富水淺覆不均勻地層大斷面隧道快速施工技術(shù)研究

蘇立華

(中鐵三局 廣珠鐵路四標段指揮部，廣東 江門 529020)

隨著我國建設(shè)的迅速發(fā)展，隧道往往需要通過各種地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)。在富水、淺埋、軟弱圍巖等條件下進行隧道施工，必須對圍巖預(yù)加固以確保施工安全[1]。隧道地層預(yù)加固的方法較多，一般有錨管、小導(dǎo)管注漿、地表注漿、管棚、水平旋噴、機械預(yù)切槽、預(yù)襯砌等手段。各種方法有各自的優(yōu)缺點和適用條件，但是總體上講前三種手段應(yīng)用較多。比如超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固支護技術(shù)，在夾活巖特長隧道工程得到成功應(yīng)用[2-3]。另外管棚預(yù)加固應(yīng)用也不少[4-5]，水平旋噴預(yù)加固應(yīng)用相對較少，但是隨著在富水、軟弱等復(fù)雜地層條件下修建的隧道越來越多，水平旋噴預(yù)加固方法應(yīng)用也逐漸增多。比如白聚敏，路德富，彭少杰，李顯峰等結(jié)合具體的工程實例，針對各工程的特殊性，提出水平旋噴加固手段，并成功應(yīng)用[6-9]。機械預(yù)切槽及預(yù)襯砌方法在我國應(yīng)用很少。

江門隧道是廣珠鐵路六大控制性工程之一，本文在該隧道下穿玉龍湖泄洪道段水平旋噴預(yù)加固方法成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對富水淺埋不均勻地層大斷面隧道快速施工技術(shù)進行總結(jié)，可供類似工程參考。

1 工程概況

江門隧道DK111+115—DK111+210段下穿玉龍湖泄洪道，如平面圖1所示。隧道洞身淺埋，上部為全風化花崗巖，下部基巖為花崗巖，地表水發(fā)育，設(shè)計為Ⅵ級圍巖。從上往下地層依次為:①素填土，成份由黏性土及細砂組成;②全風化花崗巖，粗粒結(jié)構(gòu)，呈堅硬砂土狀，巖質(zhì)軟，手可捏碎，泡水易崩解;③強風化花崗巖，褐灰色，手可掰斷;④弱風化花崗巖，塊狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育。隧道在該段主要穿越全風化和強風化花崗巖地層，隧道縱向剖面見圖2。

圖1 江門隧道下穿泄洪道平面示意

圖2 江門隧道下穿泄洪道縱向剖面

隧道下穿玉龍湖泄洪道VI級圍巖段開挖輪廓高約11.7 m，寬約12 m，原設(shè)計在管棚 +全斷面注漿前提下采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。拱墻和仰拱均設(shè)置27 cm厚C25噴射混凝土，兩側(cè)邊墻設(shè)置3.5 m長φ22 mm系統(tǒng)錨桿，間距100 cm×100 cm;拱墻設(shè)置φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距15 cm×15 cm;全環(huán)設(shè)置I22工字鋼，0.5 m/榀。二次襯砌拱墻和仰拱均采用C35鋼筋混凝土，其中拱墻50 cm厚，仰拱60 cm厚，隧道斷面如圖 3 所示[10]。

圖3 Ⅵ級圍巖斷面支護示意(單位:cm)

2 地層預(yù)加固

針對隧道下穿泄洪道段上述特點，施工易引起塌方，風險極大，因此必須對地層進行預(yù)加固，預(yù)加固從地表和洞內(nèi)同時進行。

2.1 地表措施

為確保隧道施工安全，在地表泄洪道內(nèi)，隧道中線兩側(cè)各25 m(即全長50 m)范圍內(nèi)架設(shè)φ50 mm鋼管，橫縱間距5 m，交織成網(wǎng)狀。交叉處用鐵絲綁扎，鋼管間搭接50 cm采用綁扎形式。在鋼管網(wǎng)上鋪設(shè)防水板，泄洪道側(cè)壁內(nèi)防水板高度超出歷史水位1 m，確保施工過程中，水源順暢通過隧道頂部，水不會大量滲透進入隧道而造成透水事故。隧道萬一塌方，該措施可提供有利的應(yīng)急條件。

2.2 洞內(nèi)措施

2.2.1 預(yù)加固方案選擇

江門隧道DK111+115—DK111+210段同時存在富水、淺埋、軟弱不均地層、大斷面等不利于隧道圍巖穩(wěn)定的特征。因此，在該段進行隧道設(shè)計和施工難度很大。由于隧道上方玉龍湖泄洪通道的水源補給充足，無法采取降水措施，因此地層預(yù)加固中必須選擇堵水效果良好的方案才能保證隧道安全快速施工。

花崗巖全風化層為本地區(qū)地下含水層，開挖遇水崩解呈泥狀。且隧道埋深超淺，采用傳統(tǒng)礦山法的超前小導(dǎo)管或大管棚注入的漿液難以均勻擴散。若加大注漿壓力或采用劈裂注漿，漿液常呈片狀、脈狀擴散，在隧道施工期內(nèi)難以將圍巖固結(jié)成整體形成封閉的止水帷幕。在防止隧道坍塌方面，都很難達到預(yù)期效果。同時大管棚施工因飽和水影響，注漿達不到理想效果，管棚間不能咬合。因此，選擇水平旋噴作為地層預(yù)加固方案。

2.2.2 預(yù)加固方案的實施

自起拱線起輪廓線外施作一圈水平旋噴樁。周邊旋噴加固體的直徑為500 mm，孔深30 m，環(huán)向間距0.35 m，外插角6°～8°，相鄰加固體咬合厚度＞10 cm。同時為克服水平旋噴抗剪強度不高的缺點，采用旋噴+管棚進行預(yù)支護，如圖4所示。施工中共施作旋噴樁62根，旋噴注漿壓力35～40 MPa。管棚打設(shè)共8根，長25 m，管徑 φ108 mm，管棚注漿壓力約5 MPa。

圖4 水平旋噴加固設(shè)計

在如此淺覆地層中進行水平旋噴預(yù)加固，存在較大的施工難度，特別是外插角控制精度要求很高。要確保施工質(zhì)量，必須選擇專業(yè)合格的施工隊伍。該段隧道上部全風化花崗巖為粗粒結(jié)構(gòu)，呈堅硬砂土狀，旋噴預(yù)加固后，樁體強度很高，止水效果也很好。

3 現(xiàn)場措施及效果

3.1 現(xiàn)場措施

對地層進行預(yù)加固之后，根據(jù)現(xiàn)場觀測及監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，地層得到有效加固，止水效果良好。采用臺階法進行快速施工，開挖步驟如圖4所示。首先開挖上臺階①部，預(yù)留核心土，施作上臺階初期支護;依次開挖中臺②、③部并支護;開挖④部后錯臺開挖⑤、⑥部并支護;開挖⑦部，鋪設(shè)墊層使初期支護成環(huán)，及時回填仰拱。

為保證隧道施工質(zhì)量和安全，降低施工風險，采用臺階法開挖的同時，現(xiàn)場從以下幾個方面進行控制與管理:

1)實行短循環(huán)進尺，上臺階軟巖每次控制在0.5 m，加強上臺階鎖腳錨管，嚴格控制錨管施工質(zhì)量，保證鎖腳錨桿打設(shè)深度及角度。

2)為保持旋噴樁止水效果，減少對預(yù)加固地層及圍巖不必要的擾動，取消超前小導(dǎo)管。且施工中嚴格控制超挖量。

3)下部硬巖爆破時合理布置爆孔位置，控制裝藥量以減少對已施作支護及圍巖的擾動，降低施工風險。

4)及時施作支護并保證其施工質(zhì)量，在設(shè)計支護剛度的基礎(chǔ)上，嚴格控制初支鋼拱架間距及噴射混凝土質(zhì)量;縮短支護成環(huán)周期，保證初期支護及時成環(huán)。

5)妥善處理地下水，在有效堵水的前提下，對所剩少量滲水進行合理有效的排放。合理設(shè)置抽水機的臺數(shù)及密度，并對其及時維護，確保其高效工作，避免工作面積水過多影響施工。

6)用電設(shè)備及作業(yè)機械，首先注意用電安全，其次加強設(shè)備的檢查及維護，以免出現(xiàn)故障影響施工。

7)加強監(jiān)控，根據(jù)規(guī)范要求對隧道沉降收斂進行監(jiān)測。增設(shè)監(jiān)測斷面及測點，加大監(jiān)測頻率，對地表及建筑物進行及時監(jiān)測。針對該地段特殊情況，加強掌子面穩(wěn)定性的監(jiān)測。

8)加強施工管理，對工人進行崗前培訓(xùn)，加強其安全意識，減小人員傷亡風險。對各工序的施工質(zhì)量進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)并改正問題;合理配制機械裝備，做到經(jīng)濟有效;合理高效安排各工序的銜接，避免資源浪費;制定合理有效的應(yīng)急議案，一旦風險事故發(fā)生，可立即采取應(yīng)急措施，將損失減到最小。

3.2 效果分析

現(xiàn)場采用水平旋噴+管棚注漿進行預(yù)加固，并結(jié)合三臺階法進行開挖，沒有出現(xiàn)任何事故，確保了施工安全。水平旋噴樁大大提高了圍巖穩(wěn)定性，避免了全風化花崗巖遇水崩解引起滑塌的危險。根據(jù)現(xiàn)場觀察止水效果較好，洞內(nèi)滲水較小，初支施作后僅局部出現(xiàn)滲水，且水量很少。在有效預(yù)加固的基礎(chǔ)上，得以采用三臺階法開挖，從而加快了施工進度。在如此復(fù)雜的條件下，開挖進度達0.6 m/d。隧道于2011年2月順利通過泄洪道地段。

綜上可知，該工程中正確選擇預(yù)加固方案，并有效實施，對地層進行了有效加固，達到了止水目的。結(jié)合江門隧道下穿泄洪道段的富水、超淺埋、地層不均、斷面大等特點，總結(jié)現(xiàn)有的技術(shù)措施，采用臺階法開挖，加快了施工進度，最終實現(xiàn)了安全、經(jīng)濟、高效的目標，是水平旋噴預(yù)加固技術(shù)在富水淺覆不均勻地層大斷面隧道的成功應(yīng)用。

4 結(jié)論

在江門隧道下穿玉龍湖泄洪道段成功實例的基礎(chǔ)上，可得出以下結(jié)論:

1)為保證富水、淺覆、不均勻地層大斷面隧道安全、快速施工，必須采取有效的預(yù)加固措施。水平旋噴具備改良和加固土層、止水，有利于控制地層沉降，減小對地層擾動等效果，是該條件下保證隧道安全快速施工的最優(yōu)預(yù)加固方案。

2)采用臺階法施工時，應(yīng)該采取控制上臺階一次開挖進尺(控制在0.5 m)、加強鎖腳錨管、嚴禁超挖、減少對圍巖不必要的擾動、初支快速成環(huán)、二次襯砌緊跟掌子面等措施，確保施工安全及質(zhì)量。

3)在對地層進行有效預(yù)加固前提下采用臺階法施工，加快了施工進度，可供類似工程借鑒。

[1]孔恒.城市地下工程淺埋暗挖地層預(yù)加固理論與實踐[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]金剛，龔詩淇，查宏波，等.超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固在夾活巖隧道中的應(yīng)用[J].公路交通科技，2008(4):132-133.

[3]黃華，張永厚.超前加固支護技術(shù)在改建鐵路隧道洞門施工中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2010(4):48-49.

[4]李正耀.長大管棚在涵洞穿越既有線施工中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2010(5):56-58.

[5]唐朝松.大管棚超前支護環(huán)形開挖預(yù)留核心土三臺階隧道施工方法[J].鐵道建筑，2009(9):46-49.

[6]白聚敏.軟流塑地層暗挖隧道的水平旋噴注漿[J].隧道建設(shè)，2008，28(4):498-500.

[7]路德富.水平高壓旋噴注漿技術(shù)在城市淺埋隧道預(yù)支護中的應(yīng)用[J].探礦工程，2008(2):72-74.

[8]彭少杰.水平旋噴加固體的成樁機理與直徑分析研究[J].地下工程與隧道，2008(3):42-44.

[9]李顯峰.水平旋噴樁在淺埋暗挖隧道工程中的應(yīng)用研究[J].市政技術(shù)，2008，26(4):323-325.

[10]中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.江門隧道暗挖段勘察設(shè)計報告[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2008.