風積沙地層仁布隧道進洞支護方案研究

王萬平,辛講合,嚴彬華

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710075)

0 引言

公路工程隧道修筑過程中難免穿越風積沙地層。當隧道穿越覆蓋層厚度大、地形復雜的風積沙地段,隧道進洞存在諸多困難,路塹開挖施工破壞生態環境,且極易引起工程滑坡等病害。因此對隧道穿越風積沙地層的研究至關重要[1]。

風積沙結構松散、無黏性、抗剪強度低、透水性好、顆粒粒徑小,在外力作用下極易松散產生位移[2]。隧道開挖過程中,風積沙地層失穩快、易坍塌,且施工進度慢,給隧道施工帶來極大困難。仇玉良等[3]分析了在風積沙地層中施工時采用的各種超前支護措施的效果。依托蒙華鐵路王家灣隧道,王志杰等[4]通過室內試驗得到不同預加固方式的參數,結合現場結果對圍巖壓力的計算進行分析與推導。傳統地層注漿加固方式在粉細顆粒的風積沙地層很難達到效果,而風積沙隧道洞口段極易出現塌方現象,針對風積沙地層的隧道加固措施引起大量學者關注,其中超前大管棚具有明顯的控制效果。為解決大管棚在這種特殊地層中施工出現的各種問題,高明星[5]結合實際情況對大管棚施工技術進行改進。為進一步研究風積沙地層的塌落形式,劉寧等[6]利用離散元分析軟件模擬隧道二臺階開挖時,發現難以形成塌落拱。在無任何加固措施時,開挖后及時施作支護不能抑制圍巖變形,因此在風積沙隧道須考慮預加固措施。依托新包神鐵路活沙兔隧道工程,趙建龍[7]對該工程穿越風積沙地層提出采用臺階法結合超前小導管注漿措施。在茶格高速公路脫土山隧道穿越風積沙地層中,張官鍵[8]和馬斌[9]提出豎直旋噴樁對地表及基礎進行預加固的措施,取得了很好的效果。水平旋噴樁和豎直旋噴樁在風積沙隧道中有一定的加固作用。雍毅[10]針對隧道穿越動水砂層施工難度大、風險高的問題,提出“超前高壓水平旋噴樁+超高壓豎向端頭封堵旋噴樁+掌子面上半斷面帷幕注漿“聯合注漿技術,能有效減小開挖引起的地面沉降。鄭世杰等[11]針對隧道進洞口注漿加固工藝中漿液難以擴散的問題,應用水平模袋樁工藝進行注漿加固,取得了較好的效果。吳波等[12]從不同的加固機制方向進行分析,取得了有效結論。

目前就風積沙隧道須進行有效的超前預加固取得了共識,但針對風積沙地層的研究主要集中在風積沙本身的物理力學特征,超前加固方法的選擇側重于理論分析,未形成實踐性比選經驗,特別是豎直旋噴樁的應用實例較少。本文以仁布隧道工程為依托,從安全性、經濟性及技術難度等方面對洞口穿越厚風積沙段的超前加固方法進行比選論證,提出三臺階七步開挖、管棚支護及地基處理措施,成功實現進洞,最后結合數值模擬分析驗證了超前加固的可靠性。

1 工程概況

仁布隧道位于西藏自治區仁布縣,進口位于N32泥石流溝上方的山體斜坡地帶,進口與那波中橋相接。隧道測設里程為左線ZK110+020—ZK113+400,隧道長3 380m。隧道總體走向為67°,最大埋深約473m。隧道進口山體斜坡下部溝谷為一泥石流沖溝,隧道進口段地形陡峭,地勢相對較陡,地表覆蓋較厚的卵石及粉砂,鉆探揭示最大厚度約25m,下伏基巖為安山巖,鉆探僅揭示中風化層,仁布隧道進口地形地貌如圖1所示。

圖1 仁布隧道進口地形地貌Fig.1 Landform of Renbu tunnel entrance

原設計地層為上表層覆蓋卵石,中間夾粉砂,現場實際揭露地表仍為粉砂(見圖2)。若采用地表加固注漿方案,漿液難以擴散,無法達到加固效果。通過補充勘察鉆孔揭示ZK110+020—ZK110+075段為粉砂層地質,厚度達20m。

圖2 現場風積沙粉細顆粒Fig.2 Fine particles of site aeolian sand

因風積沙地層覆蓋層厚度大,風積沙位于斜坡地段,地形存在偏壓,穿越段落長,若采用路塹開挖方式會破壞生態環境,且存在安全隱患,易引起工程滑坡等病害,因此該工程經設計綜合比選采用隧道開挖進洞方案。

2 風積沙地層隧道圍巖破壞特征及預加固措施

2.1 風積沙物理特性

風積沙具有無黏性、黏聚力小甚至無黏聚力、抗剪強度低、透水性好、顆粒細、含水量少、保水性差、毛細不發達等特點,在外力作用下極易松散和破碎[13]。風積沙的壓縮幾乎是瞬時下沉,繼之速率遞減的長期變形,這是顆?？朔枇χ饾u調整位置的過程。風積沙的壓縮系數一般較小,呈低壓縮性[14-15]。

2.2 圍巖破壞模式

在風積沙地層進行隧道掌子面開挖時,由于孔隙水壓的作用,在隧道內易形成涌砂現象,嚴重破壞掌子面穩定,同時風積沙流入隧道會對施工進度產生極大影響。由于風積沙獨特的物理特性,使得該地層結構松散、自穩能力變差,隧道開挖后圍巖所承受的應力狀態迅速改變,整個應力重分布持續時間較長。以往工程經驗表明,在風積沙地層中進行隧道施工時,拱腳所承受的荷載不斷增大,形成應力集中,風積沙的弱抗剪性極易導致圍巖侵入隧道凈空,隧道襯砌進一步產生局部破壞。在初支封閉成環后,隧道部分位置圍巖會沿最大應力方向擠出,從而導致初噴混凝土出現橫向開裂,鋼架產生變形扭曲。同時隧道拱頂變得極不穩定,常產生塊體掉落等破壞。

2.3 預加固措施

目前風積沙隧道常用的預加固措施主要有超前管棚、小導管注漿、旋噴樁加固等(見表1)[16],各工程可結合自身工程特點選取不同的加固方式。

表1 典型風積沙隧道預加固措施Table 1 Pre-reinforcement measures for typical aeolian sand tunnel

3 施工方案

國內類似的工程隧道穿越風積沙地層多采用明挖與暗挖相結合的方式,明挖與暗挖交界位置選在洞頂覆蓋層10m處,隧道風積沙暗洞段采用施工經驗成熟的水平旋噴樁超前支護。為尋找合適的進洞方案,本文總結分析了常見的洞口施工方案,如表2所示。

表2 加固方案對比Table 2 Comparison of reinforcement schemes

由表2可以看出,加固方式各有優劣,由于仁布隧道的風積沙為粉細砂顆粒,含水量小、孔隙率小,傳統地層注漿加固方式在粉細顆粒的風積沙地層很難達到效果,且洞口地形陡峭、風積沙地層段落長,旋噴樁加固地層措施受限。根據現場實際情況設計采取如下進洞處理方案。

3.1 大管棚支護

如圖3所示,隧道洞口段ZK110+030—ZK110+055采用雙層超前大管棚支護方式,大管棚采用φ108熱軋無縫鋼管,長度為25m,壁厚6mm;大管棚雙排交錯布設,環向間距30cm,外插角1°～2°,內排管中心線距開挖輪廓線30cm。ZK110+055—ZK110+075暗洞段開挖時采用超前洞內管棚支護,洞內管棚長度12m,環向間距15cm,外插角1°～2°,管棚間搭接長度為3m。

圖3 洞口大管棚設計Fig.3 Design of large pipe shed at portal

3.2 初期支護

ZK110+030—ZK110+075段初支鋼拱架采用I22b@50cm;鋼筋網為φ8,間距15cm×15cm;初支噴射28cm厚C25早強混凝土。為解決鋼架拱腳承載力不足、拱架下沉的難題。在拱架兩側設置了大鎖腳φ108鋼管微型樁與拱架的自鎖連接結構,控制初期支護沉降,使隧道在施工中的初支變形減少50%以上。自鎖功能是通過樁頂部的螺紋管與硬化后的水泥漿液相互咬合達到自鎖目的,鎖定在與拱架相連接的鋼板上,鋼板焊接在鋼拱架上,鋼管內注入水泥砂漿。

3.3 隧道基底旋噴樁加固

明洞段ZK110+020—ZK110+030采用豎直旋噴樁進行加固處理,如圖4所示。旋噴樁設計參數為:直徑0.5m,有效樁長按嵌入卵石層50cm控制,樁孔按1.1m等邊三角形布置。水泥漿液水灰比建議為1∶1,基礎加固前,應在相同地質條件下的空地上進行基礎加固試驗,以確定施工參數和加固效果,并對設計參數進行修正。暗洞ZK110+030—ZK110+054段調整樁孔按1.5m等邊三角形布置。暗洞ZK110+054—ZK110+058段地基采用C15片石混凝土換填處理,換填深度1m。

圖4 地基加固處理設計Fig.4 Design of foundation reinforcement treatment

3.4 三臺階七步開挖法

為減小對圍巖的擾動,在隧道進口段采用三臺階七步開挖法。首先進行超前支護,其次對上部弧形導坑進行開挖,同時預留長度為4m的核心土,整個開挖循環進尺為1m。中臺階開挖高度為3m,進尺為1m,同時錯開2m左右。下臺階開挖參數與中臺階一致。各階段開挖完成后及時進行噴射混凝土及初期支護,及時施作仰拱,仰拱分段長度為3m。

4 數值模擬

4.1 模型建立

采用MIDAS/GTS對該隧道進行數值模擬分析。根據實際工程情況,建立三維模型(見圖5),共包含2層土,各層深度分別為:30,10m,隧道埋深30m。土層整體模型為40m×40m×30m(長×高×寬)。土體參數按地勘資料選取(見表3),建筑材料及隧道支護參數采用經驗值(見表4)。

表3 土層物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of soil layer

圖5 三維有限元模型Fig.5 Three dimensional finite element model

4.2 隧道開挖模擬

實際隧道開挖采用三臺階七步開挖法,整個施工過程可分為超前支護、土體開挖、地基加固處理3個循環步驟。對三維隧道模型做適當簡化模擬施工過程(見圖6)。

圖6 隧道施工示意Fig.6 Tunnel construction

1)隧道施工前先將管棚打入土層內,進行超前支護,并且在開挖前給隧道掌子面前上方的土層賦予加固土的屬性以模擬長管棚注漿的效果。

2)日進尺深度為2m,鈍化中臺階部分土之前,將水平旋噴樁施作到隧道地表以下,以起到地基加固的作用。

3)首先鈍化上臺階第1,2,3,6-1部分土,其次鈍化中臺階第4,5,6-2部分土并激活初支、二襯和水平旋噴樁,最后將下臺階6-3,7部分土鈍化。以此為循環,模擬三臺階七步法開挖。

4.3 結果分析

1)地表沉降

為分析隧道地表沉降變形規律,選取隧道地表中心及距中心左右兩側3m處共3個監測點為研究對象,地表沉降隨施工步驟變化的曲線如圖7所示。隨著隧道的開挖,隧道地表沉降整體呈現先增長后趨于穩定的趨勢。這主要是由于土體開挖受到擾動,圍巖應力重分布引起的。從第1階段開始到第15階段,隧道中線以及左右兩側3m處的沉降均隨著隧道開挖而逐漸增長。其中,在隧道中線處累計沉降達到47.31mm,而左右兩側沉降分別為39.13,39mm。通過分析計算,隧道中線處的平均沉降速率為3.154mm/d;而距隧道中線3m左右兩處的平均沉降速率分別為2.608,2.6mm/d。通過分析可知,隧道地表中心處的沉降明顯大于其左右兩側處,并且其沉降量大致呈對稱分布。因此,應及時進行地基加固處理,以免產生不均勻沉降。

圖7 地表沉降時程曲線Fig.7 Surface settlement time history curve

2)凈空水平收斂

為進一步分析隧道洞口處的變形特性,選取拱腰左右兩側各一點作為監測點。通過分析隧道斷面凈空水平收斂明確隧道洞口處的變形規律,并作出隧道斷面變形量隨著開挖變化的曲線,如圖8所示。從中可以看出,凈空水平收斂整體呈現先緩慢增長后加速增長最后趨于穩定的三階段變化趨勢。前5個開挖階段時,變形量較小,累計0.61mm;從第6個開挖階段開始,隧道斷面變形增長呈現逐漸增大的趨勢,并且在第15個階段后達到穩定,第15個階段變形量為6.89mm;而在第19個階段,隧道貫通,凈空水平收斂達到穩定,變形量為7.70mm。通過計算分析,前5個階段變形量占總變形量的7%,而第6～15階段變形量占總變形量的80%。通過分析得知,管棚的超前支護對隧道斷面的變形起到了良好的預防作用。這是因為在施加管棚并且注漿后,土體的自穩能力相對提高,注漿材料與土顆粒之間起到了良好的黏結效果。

圖8 凈空水平收斂變形時程曲線Fig.8 Time history curve of clearance horizontal convergence deformation

3)拱頂沉降

管棚作為良好的預加固措施,可以有效減小隧道洞口拱頂的下沉量。通過選取拱頂、拱腰左右兩側共3個監測點進行分析,其變形量隨著施工階段的開挖曲線如圖9所示。從圖中可以看出,拱頂及拱腰左右兩側沉降均隨著隧道的開挖呈現出逐漸增大的趨勢。第1～5步開挖時,隧道拱頂及拱腰兩側的沉降增長比較緩慢,第5階段時沉降分別為0.82,0.38,0.37mm;當第6～15步開挖時,3個監測點處的沉降增長量均比較快速,當開挖到第15個階段時,其沉降量分別為8.49,4.89,4.78mm;當開挖至第16階段后,三點處的沉降均達到穩定,最終沉降量分別為9.56,5.72,5.71mm。通過分析計算可知拱頂處在6～15階段時沉降平均增長速率為0.767mm/d,而拱腰左右兩側平均增長速率分別為0.451,0.448mm/d。通過分析,拱頂沉降比拱腰處沉降大,管棚的超前支護措施可以有效控制隧道拱頂沉降,提高了工效,取得了較好的社會和經濟效益。

圖9 拱頂沉降時程曲線Fig.9 Time history curve of vault settlement

5 結語

依托仁布隧道洞口穿越厚層風積沙地層進洞方案研究,通過進洞方案實施,主要結論如下。

1)目前常用的預加固措施主要有超前管棚,小導管注漿,旋噴樁加固3種,各個加固措施優缺點各異,各個工程需要結合自身工程特性選取不同加固措施。

2)本工程在風積沙地層條件下采用大管棚輔助、微樁鎖腳、旋噴樁加固地基及三臺階七步開挖法開挖施工隧道進洞技術方案,成功實現了隧道進洞,為類似地層隧道進洞提供了一種解決方案。

3)數值模擬分析結果表明,三臺階七步開挖法結合管棚支護及地基處理的措施可以有效地控制風積沙地層隧道變形、地表沉降等,保障工程安全。