隧道洞口擋土墻穩定性及其加固技術研究

黃建秋，向征華，張 泉，李春霖，吳 鋼

（1.中鐵五局集團第一工程有限責任公司，長沙 410117；2.長沙理工大學 汽車與機械工程學院，長沙 410114）

作為隧道施工中的關鍵工序，隧道洞口擋土墻的穩定性對隧道施工及后續運營有著重要影響[1-2]。針對諸如隧道洞口坍塌這一類突發且棘手的問題，學者們已經開展了廣泛的研究，并得到了許多可喜的成果[3-4]。鄔龍剛等[5]結合工程實際，采用“半明洞+半護拱”的半明半暗結構形式入洞，并配合數值模擬進行了分析。王琳等[6]以在建的福州董奉山隧道為依托，以正交試驗法和數值模擬相結合的手段，研究了隧道洞口淺埋段鎖腳錨管參數對施工變形的影響。丁廣煒等[7]以拉林鐵路米林隧道為實例，對隧道洞口段的加固方案進行了優化設計。李卓軍[8]依托重慶市某在建隧道，對軟弱泥巖下的淺埋隧道進行了技術研究。本文以前人研究經驗為依據，結合某工程實際，對該實際情況下的擋土墻穩定性進行了定量分析。通過本研究旨在為今后擋土墻加固提供一個新的思路。

1 工程概述

某隧道工程所在地，地表巖層以花崗巖為主，地質條件極其復雜。考慮到施工需要，要修筑一個寬約20 m的施工平臺，該施工平臺地址選在隧道橫洞洞口外側堆積物上，此外，采用C30 混凝土澆筑的衡重式路堤擋土墻收坡位于該施工平臺外圍（該收坡長度90 m 左右，高度13.2 m 左右）。

2 擋土墻失穩監測與原因分析

2.1 失穩監測

為了確定合理的預防和治理方案，需要分析造成擋土墻失穩的原因。在本研究中，18 個監測點被設置在了隧道橫向隧道進口擋土墻內。從2022 年1 月25日開始，對洞口處擋土墻的位移和沉降進行監測。截至2022 年3 月13 日，監測結果如圖1 和表1 所示。通過觀察圖1（a）中擋土墻的位移監測曲線和圖1（b）中的沉降監測曲線，可以發現，在近50 d 的監測期內，所有監測點中，監測點號6 的位移和沉降同時達到最大值，分別達到179 mm 和89 mm。因此，應重點關注監測點號6，采取措施，以確保擋土墻在該監測點號附近的安全。

表1 擋土墻位移及沉降監測統計表 mm

圖1 失穩監測曲線

2.2 失穩原因分析

施工平臺位于強風化花崗巖上，由于施工原因，增加了巖堆體上的載荷，導致擋土墻發生顯著的沉降和位移。造成這一現象的原因可能有以下幾點：①擋土墻修筑在強風化花崗巖上，在施工完成后，由于人工和天氣的影響，墻后土壤受到施工用水和雨水的浸泡，導致堆積密度增加，增加了墻體所承受的壓力；②在土壤回填過程中，由于沒有進行分層碾壓并每層鋪設人工格柵，所以回填的土壤壓實度不夠，導致更多的雨水滲透進了土壤中，顯著影響了巖堆體的穩定性，導致墻體發生形變，甚至出現裂縫。擋土墻裂縫現場勘查圖如圖2 所示。

圖2 擋土墻裂縫現場勘查圖

3 擋土墻加固方案

3.1 方案概況

①為了保證施工平臺機械安全穩定運行及施工人員的生命安全，卸載擋土墻頂高度約5 m、寬度約4 m的填土，靠近橫洞側的墻體按1∶1.25坡率放坡。②為加固擋土墻，對其基底進行灌漿，在擋土墻外側底部斜向用風鉆鉆2排間距為2 m，以梅花形布置的Ф50 mm孔。將直徑為42 mm的無縫鋼花管作為灌漿管（壁厚4 mm）。③將直徑89 mm，壁厚4.5 mm的豎向鋼花管作為灌漿管對擋土墻墻體內側進行灌漿加固，鋼花管以1 m的間距呈正方形布置成2排，2排鋼花管管長并不相等，分別為16 m和14 m。在操作中，要將鋼花管插入至少3 m深的穩定巖層中，擋土墻與灌漿位置之間至少保證3 m的安全距離。選用3根直徑為28 mm的HRB400鋼筋插入鋼花管中。采用氣動干鉆法，要求鉆孔直徑為Ф130 mm，孔深50 cm以上。④完成上述施工后，為避免雨水浸泡，要進行封閉措施，故而鋪設Φ8 mm@20 cm×20 cm鋼筋網片加10 cm噴射土進行封閉。⑤2個監測斷面被設置，以加強安全監測。坡面位移監測樁和監測釘也同時被采用，以加強墻體和邊坡的整體監測。⑥在完成上述操作后，如果擋土墻上存在不均勻沉降和水平位移不收斂的情況，應在擋土墻上施加寬度至少為3 m、高度至少為2 m的格賓石籠反壓。⑦考慮到雨水的截排，應當在施工平臺靠內側設置不小于0.3 m×0.3 m的矩形排水溝。

3.2 方案實施

清方卸載。拆除擋土墻頂部約寬5m、長50m 的填土。

管樁加固。鋼花管灌漿順序：放線→鉆機就位→鉆孔→清孔→插入鋼花管→管內植入鋼筋→灌漿。具體內容如下。

放線。根據設計要求的間距、排距及標高進行測量放線。

鉆機定位。在鋼管樁已經定好位的基礎上，將鉆機水平放置在樁孔位置，防止傾斜，確保鉆機的穩定性。

鉆孔。鋼花管成孔采用風動干鉆施工法，鉆機采用ZGYX430 潛孔鉆機，鉆孔孔徑為Ф130 mm，孔深超鉆50 cm；由于為巖堆體，易塌孔，采用跟管鉆進法，邊鉆孔邊下鋼套管。將鉆桿吊至鉆機一側，啟動鉆機，慢慢鉆入。每隔2 m 深須連接一次鉆桿，直至達到鋼管樁所需深度。為防止相鄰鉆孔的干擾，應采用間隔鉆孔的方法。鉆孔完成后及時采用高壓送風進行清孔，以確保孔內清潔。

鋼花管制作。鋼花管需在鉆孔前準備好。按照設計圖紙，以直徑89 mm，壁厚4.5 mm 的無縫管作為材料來制作鋼花管，在頂端設置自由段，長度為3 m，在該自由段不鉆孔，剩余部分需要沿管軸線10 cm、管徑向每旋轉45°鉆設孔徑為8 mm 的灌漿孔。同一截面處的鋼管接頭數量不得超過總數的50%。以厚度為5 mm的鋼板通過焊接密封鋼管底部，選擇直徑為16 mm 的鋼筋，為鋼管焊制一個底部支架，并在鋼花管上每隔3.0 m 設一道對中環。

注漿機安裝。在施工現場尋找合適位置安裝灌漿機及攪拌機，做好灌漿前的準備工作。

清孔。當所鉆的鉆孔深度達標并按要求安裝鋼套管后，清理孔中雜物。

安放鋼花管。清孔完畢后，即可開始安裝制作好的鋼花管，在安裝過程中應確保連接牢固，強度滿足施工要求。校準后，拆除套管，移動鉆機，進行下一步的鉆孔施工。

管內植筋。鋼化管內插入3 根Ф28 mm 鋼筋。

灌漿。以（0.6～0.8）∶1 的水和水泥比，并摻入少量早強高效減水劑（約水泥的5%）制作漿液。漿液以壓漿的形式通過孔徑22 mm 的PVC 管進行壓入，為在保證安全的前提下順利實現灌漿，將灌漿壓力設為2～3 MPa。在灌漿過程中，當觀察到有漿液從孔中流出時，即可停止灌漿，當漿液由于凝固收縮而回落到孔口以下時，應及時補漿，直至注滿。鋼管底設封底鋼板防止注漿進入鋼管。

施工平臺封閉。平臺鋼管樁施工完成后，為防止雨水進入，擋土墻平臺采用10 cm 厚噴射混凝土封閉。

4 擋土墻加固分析

4.1 變形及沉降監測

沿擋土墻墻體布置間距為5 m 的監測點和測量斷面，若期間出現斷面變化，則在該處增設。為便于觀察，在擋土墻頂部設置觀測點。

測量點的埋設應牢固可靠，且埋設后應當做上記號。垂直沉降測量的監測點采用Ф22 mm 鋼筋制作，并在埋設時要借助鉆孔，測點通過錨固劑錨固在不小于20 cm 的混凝土中，端部至少露出混凝土5 cm。

位移監測測點埋設：選擇直徑為22 mm 的螺紋鋼筋，將其埋入墻體內，入墻長度至少20 cm，隨后將其進行錨固，錨固后用厚度大約為3 mm 的鋼板加工一個邊長為6 cm 的正方形，將該正方形焊接在螺紋鋼筋端部，用透明膠帶包裹該正方形鋼板，并貼上反射片作為量測點位。

水平位移監測：水平位移的監測通常要借助全站儀。該儀器通常先安置在某一個已知的點，后視另一個已知點，站點調整合適后，通過對準反光片中心與點的位置即可得到相應的坐標。通過收集的數據計算出水平位移的大小。而沉降量的大小一般則需要用電子水準儀來測量。該儀器對于安裝位置有著一定的考究（通常要在水準點和基準點之間選擇一個合適位置）。測量時，在基巖設置2 個基準點，通過測量監測點與基準點的高度差，即可計算出沉降量的大小。

4.2 結果分析

在對墻體進行加固后，對擋土墻位移和沉降進行了監測。結果如圖3 和表2 所示。通過分析圖3（a）的位移曲線、圖3（b）的沉降曲線及表2 的監測結果，可以看出，經過加固防治后，擋土墻的位移和沉降均大幅減小。與加固前一樣，加固后墻體位移和沉降的最大值依然都發生在監測點號6 處，但其值的大小均發生了大幅下降：最大位移值為25 mm，最大沉降值為32 mm，相比于加固前分別降低了154 mm 和57 mm，降低率分別達到了86%和64%。這表明，本文所采用的鋼花管灌漿加固擋土墻墻體及其外圍土體的方法，在提高擋土墻墻體的穩定性的同時，也增加了外圍土體的強度，從而大幅改善了擋土墻位移和沉降的問題。

表2 加固后擋土墻的位移及沉降值 mm

圖3 加固后擋土墻的監測曲線

5 結論

依據某隧道橫洞施工背景，在洞口擋土墻中布置18 個監測點，借助相關的監測儀器，對擋土墻墻體及其外圍土體加固前后的位移和沉降情況進行了量化分析，根據測量結果顯示，加固前后的擋土墻最大位移和沉降均發生在監測點號6 處。與加固前相比，最大位移減少了86%，最大沉降減少了64%。擋土墻的位移和沉降得到了有效控制。