大西客運專線上白隧道穿越粉細砂層超前支護方案探討

侯軍紅，曾 青

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 隧道概況

上白隧道設計為單洞雙線隧道，線間距為5 m。隧道進口里程改 DK594+747，出口里程改DK596+464，全長1 717 m。

隧道位于直線上，隧道內設單面坡，自進口至出口為14.5‰的上坡，隧道最大埋深126.22 m。

隧道所屬地區，黃土臺塬地貌，沖溝發育，地形起伏較大。山體綿延起伏，大部分被黃土覆蓋，溝谷深切較大，多呈“U”及“V”字形，地表多為耕地及林地。

2 現場施工揭示的地質情況

隧道進口于2010年6月8日實現進洞施工，7月23日拱部開始出現干燥粉細砂層，掌子面涌砂嚴重，施工進展極為緩慢。

隧道洞身穿越砂層為第四系上更新統和中更新統砂層，該砂層位于新老黃土中，以夾層形式出現，厚度不均，在隧道不同部位均能遇到。該段砂層有四個特點:(1)以淺黃褐色粉細砂、細砂為主，顆粒粒徑主要集中在0.075～0.25 mm區間，約占總重的80% ～93%，顆粒較均勻，顆粒級配差;(2)干燥，天然含水率僅為2% ～4%;(3)密實狀態;(4)黏聚力低，原樣經多次取樣困難，利用擾樣進行夯實制樣，黏聚力0～2 kPa，內摩擦角為30°～32°。此類砂層靈敏度高，觸變性強，在施工過程中，造成擾動，極易引起漏砂及涌砂。

3 事由經過簡述

針對上白隧道砂層開挖困難，多次發生拱部漏砂、掌子面涌砂、進度緩慢的情況，研究提出了密排小導管注漿方案、洞內超前深孔注漿預加固方案以及水平旋噴樁方案。

3.1 密排小導管注漿方案

3.1.1 目的

隧道開挖線外通過帶插板小導管注漿和調整施工工法以解決掘進過程中的流砂和坍塌問題，確保施工安全，提高施工質量、加快施工進度、降低施工造價。

為了解決空隙小、滲透條件差的粉細砂地層，通過選擇可注性注漿材料和合理小導管施工技術提高圍巖的自穩能力，保持開挖面穩定、防止掉拱和結構過量沉降。

3.1.2 加固設計方案(圖1、圖2)

對拱部及掌子面開挖時出現的粉細砂層，為了達到有效的控制流砂或坍塌等須在開挖線外180°范圍采用超前帶插板小導管注漿支護，達到超前支護、格柵與砂質地層密貼和受力要求;小導管長2.5 m、上焊接10 cm、寬1.0 m長的鋼板，小導管環向間距10 cm、縱向間距0.6 m，管上預留注漿口;注漿材料及工藝根據試驗情況確定。

為確保開挖時掌子面砂層穩固，上臺階掌子面增設超前小導管注漿;每循環掌子面開挖完成后，立即噴射混凝土，厚度5 cm，對掌子面進行封閉。

為便于施作超前插板小導管，拱架采用格柵鋼架，格柵主筋采用φ25鋼筋，鋼架間距0.6 m。

施工方法采用上臺階雙隔壁導坑施工，中、下臺階采用臺階法施工。

開挖時必須采取自上而下分部進行。采用帶插板的鋼管、加強超前注漿加固地層。先護后挖，密閉支撐，邊挖邊封閉，遇縫必堵，嚴防砂粒從支撐縫隙中逸出。

圖1 密排帶鋼板小導管支護橫斷面設計(單位:cm)

在小導管管壁上每隔100 mm交錯鉆眼，眼孔直徑6～8 mm，管外端剩余1 m不鉆孔，小導管長度為2.5 m/根，每榀格柵打設。

小導管打設時沿已施作末數第二榀格柵內側內環鋼筋邊緣、穿越已施作末數第一榀格柵中打入，小導管外插角度控制在20°左右，施工根據格柵斜筋位置調整鋼板角度，這樣為下一循環開挖確保開挖面不漏砂、有效保證開挖面的穩定。

施工中為了防止漏砂打入帶插板小導管，初期支護噴射混凝土需分3次施作，第一次開挖后及時素噴4 cm厚混凝土、第二次噴射如圖2所示三角形部分混凝土，打設小導管后噴射第3次混凝土。

圖2 密排小導管方案示意

施工中為保證拱腳部位砂體穩定，加密拱腳部位小導管間距，可形成拱腳部位插板鋼板搭接，提高基底承載力，防止結構過量沉降和掉拱的發生。

3.2 洞內超前深孔注漿預加固方案(圖3、圖4)

本方案是在隧道上半斷面采用超前預注漿，以對開挖面及輪廓線外3 m范圍內土體進行加固，防止砂層涌出，以確保施工安全。半斷面超前預注漿孔環徑向間距100 cm×90 cm。注漿采用φ90 mm分段前進式注漿，前進式注漿分段長度一般為5 m左右，施工中可根據現場注漿情況作適當調整。為了保證注漿效果，采取3序施工，分別在12 m，21 m位置增加補孔斷面。

注漿材料選用水泥漿及水泥水玻璃漿或其他漿液，注漿壓力2.0～3.0 MPa，施工中根據現場試驗調整合適的注漿壓力、注漿填充率等注漿參數。為確保施工安全，注漿結束后必須進行鉆孔檢查，檢查孔數量應達到總注漿孔數的10%以上，并滿足規范要求。漿液必須凝結達到設計強度，并取樣驗證確認后，方可進行下一步工作。

圖3 超前半斷面預注漿縱斷面示意(單位:cm)

圖4 超前半斷面預注漿開孔布置示意(單位:cm)

待漿液凝結且達到應有強度以后，采用小導管超前支護，小導管采用φ42 mm、t-3.5 mm熱軋鋼管，長度3.5 m，環向30 cm，縱向間距1.8 m，施工外插角5°～10°。

隧道采用三臺階臨時仰拱法。

3.3 水平旋噴樁方案(圖5、圖6)

圖5 水平旋噴樁加固示意(橫斷面)(單位:cm)

圖6 水平旋噴樁加固示意(縱斷面)(單位:cm)

3.3.1 目的

為了確保施工安全，在粉細砂地層施工前拱部及邊墻開挖線外形成單層加固體，以咬合水平旋噴樁加固為主，必要時輔以小導管注漿。

(1)在隧道開挖前，于掌子面前方構筑拱形剛性體，減輕傳到掌子面和支護上的荷載，控制開挖引起的變形和拱部、掌子面流沙坍塌;

(2)旋噴使地層變成高強度的改良體，支撐上部荷載，控制不良地層的坍塌現象;

(3)使用專門的機械設備和高壓噴射裝置，且能夠控制噴射壓力，使樁體強度能夠滿足設計要求。

3.3.2 加固設計方案

水平旋噴樁布置暫按隧道斷面180°范圍內，長度暫定為15 m，樁徑暫定為600 mm，樁間距暫為400 mm，設計外插角度暫定為3% ～5%(要分孔計算每根樁的偏角和仰角，利用三維坐標，成孔定位達到精確)，每循環搭接3 m;成樁體達到的抗壓強度為0.5～8.0 MPa。

掌子面為確保穩定需設置旋噴樁加固粉細砂地層，掌子面水平旋噴樁按水平方向打設，長度為15 m;一般按隧道斷面等腰三角形布置，主要布置在上臺階位置。

按照“先周邊，后掌子面”順序進行旋噴樁施工，周邊按照每次間隔1個，孔位從下到上或左、右交替進行(跳躍式成樁，兩邊強度平衡，可以減少因鉆桿偏移造成樁間咬合率低的問題)。

4 方案比較

結合現場方案的試驗性施工，各方案比較見表1。

表1 方案分析對比

5 推薦意見及建議

5.1 推薦意見

從表1看出，密排小導管注漿雖然有施工工藝相對簡單成熟、施工機具簡單、施工費用較低的優點，但是基于目前的技術水平、設備狀況，所采用的低壓淺孔密排小導管注漿難以對上白隧道的干燥粉細砂地層起到固結的作用，存在較大安全風險，洞內超前深孔注漿施工費用較高，進度緩慢。因此建議推薦采用能有效控制漏砂、涌砂的洞內超前水平旋噴樁方案。

5.2 建議

結合現場試驗，建議進一步改進設備，加強施工組織管理，提高施工工效，結合現場試驗及國內相關經驗，建議超前支護參數及施工方法如下。

針對上白隧道砂層部位采用超前水平旋噴樁方案堵漏，結合現場試驗，旋噴樁長度宜為15 m左右，樁徑600 mm，樁間距為400 mm，設計外插角度暫定為3%～5%，每循環搭接3 m;成樁體達到的抗壓強度5.0～8.0 MPa;為提高水平旋噴樁抗剪強度，全斷面或者拱部位于砂層地段采用拱部120°水平旋噴樁內插φ89鋼管進行預加固，φ89鋼管環向間距80 cm。掌子面為確保穩定需設置超前預加固樁加固粉細砂地層，掌子面超前預加固樁按水平方向打設，一般按隧道斷面等腰三角形布置，間距2 m×2 m，砂層斷面內布設。

［1］鐵路工程設計技術手冊·隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］TB10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］TZ204—2008 鐵路隧道施工指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［4］TB10121—2007 鐵路隧道監控量測技術規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［5］朱永全，宋香玉.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［6］關寶樹.隧道力學概論［M］.成都:西南交通大學出版社，1993.

［7］關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:中國交通出版社，2003.

［8］陳五二.粉細砂地層隧道水平旋噴樁支護技術［J］.鐵道標準設計，2011(S):136-137.

［9］蒲正林.深孔高壓注漿法在大西客運專線上白隧道穿越砂層中的應用［J］.鐵道標準設計，2011(S):138-140.

［10］劉志剛，趙勇.隧道施工地質技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［11］鐵路工程地質勘察規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［12］張民慶，彭峰.地下工程注漿技術［M］.北京:地質出版社，2008.