凝土，形成上臺階臨時仰拱，調整后續工序施工，采用單一工序組織作業。

2.2 中、下臺階開挖時變形控制措施

為遏制初期支護變形，將拱腳處及邊墻腳的鎖腳錨桿數量由原設計4m/根調整為6m/根，并將原設計每處2根調整至每處6根，將原采用的L型鋼筋連接調整為鋼板連接。

當中臺階施工期間，拱頂下沉速率連續超標或拱部初期支護可見環向裂縫時，加設中臺階臨時仰拱，調整下臺及隧底等后續工序施工。

2.3 隧底開挖時變形控制措施

隧底每循環開挖1．2～1．8m，隧底初期支護作業面距上臺階掌子面距離15～20m，掌子面開挖至仰拱初期支護成環時間控制在12d內。

2.4 隧道防止塌方措施

采用風循環導向跟管鉆進法打入雙層大管棚，管棚內注漿壓力控制在2MPa。在上臺階兩側拱腳以上0．5～2．0m范圍沿相鄰兩榀支撐鋼拱架間各焊接四道Ⅰ16a，拱部設置雙層鋼筋網片。在上臺設置臨時橫撐或臨時仰拱，在中臺及下臺設置雙側各設6根鎖腳錨管加固，必要時設中臺階臨時仰拱。縮短每次隧底開挖長度，及時施做隧底初期支護，使初期支護結構及早封閉成環。嚴格控制掌子面至二次襯砌成環距離控制在55m內。

3 洞內擠密樁施工

本工程濕陷性黃土隧道基底擠密樁加固處理的基本方法：先利用螺旋鉆快速排土成孔，再采用沖錘沖擊擴大成孔，然后分層填入水泥土沖擊成樁。通過成孔和樁體夯實過程中的橫向擠壓作用，使得樁間土擠密，從而形成復合地基。

3.1 設計指標暗洞進洞136m及洞門14m地基范圍采用樁徑0．4m、樁長9m、樁間距0．60m×0．75m（縱向×橫向）水泥土擠密樁。復合地基處理指標：樁間土消除濕陷性，濕陷性系數不大于0．015；樁間土平均壓實系數不小于0．93，最小擠密系數不小于0．88。

3.2 擠密樁人員施工設備配置

人員設備配置情況見表1。

3.3 施工工藝

隧底初期支護封閉成環5～7d，混凝土達到一定強度，隧道拱頂下沉基本穩定，隧底初期支護成型6～10m后，分段組織施工基底擠密樁。每段半幅長度3．6m，約60根。根據基礎平面布置圖及樁位圖，通過坐標確定出每根樁點位，成孔順序采用隔孔跳打，先完成半幅內橫向1．5m、縱向1．2m間距內約30根樁，后采用2臺沖錘集中夯擊回填水泥土成樁。完成后再組織實施本段半幅內剩余樁基。

（1）鉆孔：采用小型360°旋轉履帶打樁機鉆孔，該鉆機采用6．0m長螺旋式鉆頭，鉆徑0．35m，樁位確定后，安裝定位護筒，之后調試鉆機位置，鉆桿沿導軌方向（豎直向下）旋轉鉆進，鉆至6．0m深后，人工配合抽出鉆桿定位銷，頂部定位裝置連同鉆機實心鉆桿上升5．0m，再人工配合打入鉆桿定位銷，將空心鉆桿和實心鉆桿接長成一整體，后繼續旋轉鉆頭取土開挖至設計深度，單樁成孔時間約20min。

（2）夯填：先使用打樁機沖錘夯擊12～15次，以回音清脆為宜，之后分層夯填1∶10水泥土，回填土松鋪厚度80cm，夯擊8～10次，壓實厚度30cm且錘擊回音清脆為宜，夯錘落距大于2．0m，單孔夯填成孔需30min。為防止夯擊過程震動過大，造成隧道初期支護破壞，施工期間采用爆破振動測速儀對作業面附近初期支護進行監測，實測數值基本在5cm/s以內，當振動速度超過10cm/s，初期支護變形速率超標或呈現明顯變形加速及初期支護面裂縫明顯增大時，暫停施工或調整工藝參數。

（3）檢測：通過取2～8m深度范圍樁身土、樁間土以及成樁后樁間土的濕陷性試驗，樁間土干容重增加，孔隙比減小，濕陷性已基本消除；樁身土的壓實系數為0．98～1．01，樁間土的壓實系數為0．94～0．96，符合規范規定要求。水泥土擠密樁成型后經檢測樁徑51～53cm，樁體擠壓后樁徑為最初值的1．3倍。

表1 人員設備配置

4 實施效果

本工程首先采用電動洛陽鏟進行樁位取孔，共計投入5臺電動洛陽鏟，由于洞內作業面空間狹小，不能全時占用洞內空間作業，洞內進行作業的僅3臺，每日成樁約40根，僅能處理1．2m地基，且處理地基期間掌子面基本處于停工狀態，導致平均進度0．6m/d，工效極低。后改用小型360°旋轉履帶打樁機進行樁位取孔，每天作業20h，成孔55～60個，平均進度1．8m/d，且單臺履帶式打樁機占用洞內空間不大，樁基處理可以與掌子面開挖支護作業同步實施，平均進度可達1．5～1．8m/d。

5 結論

對大斷面超淺埋黃土隧道施工引起的變形特征，采取針對性處理措施，以初期支護結構及早封閉成環為核心，同時注意提高上臺及中臺階基底支承面積及承載能力，充分發掘好鎖腳錨管抵抗初期支護結構整體下沉的能力，并根據監控數據拱頂下沉值變化情況設置臨時橫撐或仰拱，采用雙層大管棚超前支護、增加兩榀拱架間的環向連接剛度、拱部設置雙層鋼筋網片，等支護預加強措施，采用三臺階七步開挖改進型工法施工是可行的。

提出隧底每次開挖、支護長度宜控制在1．2～1．8m，在相鄰兩環隧底支撐工字鋼之間預埋樁徑40cmPVC管作為后期擠密樁施工樁位，每段隧底初期支護完成后拔除PVC管，并將該段該段回填土至填充面，待對應初期支護監測變形穩定后再進行基底樁基處理。該方法使初期支護結構能夠盡早分段封閉，并為履帶式打樁機等相對大型設備進洞施工提供了可能。

本洞地基擠密樁施工采取電動洛陽鏟和打樁機旋挖鉆兩種排土取孔方式，成孔孔徑基本為0．4m，成樁直徑0．50～0．52m，唯一不同在于電動洛陽鏟每次落下時沖擊擠密井壁，而旋挖成孔則利用土體的自穩性。但采用履帶式打樁機施工后，擠密樁排土取孔施工過程與隧道開挖支護工序可調整為同步作業，僅在集中夯填孔內水泥土階段，為防止出現安全事故，仰拱初期支護面至上臺階掌子面暫停作業，施工工效大大提高。

彭小兵：中國中鐵四局集團有限公司第七工程公司，高級工程師，安徽 合肥，230022

責任編輯 苑曉蒙

中圖分類號：U455

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2015）05-0034-03