李冬生

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142）

白堊系砂巖隧道洞口淺埋段施工方案研究

李冬生

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142）

文章介紹了某新建山嶺鐵路隧道工程的特殊地形、地質(zhì)條件，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)等資料進(jìn)行技術(shù)方案對(duì)比，提出了通過(guò)該隧道洞口不利地形、不良地質(zhì)段的施工控制技術(shù)措施。通過(guò)隧道進(jìn)口淺埋白堊系全風(fēng)化砂巖砂狀地段施工的反饋?zhàn)C明，采用上述洞內(nèi)外注漿、密排小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)、型鋼鋼架、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱等措施能保證施工安全。

隧道工程；白堊系；砂巖；洞口段；鐵路工程

1 工程概況

某新建山嶺鐵路隧道全長(zhǎng)936.15m，為單洞雙線隧道，最大埋深63.49m。該隧道位于陜北毛烏素沙漠與黃土高原過(guò)渡區(qū)，進(jìn)口通過(guò)地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）砂質(zhì)新黃土、白堊系下統(tǒng)洛河組（K11）砂巖。其中，白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖特性：全風(fēng)化（W4）～強(qiáng)風(fēng)化（W3），砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層至巨厚層狀交錯(cuò)層理構(gòu)造，巖體較完整，成巖作用差，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，強(qiáng)風(fēng)化砂巖飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度為3.16～4.42，為極軟巖。隧道進(jìn)口段位于凸出“山咀”正面，兩側(cè)沖溝發(fā)育，洞口段洞頂?shù)乇砥骄?，覆土厚度約14m，側(cè)壁厚度較薄，左側(cè)壁厚最薄約12m，右側(cè)壁厚最薄約6.4m，隧道位于此地形條件下長(zhǎng)度約51m。

圖1 洞口地形

隧道DK240＋848～DK240＋863段，共15m，為直切式明洞門；DK240＋863～DK240＋914段，共51m，為下穿“山咀”地形的隧道暗挖段。

圖2 洞口縱斷面

下穿“山咀”地形段及其鄰近段隧道采用Ⅴ級(jí)圍巖Ⅴb型復(fù)合式襯砌，支護(hù)參數(shù)如下：

第一，初期支護(hù)：全環(huán)25cm厚C25噴射混凝土、全環(huán)I18型鋼鋼架（鋼架間距0.75m）、Φ8mm鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)格尺寸20cm×20cm），預(yù)留變形量8～12cm。

第二，二次襯砌：拱墻厚度45cm，仰拱厚度50cm，環(huán)向主筋參數(shù)Φ20mm@200mm，Φ8mm拉筋間距200mm×250mm（縱×環(huán)）。

第三，超前支護(hù)：DK240+863~DK240+903段采用Φ108mm超前大管棚預(yù)支護(hù)，DK240+903~DK240+923段，采用Φ42mm超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)。

第四，施工工法：三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，臨時(shí)仰拱采用I16型鋼，噴射220mm混凝土，臨時(shí)仰拱設(shè)置于上臺(tái)階。

圖3 Ⅴ級(jí)圍巖Ⅴb型復(fù)合式襯砌橫斷面（單位：cm）

圖4 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法

2 施工揭示情況

2.1 掌子面揭示地質(zhì)情況

圖5 施工過(guò)程中掌子面地質(zhì)情況

隧道進(jìn)口DK240＋863～DK240＋928段掌子面揭示地層為白堊系砂巖，呈砂狀，無(wú)粘性，結(jié)構(gòu)非常松散，開(kāi)挖后多處出現(xiàn)溜塌。

2.2 施工情況

隧道進(jìn)口DK240＋863～DK240＋914段施工過(guò)程中，地表隨著掌子面掘進(jìn)陸續(xù)出現(xiàn)多條裂縫，最大寬度為6cm，并有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)；同時(shí)，初期支護(hù)鋼架拱部150°范圍內(nèi)出現(xiàn)多條環(huán)向裂縫，最大寬度為1.5cm。

2.3 洞口沉降及變形

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)資料，DK240＋863～DK240＋914段拱頂日沉降最大值12.5mm（GD240＋863），累計(jì)沉降最大值77.7mm(GD240+863)，收斂日變化最大值收斂累計(jì)變化最大值，地表日沉降最大值地表累計(jì)沉降最大值。具體數(shù)值如表1：

表1 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 原因分析

根據(jù)施工揭示情況進(jìn)行分析，可知隧道進(jìn)口掌子面易溜砂、初期支護(hù)及地表易開(kāi)裂主要原因在于以下三點(diǎn)：（1）DK240＋886～DK240＋928段，掌子面揭示的全風(fēng)化白堊系砂巖，呈砂狀，無(wú)粘性，穩(wěn)定性差；（2）隧道位于突出的“山咀”地形下部，結(jié)構(gòu)豎向荷載明顯較水平向荷載大，同時(shí)隧道右側(cè)地層厚度較左側(cè)薄，隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)受力不均；（3）開(kāi)挖過(guò)程中圍巖受擾動(dòng)，圍巖易變得更加松散，地層自穩(wěn)能力降低，應(yīng)力釋放速率加大，造成初期支護(hù)易開(kāi)裂。

4 處理措施

4.1 地表加固方案

通過(guò)上述原因分析及根據(jù)施工過(guò)程中揭示的水平位移相對(duì)較大的情況，從考慮降低隧道結(jié)構(gòu)承受的荷載角度出發(fā)，將地表加固分為兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比研究，具體如下：

4.1.1 方案一：卸載＋地表注漿方案。

第一，卸載反壓。DK240＋863～DK240＋910段洞頂進(jìn)行卸載，降低覆土高度約至8.5m，洞頂卸載后土方回填至隧道右側(cè)覆土較薄處，回填坡率1∶1.25。

第二，地層加固?？紤]右側(cè)覆土較薄，且地層基本呈砂狀，為避免施工階段右側(cè)土體失穩(wěn)，考慮對(duì)右側(cè)土體注漿加固，加固采用Φ42鋼花管注漿加固既有地層，小導(dǎo)管長(zhǎng)6m，間距1.5m×1.5m，梅花形布置。

卸載＋地表注漿方案見(jiàn)圖6、圖7所示：

圖6 洞口縱斷面（方案一）

圖7 DK240＋890橫斷面（方案一）

4.1.2 方案二：地表注漿方案。

對(duì)DK240＋863～DK240＋905段隧道洞身右側(cè)采用鋼花管注漿加固既有地層，鋼花管采用Φ42（t＝3.5mm），管長(zhǎng)6m，間距1.5m×1.5m，梅花形布置。注漿參數(shù)：普通水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.5～1MPa，具體注漿參數(shù)應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

地表注漿方案見(jiàn)圖8所示：

圖8 DK240＋873橫斷面（單位：m）

4.1.3 方案比較。通過(guò)上述方案分析可知：

方案一（卸載＋地表注漿方案）卸載洞頂山體，降低豎向荷載；同時(shí)將卸載的地表土體反壓至洞口右側(cè)覆土較薄側(cè)，并對(duì)右側(cè)較薄的原地層進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)右側(cè)水平抗力，從而達(dá)到降低豎向荷載并平衡水平受力的目的。

方案二（地表注漿方案）通過(guò)對(duì)洞口右側(cè)地表覆土較薄段落進(jìn)行地表注漿加固，以增強(qiáng)右側(cè)土體抗力。

以上兩種方案從結(jié)構(gòu)受力角度考慮都是可行的，且方案一由于較方案二卸載了洞頂部分土體，更能改善隧道結(jié)構(gòu)受力。但考慮洞頂卸載時(shí)需要采取機(jī)械設(shè)備開(kāi)挖將加大對(duì)已施工段落的擾動(dòng)，將增加已施工段初期支護(hù)的受力，造成結(jié)構(gòu)變形沉降加大。所以綜合比較，采取方案二作為實(shí)施方案。

4.2 地表裂縫處理

對(duì)洞頂?shù)乇砹芽p灌注水泥漿封閉，裂縫表層采用50cm厚三七灰土封閉隔水。

4.3 洞內(nèi)注漿加固

洞內(nèi)初期支護(hù)變形較大且初期支護(hù)開(kāi)裂范圍DK240＋880～DK240＋928段，洞內(nèi)采用Φ42（t＝3.5mm）長(zhǎng)短小導(dǎo)管注漿加固，導(dǎo)管長(zhǎng)度為3.5m和4.5m，梅花形間隔布置，注漿范圍為設(shè)計(jì)斷面最大跨以上拱墻部分，小導(dǎo)管布置間距1.2×1.2m。注漿參數(shù)：普通水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.5MPa，具體注漿參數(shù)應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

圖9 徑向鋼花管注漿示意圖

4.4 進(jìn)一步施工方案

采用Ⅴ級(jí)圍巖Ⅴb（土）型復(fù)合式襯砌進(jìn)行施工，支護(hù)參數(shù)如下：

4.4.1 初期支護(hù)：全環(huán)27cm厚C25噴射混凝土、Φ8mm鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)眼尺寸20cm×20cm）、全環(huán)I20a型鋼鋼架（鋼架間距0.6m）、預(yù)留變形量12～15cm。

4.4.2 二次襯砌：采用全環(huán)50cm厚C40鋼筋混凝土，環(huán)向主筋參數(shù)Φ22mm@200mm，Φ8mm拉筋間距200mm×250mm（縱×環(huán)）。

4.4.3 超前預(yù)支護(hù)。拱墻范圍內(nèi)每榀施作一環(huán)Φ40mm（t＝3.5mm）超前密排小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)度2.0m，環(huán)向間距為20cm，相鄰兩排的搭接長(zhǎng)度不小于100cm；外插角10°～15°；小導(dǎo)管注漿采用水泥漿。

4.4.4 施工工法。開(kāi)挖工法采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，中臺(tái)階增設(shè)一道臨時(shí)仰拱，上、中臺(tái)階臨時(shí)仰拱鋼架調(diào)整為每榀設(shè)置，掌子面每循環(huán)開(kāi)挖后及時(shí)噴射混凝土封閉。

4.5 施工注意事項(xiàng)

4.5.1 掌子面開(kāi)挖后及時(shí)噴射混凝土封閉，避免掌子面暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成溜砂。

4.5.2 及時(shí)施作臨時(shí)仰拱及處置仰拱，以控制好變形和沉降。

4.5.3 盡早施作二次襯砌結(jié)構(gòu)，確保隧道安全。

4.5.4 加強(qiáng)洞內(nèi)及地表監(jiān)控量測(cè)。

4.5.5 應(yīng)合理組織施工工序，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，并做好應(yīng)急預(yù)案，確保施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)隧道進(jìn)口淺埋白堊系全風(fēng)化砂巖砂狀地段施工的反饋?zhàn)C明，采用上述洞內(nèi)外注漿、密排小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)、型鋼鋼架、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱等加強(qiáng)措施，在施工安全、進(jìn)度和質(zhì)量方面的控制是有效的。

[1]鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)．隧道[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

[2]鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10003-2005）[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[3]朱永全，宋玉香．隧道工程[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[4]李小青．隧道工程技術(shù)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

（責(zé)任編輯：小 燕）

U455

1009-2374（2017）07-0165-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.078

李冬生（1984-），男，黑龍江肇源人，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司工程師，碩士，研究方向：隧道與地下工程。

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