干燥粉細(xì)砂隧道超前預(yù)加固方案優(yōu)化研究

張 亮

(中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隧道修建施工過(guò)程中難免遇到軟弱松散圍巖，隧道在此條件開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)對(duì)鄰近圍巖造成較大擾動(dòng)、產(chǎn)生應(yīng)力重分布，如果不及時(shí)在施工前對(duì)圍巖進(jìn)行超前加固，施工過(guò)程中極易產(chǎn)生掌子面涌砂滑塌，造成拱頂沉降、拱腰收斂變形過(guò)大，給隧道施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)很大困難。

關(guān)于隧道超前加固的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的工作也取得了不錯(cuò)的成果：王震等[1]以西安地鐵車站施工為背景，通過(guò)數(shù)值模擬方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了隧道大管棚超前加固在黃土地區(qū)施工的可行性；楊建周[2]以某松散堆積體隧道為例，在符合室內(nèi)試驗(yàn)力學(xué)性能基礎(chǔ)上采用自行設(shè)計(jì)的漿液對(duì)隧道拱部120°范圍進(jìn)行加固并對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；李建軍[3]以萬(wàn)榮隧道為例，利用數(shù)值模擬手段，分析水平旋噴樁超前加固對(duì)于砂石黃土隧道加固效果，結(jié)果表明水平旋噴樁加固效果明顯，對(duì)加固掌子面保持穩(wěn)定性有很不錯(cuò)的效果。

上述研究對(duì)于隧道穿越不良地質(zhì)段的超前加固有一定借鑒意義，但現(xiàn)階段對(duì)于粉細(xì)砂地層隧道超前加固的研究還不是很多。本文以中蘭鐵路盤(pán)峴山隧道穿越干燥粉細(xì)砂地層為實(shí)例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)隧道不同超前加固措施進(jìn)行對(duì)比分析，并根據(jù)工程施工特點(diǎn)提出優(yōu)化方案，為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況

新建中蘭鐵路盤(pán)峴山隧道位于蘭州市蘭州新區(qū)中川鎮(zhèn)境內(nèi)，隧址區(qū)地貌屬黃土梁區(qū)，期間分布較多谷溝，地形起伏較大。隧道全長(zhǎng)2 829 m，為雙線隧道，其中DK236+633—DK236+706段地層巖性為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積粉砂，呈稍濕、中密狀，呈松散結(jié)構(gòu)，掌子面干燥，未見(jiàn)地下水，圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生流沙現(xiàn)象，為Ⅴ級(jí)圍巖；DK236+706—DK236+750段地層巖性為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積粉砂和砂質(zhì)黃土，粉砂主要分布在上臺(tái)階以上部位，粉砂呈稍濕、中密狀，呈松散、松軟結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)性一般，掌子面干燥，未見(jiàn)地下水，為Ⅴ級(jí)圍巖。2019年9月24日隧道開(kāi)挖至DK236+633，上臺(tái)階及拱頂位置為粉砂層，其余位置為砂質(zhì)黃土，洞內(nèi)溜砂嚴(yán)重，如圖1所示。通過(guò)DK236+633上臺(tái)階掌子面揭示及中下臺(tái)階粉砂層走向推測(cè)，粉砂層范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至全斷面。后經(jīng)過(guò)詳細(xì)的地質(zhì)鉆探，最終確定對(duì)隧道施工影響的含砂地層終止里程為DK236+750。

圖1 DK236+633掌子面溜砂情況

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

整個(gè)計(jì)算模型在x(橫向)、y(縱向)、z(豎向)擬定的計(jì)算尺寸分別為100 m×40 m×100 m，模型上部采用自由邊界的地表面，其余各部位均采取法向約束，整體隧道計(jì)算模型及局部網(wǎng)格見(jiàn)圖2。圍巖、旋噴樁預(yù)支護(hù)拱棚和傾斜旋噴樁預(yù)加固，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元來(lái)模擬。

圖2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法+豎撐法計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

對(duì)模型計(jì)算參數(shù)賦值，將地層作為理想彈塑性摩爾-庫(kù)侖材料，初支與二襯等作為彈性材料考慮[4]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及室內(nèi)試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定圍巖物理、力學(xué)參數(shù)。依據(jù)文獻(xiàn)[5]中超前小導(dǎo)管注漿及深層咬合樁試驗(yàn)并結(jié)合文中關(guān)于粉細(xì)砂層隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)，本文采用的具體的地層和支護(hù)物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型所采用的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)具體情況，本文采用三臺(tái)階+臨時(shí)豎撐法施工，擬模擬兩種超前預(yù)加固支護(hù)方案，工況一為雙層大管棚+小導(dǎo)管注漿，工況二為旋噴樁。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)三臺(tái)階法無(wú)臨時(shí)仰拱和有臨時(shí)仰拱兩種工況的隧道施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。

2.3 超前加固方案對(duì)比分析

2.3.1 洞周位移

考慮到模型邊界約束對(duì)于數(shù)值計(jì)算的結(jié)果將產(chǎn)生一定影響，故為最大可能減少影響，數(shù)值計(jì)算中選取模型中間的斷面為數(shù)據(jù)分析斷面，不同工況下中間斷面周邊位移最終計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種工況下隧道周邊位移計(jì)算結(jié)果 mm

從以上隧道變形看，旋噴樁超前加固方案水平收斂和拱頂下沉值明顯比雙層大管棚+小導(dǎo)管注漿方案減小很多，隧道變形得到很好的控制。

2.3.2 初期支護(hù)應(yīng)力

旋噴樁超前加固方案開(kāi)挖完成后初期支護(hù)目標(biāo)面處的最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)和最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)分布見(jiàn)圖3，雙層大管棚+小導(dǎo)管注漿超前加固方案圖略，兩種工況初期支護(hù)最大主應(yīng)力見(jiàn)表3。

圖3 旋噴樁方案施工完成后初期支護(hù)的主應(yīng)力(單位：Pa)

表3 初期支護(hù)最大主應(yīng)力 MPa

由圖3、表3及計(jì)算結(jié)果可看出，雙層大管棚+小導(dǎo)管注漿方案和旋噴樁方案兩種方案的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的分布規(guī)律基本上是相同的，兩側(cè)邊墻全部為壓應(yīng)力，可以充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)；初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力都發(fā)生在隧道兩側(cè)邊墻墻角部位，方案一和方案二的最大值分別達(dá)15.85 MPa和9.02 MPa，方案二比方案一的最大壓應(yīng)力減小43.1%；兩種方案初期支護(hù)的最大拉應(yīng)力都位于隧道拱頂內(nèi)側(cè)部位，方案一和方案二的最大值分別達(dá)1.55 MPa和1.01 MPa，方案二比方案一的最大拉應(yīng)力減小34.8%，且雙層大管棚+小導(dǎo)管注漿方案的拉應(yīng)力范圍比后者大。

綜合以上可得，雙層大管棚+小導(dǎo)管注漿方案周邊位移較大，且初期支護(hù)拉、壓應(yīng)力均超過(guò)初支結(jié)構(gòu)C25抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa，不滿足結(jié)構(gòu)受力要求，故應(yīng)采用旋噴樁超前加固方案。

2.4 臨時(shí)仰拱方案計(jì)算分析

2.4.1 洞周位移變化特征

為最大限度減少邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，同樣選取中間斷面作為計(jì)算數(shù)據(jù)提取斷面，隧道進(jìn)口工區(qū)上半斷面粉細(xì)砂層段無(wú)臨時(shí)仰拱三臺(tái)階法與有臨時(shí)仰拱三臺(tái)階法周邊位移變化與開(kāi)挖步關(guān)系曲線見(jiàn)圖4；兩種工況中間斷面周邊位移最終監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 三臺(tái)階法施工周邊位移變化與開(kāi)挖步變化曲線

表4 有無(wú)仰拱隧道周邊位移計(jì)算結(jié)果 mm

從圖4和表4可以看出：

(1)采用三臺(tái)階法施工時(shí)，設(shè)置臨時(shí)仰拱和不設(shè)置臨時(shí)仰拱兩種工況下各觀察點(diǎn)處的周邊位移隨開(kāi)挖步(或距上臺(tái)階開(kāi)挖面的距離)變化規(guī)律是相似的。

(2)上臺(tái)階開(kāi)挖面尚未到達(dá)目標(biāo)斷面之前，隧道周邊的各處位移已經(jīng)發(fā)生，且開(kāi)挖面越靠近目標(biāo)斷面，位移變化的速率也越大；到達(dá)目標(biāo)斷面時(shí)的位移變化速率達(dá)到最大值，隨著開(kāi)挖面的離開(kāi)，變形速率逐漸減小。

(3)各分部施工通過(guò)目標(biāo)斷面開(kāi)挖后約10 m(相當(dāng)于0.7倍隧道開(kāi)挖跨度)范圍內(nèi)的施工對(duì)相應(yīng)的周邊位移影響都非常大，周邊位移變化較快。在開(kāi)挖面離開(kāi)目標(biāo)斷面1.0倍隧道開(kāi)挖跨度后，隧道周邊變形都很快趨于穩(wěn)定值。

(4)無(wú)臨時(shí)仰拱三臺(tái)階法和有臨時(shí)仰拱三臺(tái)階法最終拱頂下沉值分別為65.2 mm和60.8 mm；有仰拱條件下的拱頂沉降只比無(wú)仰拱條件下的拱頂沉降小了4.4 mm，減少6.7%，臨時(shí)仰拱對(duì)抑制拱頂沉降效果不明顯，主要原因是預(yù)留核心土使上臺(tái)階仰拱延遲施作，上臺(tái)階不能及時(shí)形成封閉結(jié)構(gòu)。

(5)兩種工況下的水平收斂最大值出現(xiàn)在隧道跨度較大處(第二臺(tái)階測(cè)線)，無(wú)仰拱和有仰拱二者水平收斂值最大值分別達(dá)50.4 mm和32.7 mm，有仰拱條件下的水平收斂比無(wú)仰拱條件下的水平收斂減小了17.7 mm，減少35.1%，所以臨時(shí)仰拱對(duì)控制隧道水平收斂效果明顯。

(6)無(wú)臨時(shí)仰拱條件下的隧道拱頂預(yù)沉降值53.4 mm，有仰拱時(shí)隧道拱頂預(yù)沉降值為50.7 mm，分別占各自工況下隧道拱頂總沉降值的81.9%和83.4%，對(duì)于粉細(xì)砂地層，采用旋噴樁加固后，開(kāi)挖到掌子面前預(yù)變形量很大，應(yīng)注意旋噴樁預(yù)加固施工質(zhì)量。

從以上隧道變形結(jié)果分析可知：有臨時(shí)仰拱對(duì)控制水平收斂有一定效果，由于核心土的存在不能使臨時(shí)仰拱及時(shí)施作，導(dǎo)致其對(duì)控制拱頂預(yù)沉降的作用較小；在施工過(guò)程中，應(yīng)注意旋噴樁預(yù)加固施工質(zhì)量。

2.4.2 初期支護(hù)應(yīng)力分析

隧道開(kāi)挖完成后，有無(wú)臨時(shí)仰拱方案目標(biāo)面處初期支護(hù)最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 有無(wú)臨時(shí)仰拱方案初期支護(hù)最大主應(yīng)力 MPa

由表5和計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)臨時(shí)仰拱和有臨時(shí)仰拱兩種工況下，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力的分布規(guī)律基本上是相同的，有臨時(shí)仰拱后控制了變形，但是有臨時(shí)仰拱工況的最大拉、壓應(yīng)力反而都大于無(wú)臨時(shí)仰拱工況。兩種工況下，隧道兩側(cè)邊墻全部為壓應(yīng)力，初期支護(hù)的最大壓應(yīng)力都發(fā)生在隧道兩側(cè)邊墻墻角部位，可以充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)；兩種方案初期支護(hù)的最大拉應(yīng)力都位于隧道拱頂內(nèi)側(cè)部位。

綜合以上可得，有臨時(shí)仰拱方案對(duì)于控制水平收斂非常有利，為了確保粉細(xì)砂地層隧道的安全施工，采用旋噴樁超前加固方案基礎(chǔ)上應(yīng)采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。

3 施工控制關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，應(yīng)在隧道拱部150°范圍內(nèi)設(shè)計(jì)水平旋噴樁，并在水平旋噴樁中心插入?89 mm的鋼管，增強(qiáng)水平旋噴樁的抗折性和抗彎性。在150°范圍下方土體沙化程度較高，為保證正常進(jìn)行仰供施工，同樣需要進(jìn)行超前支護(hù)。鑒于外插角使得水平旋噴樁利用率較低，計(jì)劃在150°線下方兩側(cè)分別施工1排斜向旋噴樁(如圖5所示)。

圖5 旋噴樁設(shè)計(jì)(單位：mm)

采用水平定向鉆機(jī)打設(shè)水平孔，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后，撥出鉆桿，同時(shí)通過(guò)水平鉆機(jī)、鉆桿、噴嘴以大于35 MPa的壓力把配制好的漿液噴射到土體內(nèi),借助流體的沖擊力切削土層，使噴流射程內(nèi)土體遭受破壞；與此同時(shí)鉆桿一面以一定的速度(20 r/min)旋轉(zhuǎn)、一面低速(15～30 cm/min)徐徐外拔，使土體與水泥漿充分?jǐn)嚢杌旌希z結(jié)硬化后形成直徑比較均勻、具有一定強(qiáng)度(0.5～8.0 MPa)的樁體，從而使地層得到加固；當(dāng)旋噴樁相互咬接后,便以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體。水平旋噴樁具有梁效應(yīng)和土體改良加強(qiáng)效應(yīng)，能夠起到防流沙、抗滑移、防滲透的作用，保證隧道掘進(jìn)安全。

水平旋噴樁不僅具有梁效應(yīng)、拱效應(yīng)和土體改良加強(qiáng)效應(yīng)，保證隧道掘進(jìn)安全，同時(shí)水平旋噴樁在旋噴過(guò)程中，水泥漿液能沿著地層的縫隙滲透擴(kuò)散，尤其在涌水量較大的地層中，水泥漿液擴(kuò)散填充縫隙后起到止水的效果[6-7]。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

選取洞內(nèi)溜砂較為嚴(yán)重的K236+633斷面拱頂沉降與水平收斂為研究對(duì)象，拱頂監(jiān)測(cè)設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水平收斂監(jiān)測(cè)分別在各臺(tái)階處設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

圖6 拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 水平收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)比表4以及圖6與圖7可以看出：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果整體差別不大，且兩者所反映趨勢(shì)基本相同；無(wú)論是拱頂沉降還是水平收斂，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果均要略小于數(shù)值分析結(jié)果。最終監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表明，隧道開(kāi)挖前期，無(wú)論拱頂沉降還是水平收斂均較小，當(dāng)隧道開(kāi)挖至前方掌子面附近，位移增加迅速，后期位移逐漸趨于平穩(wěn)。整體結(jié)果表明數(shù)值分析結(jié)論較為可靠，具有一定參考性。

5 結(jié)論

(1)干燥粉細(xì)砂隧道在采用三臺(tái)階+臨時(shí)豎撐法施工時(shí)，采用旋噴樁超前加固方案時(shí)，各臺(tái)階水平收斂和拱頂下沉值明顯比雙層大管棚+小導(dǎo)管注漿方案減小很多，隧道變形得到很好的控制。

(2)雙層大管棚+小導(dǎo)管注漿方案雖然與旋噴樁方案的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的分布規(guī)律基本上是相同的，但是其所受壓應(yīng)力、拉應(yīng)力更大且超出C25混凝土軸心抗拉和抗壓強(qiáng)度，故應(yīng)采用旋噴樁超前加固措施。

(3)采用旋噴樁加固方案，分析有無(wú)臨時(shí)仰拱對(duì)于變形的控制效果，結(jié)果表明有臨時(shí)仰拱對(duì)控制水平收斂有一定效果；由于核心土的存在不能使臨時(shí)仰拱及時(shí)施作，導(dǎo)致其對(duì)控制拱頂預(yù)沉降的作用較小。

(4)無(wú)臨時(shí)仰拱和有臨時(shí)仰拱兩種工況下，有臨時(shí)仰拱時(shí)，其最大拉、壓應(yīng)力反而都大于無(wú)臨時(shí)仰拱工況，但是考慮到臨時(shí)仰拱對(duì)于控制變形有不錯(cuò)的效果，因此本工程施工建議在旋噴樁超前加固方案基礎(chǔ)上采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。