蔣永星 ，丁超震

（1、中鐵隧道勘察設計研究院有限公司廣州511458；2、中鐵隧道局集團有限公司隧道結構智能監(jiān)控與維護重點實驗室廣州511458）

0 引言

近年來，隨著我國公路、鐵路建設的不斷發(fā)展，線網(wǎng)密度不斷增加，由于早期設計考慮不周全、沿線經(jīng)濟快速發(fā)展等原因，不斷出現(xiàn)鐵路與公路或者是鐵路與鐵路線路立體交叉的情況，其中新建隧道工程下穿既有公路、鐵路的情況不斷出現(xiàn)，國內(nèi)好多學者對此做了不少研究。李倩倩等人［1］對北京地區(qū)采用淺埋暗挖法施工的隧道下穿已有盾構隧道的變形特性進行了分析，得出盾構隧道結構呈柔性變形、縱向柔性更為明顯，地層注漿加固顯著減小了地表最大沉降值及地層損失度。文獻［2-4］通過對單雙線鐵路隧道下穿公路和隧道下穿路堤的數(shù)值模擬分析，得出了路面和路堤的沉降規(guī)律和影響范圍。文獻［5，6］通過對新建隧道下穿既有高速公路及國道公路的施工技術研究，找到隧道下穿既有高速公路及國道公路施工的合理施工方法。來弘鵬等人［7］通過模型試驗研究了淺埋大斷面土質(zhì)隧道下穿明長城施工安全控制技術，給出隧道下穿施工時確保明長城安全的地表沉降控制標準。胡繼實［8］利用有限元軟件研究隧道的埋深、地層條件、不同開挖進尺、施工沉降控制水平、公路變形縫等因素下，重慶某隧道下穿高速公路的公路受力變形規(guī)律，提出相應的公路沉降控制標準和控制措施。

以上研究大多關注新建隧道下穿施工時既有結構的沉降控制，針對淺埋大跨度隧道在全風化不良地層中下穿既有公路施工技術研究較少，本文針對淺埋大跨度隧道下穿工程，采用雙層超前大管棚支護技術，針對掌子面前方的全風化不良地層，采用全斷面帷幕注漿技術進行加固。在既有國道公路路面正常通車且車流量極大的情況下，采用雙層大管棚超前支護結合帷幕注漿形成超前支護體系，對洞內(nèi)軟弱破碎巖土體進行擠密加固，防止洞內(nèi)開挖涌水涌砂現(xiàn)象的發(fā)生，確保了洞內(nèi)開挖安全，減少了既有公路路面不均勻沉降，確保了道路及行車安全，為今后同類工程提供參考。

1 工程概況

某鐵路隧道全長4 249.79 m，最大埋深約87 m，里程DK36+485～+564段下穿既有某國道公路，線路與既有公路平面夾角約為43.1°，最小埋深約為7.8 m，表層土為第四系全新統(tǒng)殘坡積Q4el+dl粉質(zhì)粘土，基巖為震旦系（Z）花崗片麻巖的風化層，洞身基本位于W4全風化地層中，局部位于強風化層中，全風化多風化呈土狀、砂礫狀，含少許碎塊狀，局部夾不均勻風化的弱風化片麻巖塊，地下水為全風化孔隙水，弱發(fā)育，全風化遇水易軟化，喪失承載力，洞頂富水條件下易變形、坍塌，甚至出現(xiàn)流砂等問題。某國道公路寬約38 m，雙向6 車道，瀝青混凝土路面，車流量較大。鐵路隧道下穿段公路為路堤形式，路堤高約6 m。

2 注漿設計方案

2.1 整體設計

隧道下穿既有公路段采取雙層大管棚超前支護+全斷面帷幕注漿加固技術，如圖1、圖2 所示。雙層超前大管棚長20 m，采用壁厚5 mm 的φ108 無縫鋼管，環(huán)向間距400 mm，拱部150°范圍內(nèi)共設置43 根管棚，由2 m 和3 m 的管節(jié)通過絲扣聯(lián)結而成。管棚中心線在隧道開挖輪廊線內(nèi)側(cè)70～90 cm處（未擴挖），呈框架式分布，設計外插角取3°，在第1 層管棚施工完成后，向前開挖5 m 后再做第2 層管棚。全斷面帷幕注漿在掌子面開挖前采用20 m 超前周邊預注漿加固前方不良地質(zhì)。在施工過程中加強超前地質(zhì)預報、洞內(nèi)及地表監(jiān)控量測工作，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)成果及時調(diào)整支護參數(shù)，保障施工安全。

圖1 開孔布置Fig.1 Opening Layout

圖2 縱斷面Fig.2 Profile View

2.2 參數(shù)設計

合理的注漿設計能有效減少鉆孔數(shù)量，方便現(xiàn)場施工，提高注漿效果。該工程的注漿參數(shù)如表1所示。

表1 注漿參數(shù)Tab.1 Grouting Parameter

注漿材料主要選用普通水泥－水玻璃雙液漿（簡稱C-S 漿）進行注漿施工，由于個別部位巖性不均，雙液漿滲透性差，為避免造成路面隆起及后方拱架變形過大，注漿過程中輔以普通硅酸鹽水泥（簡稱C 漿）進行注漿。注漿材料配比如表2 所示，具體可根據(jù)現(xiàn)場情況適當調(diào)節(jié)。

表2 注漿材料配比Tab.2 Grouting Material Ratio

超前預注漿量單孔注漿量估算：

式中：Q1為超前預注漿單孔注漿量（m3）；R為擴散半徑（m）；H 為注漿段長（m）；n 為地層裂隙度或空隙率，取20%；α 為漿液填充率，取0.8；β 為漿液損失率，取0.05。

超前帷幕注漿孔單孔注漿量Q1=3.14×22×20×20%×0.8×（1+0.05）=42.2 m3。實際注漿量根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況適當調(diào)整。

單根管棚注漿量估算：

式中：Rk為漿液擴散半徑，取0.6Lo，Lo為桿體中心間距；L 為管棚長；η 為孔隙率（%），一般破碎巖層取2.5%，斷層破碎帶取5%，特殊不良地層取10%～30%，本工程為特殊不良地層，η 取10%。ξ 為注漿飽滿系數(shù)，取0.85。

單根管棚的注漿量Q2=3.14×（0.6×0.4）2×20×10%×0.85=0.31 m3。為加強管棚孔注漿效果，實際注漿量根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況調(diào)整。

3 鉆孔注漿施工

鉆機采用ZSL-160D-C 型履帶潛孔鉆機，鉆具配備硬質(zhì)鉆桿+專用加長導向鉆具+φ 127 mm沖擊器；注漿泵采用KBY 雙液注漿泵。注漿施工總體順序為：中、上臺階加固孔施工→上部管棚鉆孔注漿→中下臺階加固孔施工→下部管棚鉆孔注漿。超前帷幕注漿徑向加固范圍為開挖輪廓線外5.0 m，每個循環(huán)縱向加固范圍為20.0 m，開挖15.0 m，預留5.0 m。

3.1 超前帷幕注漿施工

每循環(huán)注漿施工前的止?jié){墻采用噴射厚度不小于1.5 m 的混凝土封閉掌子面。超前全斷面帷幕注漿采用履帶潛孔鉆機鉆孔，開孔直徑φ 127 mm。采用前進分段式注漿施工工藝，分段長度為5 m，鉆孔至分段深度，下入φ 42小導管注漿，再鉆一段，再注的交替方式進行施工。注漿施工工藝流程如圖3 所示，注漿順序采取間隔跳孔的方式，按兩序進行施做，實施約束型注漿模式，達到注漿堵水、加固不良地層的目的。

圖3 前進分段式注漿工藝流程Fig.3 Flow Chart of Forward Stage Grouting

注漿結束標準采用注漿量和注漿壓力的雙控標準控制。在注漿過程中，當注漿壓力達到設計終壓，并在設計終壓穩(wěn)定10 min 后，即可結束該孔注漿。當注漿壓力緩慢上升時，可增大漿液濃度，調(diào)整雙液漿的凝固速度，當單孔注漿量達到設計值要求時，則可結束該孔注漿，并對相鄰近孔位注漿參數(shù)進行調(diào)整。

3.2 大管棚注漿施工

3.2.1 鉆機定位

先用經(jīng)緯儀對管棚孔進行放樣，用鋼釘及紅色噴漆標記，同時在掌子面后2.0～4.0 m 范圍內(nèi)臨時支護上放樣出對應同一豎直面的點位并標記。鉆孔定位時，先將鉆機移至孔位下方，預先將鉆臂升降至大致角度位置，再采用羅盤、吊錘、卷尺精確定位。復核無誤后方可開孔鉆進。

3.2.2 鉆孔

在參數(shù)鉆進的選擇上主要控制以下2個方面：

⑴轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速過大易引起鉆具在孔內(nèi)擺動幅度大，使成孔孔徑加大，環(huán)狀間隙加大，加大偏斜量；另一方面，對孔壁的穩(wěn)定性也不利，擾動大，易塌孔，成孔困難。

⑵ 壓力：鉆孔給進壓力過大，雖進尺快，但在一定程度上會引起鉆具彎曲，使給進壓力作用線不在鉆具軸線上，引起成孔偏斜量加大。鉆進過程中要始終注意鉆桿角度的變化，并保證鉆機位置不發(fā)生變化，每鉆進5.0 m要復核鉆孔角度，確保鉆孔質(zhì)量。

防止偏斜需注意事項：鉆孔前鉆機的固定要牢固；鉆孔過程中要注意扭拒大小、回轉(zhuǎn)速度及風壓大小等；鉆孔過程中密切注意地層巖性變化，軟弱土層盡快通過，避免高壓風、鉆具來回擾動造成塌孔；軟硬交接處慢速鉆進，防止鉆頭阻力不均造成偏斜。

3.2.3 清孔

鉆孔過程中，及時排渣，鉆至設計孔深后，采用高壓風清孔，清孔次數(shù)為1次以上。

3.2.4 鋼管插入

鋼管插入前要按預先設計對每個鉆孔進行配管和編號，保證同一斷面上接頭數(shù)不超過鋼管總數(shù)的50%。組合鋼管需考慮相鄰管棚的鋼管接頭至少錯開1.0 m 以上。管頭為加工好的尖頭花管，其余為實鋼管，必要時在管棚中部靠外也采用帶2～3 組孔的花管，對全孔分段進行注漿。為防止管棚與鉆孔間隙漏漿，管尾纏若干麻絲，涂抹錨固劑。采用鉆機逐根連接頂至設計深度，如果遇到塌孔、頂進困難等情況，可用鉆機直接旋轉(zhuǎn)頂進至孔底。

3.2.5 注漿

⑴ 注漿次序：原則上分三序進行鉆注，鉆一孔注一孔，注漿順序原則上由低孔位向高空位進行，全管一次性或分段注漿。

⑵ 孔口封閉：采用水囊式止?jié){塞封孔。在管棚內(nèi)（加固孔在止?jié){墻內(nèi)）放入止?jié){塞，用手動試壓泵打入一定水量使止?jié){塞膨脹，達到孔口封閉效果。

⑶ 注漿材料：漿液用水泥水玻璃雙液漿，水灰比（0.8～1）∶1，水泥漿∶水玻璃稀釋液為1∶1。調(diào)整水玻璃濃度至初凝時間為20～40 s。

⑷ 注漿量：根據(jù)地層地質(zhì)情況、孔隙率不同，單孔注漿量可根據(jù)周邊環(huán)境變化情況合理調(diào)整。每循環(huán)總注漿量約占總加固巖土體體積的25%～35%。

⑸ 注漿終壓：終孔壓力為1.0～2.0 MPa，漿液擴散半徑不小于0.6倍管棚中心間距。

3.3 路面沉降控制

選取里程DIIK36+515 斷面的地表8 個測點進行監(jiān)測分析，對某一注漿加固循環(huán)進行分析。4 月3 日為某一注漿循環(huán)的開始時間，當時最大累計變形量為-15.9 mm（監(jiān)測點DIIK36+515-3），4月28日為該循環(huán)的結束時間，最大累計變形量為12.3 mm（監(jiān)測點DIIK36+515-3），從圖4 可以看出，隧道內(nèi)注漿加固對公路地面造成一定程度的抬升，最大抬升量為28.2 mm（監(jiān)測點DIIK36+515-3）。綜合加固方式減少了既有公路路面不均勻沉降，變形量在設計及規(guī)范要求的限值內(nèi)，確保了路面結構安全和道路及行車安全。

圖4 公路地表典型沉降斷面對比曲線Fig.4 Cross-section Curve of Typical Settlement of Highway Surface

4 注漿效果檢查

對注漿效果進行合理的評價是保證安全施工，確保注漿質(zhì)量的關鍵［9］。評定方法主要有分析法、檢查孔法、開挖取樣法、變位推測法和物探法等［10］。該工程主要采用檢查孔法和開挖取樣法進行檢查。

4.1 檢查孔檢查

檢查孔的數(shù)量宜為鉆孔數(shù)量的3%～5%，且不少于3 個。在本次注漿試驗結束后，在可能出現(xiàn)注漿薄弱的3 個部位進行鉆孔檢查，鉆孔過程觀察填充和流水情況。成孔過程中無水流出，鉆進過程中呈風沙狀出渣順利，渣土較干；成孔后有明顯漿塊，如圖5所示，說明注漿達到了預期效果。

圖5 檢查孔鉆進Fig.5 Inspection Hole Drilling

4.2 開挖取樣法

開挖取樣法有加固效果觀察法、注漿機理分析法和力學指標測試法。采用加固效果觀察法，宏觀評定注漿加固效果。如圖6所示，可見多層大量漿脈填充，土體干燥穩(wěn)定，開挖穩(wěn)定，破裂擠密效果充分體現(xiàn)，且開挖過程中，掌子面自穩(wěn)定性好，無任何坍塌，說明加固效果較好。

圖6 開挖面漿脈明顯Fig.6 Obvious Veins of the Excavation Surface

5 結語

⑴ 針對淺埋大跨度隧道在全風化地層中下穿既有公路，采用雙層超前大管棚結合全斷面帷幕注漿的加固方式，對洞內(nèi)軟弱破碎巖土體進行擠密加固，能夠有效加固掌子面前方的不良地質(zhì)，防止了洞內(nèi)開挖涌水涌砂現(xiàn)象發(fā)生，保障隧道進一步順利開挖，保證開挖安全。

⑵ 雙層超前大管棚和全斷面帷幕注漿加固，造成既有公路路面有一定程度的抬升，但減少了既有公路路面不均勻沉降，變形量在設計及規(guī)范要求的限值內(nèi)，確保了路面結構安全和道路及行車安全。

⑶ 采用檢查孔法和開挖加固效果觀察法對超前大管棚和全斷面帷幕注漿加固情況進行綜合評定，加固效果良好。