高速鐵路隧道軟弱圍巖地段進洞方案比選與實施方案

范榮

【摘 要】 本文通過工程實例，對隧道軟弱圍巖地段進洞方案在工藝原理、地形地貌及地質條件、施工難易程度、圍巖加固效果、沉降穩定及安全性等方面進行了較為詳細的對比分析，并簡要介紹了所采用的進洞方案施工方法及施工工藝，供類似工程參考。

【關鍵詞】 高速鐵路；隧道；軟弱圍巖；進洞方案；比選與實施

1 前言

高速鐵路隧道必須根據進洞地形地貌及地質條件、施工難易程度、圍巖加固效果等進行綜合分析，確定安全性強、沉降小、工藝方法和施工質量易控制的軟弱圍巖地段進洞方案，才能確保隧道施工質量和安全進洞要求。

2 工程概況

京福鐵路客運專線安徽段金鍋嶺隧道位于安徽省黃山地區歙縣北側約6km，隧道進口里程為DK285+093.8，出口里程為DK288+280，隧道全長3186.2m，其中Ⅱ級圍巖680m（占21.34%），Ⅲ級圍巖487m（占15.28%），Ⅳ級圍巖560m（占17.58%），Ⅴ級圍巖1459.2m（占45.80%）。最大埋深約148.5m，線路所經地區地貌主要為剝蝕低山丘陵區，山勢延綿，起伏較大，植被發育。隧道設計為單洞雙線隧道，進口段位于曲線上，出口位于直線上，全隧道單坡，坡度為12‰，隧道按噴錨構筑法設計、施工，初期支護為采用錨、噴、網和鋼架，根據不同的圍巖情況采用不同的組合，二次襯砌采用耐久性抗腐蝕砼，防水等級為一級。由于金鍋嶺Ⅳ、Ⅴ級圍巖占隧道總量的63.38%，圍巖破碎，為工期控制性工程。

金鍋嶺隧道出口段DK288+251～DK288+221段地表Qel+dl粉質黏土，下伏晚侏羅紀γ53（1）強風化侵入花崗巖呈碎塊狀，且存在嚴重偏壓，地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，較發育。洞口段圍巖及埋深情況見圖1所示。

3 擬采用的進洞方案比選

金鍋嶺隧道出口擬采用水平定向旋噴樁、洞口長管棚進洞方案，現對兩種進洞方案進行對比分析。

（1）工藝原理對比分析

洞口長管棚：在洞口Ⅴ級及以下圍巖，無自穩能力、地表存在重要構筑物或者地表沉降要求高的地段，拱頂支護可以施作洞口段長管棚。洞口段長管棚與導向墻配合使用，在導向墻施作完畢后，沿隧道正線方向打設一環洞口段長管棚并進行注漿，對洞口段圍巖進行加固，從而保證隧道安全進洞。

水平定向旋噴樁：在富水軟弱松散土層、淤泥、淤泥質土、砂質地層塌方等地段，拱頂支護可以采用水平定向旋噴樁。采用水平定向旋噴鉆機打設預導孔，預導孔打設到設計長度后旋轉回撤鉆桿，在回撤鉆桿的同時，將配制好的水泥漿液通過鉆桿噴射到土體中。樁體之間相互嚙合，在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，使掌子面的穩定性得到提高。

從工藝原來來看兩種進洞方案均可用于自穩能力較差地段。

（2）地形地貌及地質條件對比分析

金鍋嶺隧道出口進洞圍巖破碎且線路右側存在嚴重的偏壓，若施作洞口長管棚不僅使洞口拱頂全風化花崗巖板結成整體并形成梁效應有效增強了圍巖的自身穩定性以及抗剪力，保證隧道的進洞安全；若施作水平定向旋噴樁可以使洞口拱頂段圍巖板結并相互嚙合，但抗剪能力明顯不如長管棚施工。

從以上分析來看，存在嚴重的偏壓且圍巖破碎的隧道口優選長管棚進洞。

（3）施工難易程度對比分析

在全風化花崗巖地段，施作洞口長管棚需要15d，而施作水平定向旋噴樁需要30d。水平定向旋噴樁施工工期長主要原因：a、受圍巖實際情況影響較大，在碎塊狀巖石較多的地段，水平旋噴鉆機難以掘進；b、埋深較淺，最淺處埋深不足2m，為了防止漏漿，可能需要在埋深較淺的一側進行加固。

由于金鍋嶺隧道為工期控制性工程，選擇洞口長管棚明顯優于水平定向旋噴樁。

（4）圍巖注漿加固效果對比分析

洞口長管棚：a、漿液在巖體內擴散受巖體節理和層理等影響，擴散成脈狀，擴散和加固范圍不均勻； b、由于注漿后有一定的自穩能力，水流沖刷不易造成大規模的突水突泥。

水平定向旋噴樁：a、漿液通過鉆桿與土體強制攪拌，擴散和加固范圍均勻；b、雖然在鉆口附近嚙合較好，但是在鉆機鉆入后由于存在碎塊狀的巖塊，不可避免的會出現鉆機打入角度誤差較大的情況，這樣就導致了旋噴樁之間的嚙合力不滿足要求，進而影響了該處圍巖的自穩能力。

從加固效果來看，若選用注漿經驗豐富的隊伍可以保證注漿質量，采用長管棚施工優于水平定向旋噴樁施工。

（5）沉降穩定性對比分析

長管棚通過長管棚：通過長管棚對周邊圍巖進行注漿加固提高了圍巖自身的強度；由于長管棚布置在前面圍巖以及導向墻的型鋼上，形成了梁效應，并且有效的分擔了拱部及邊墻圍巖的應力。從圍巖受力降低以及圍巖自身強度提高兩個方面大大降低了隧道拱頂以及邊墻的沉降變形量。

水平定向旋噴樁提高了圍巖自身的強度，可以降低隧道的沉降變形量。

當洞口段圍巖完成初期支護時：由于長管棚對圍巖受力進行了分擔，圍巖自身應力并未全部作用于初支，而施工水平定向旋噴樁時受力并未降低，圍巖自身作用力通過水平定向旋噴樁仍將全部作用于初支，因此從沉降穩定性來看，選擇長管棚優于水平定向旋噴樁。

（6）安全性對比分析

從圍巖注漿加固效果對比分析以及沉降穩定性對比分析來看，選擇洞口長管棚施工明顯優于水平定向旋噴樁。

（7）成本對比分析

經過估算，導向墻施工約為2.2萬元，長管棚施工約30.6萬元，合計約32.8萬元。

經過估算，水平定向旋噴樁施工約為25.7萬元。

從成本對比分析來看，優選水平定向旋噴樁。

結論：通過方案比選我們可以看出，雖然長管棚施工也存在一定的缺點，比如需要施作導向墻、價格略高，但是對于晚侏羅紀γ53（1）強風化侵入花崗巖呈碎塊狀，地下水較發育，且偏壓嚴重的地段，相對于水平定向旋噴樁施工工期、注漿加固效果以及控制沉降等方面具有更加明顯的優勢，故在此處按照洞口段長管棚施工。

4 長管棚進洞施工方法及工藝

（1）設計參數

導向墻采用C20混凝土，截面尺寸為1m×1m，布置在拱部140°范圍，環向長度約19.5m，內設兩榀Ⅰ18輕型工字鋼架，鋼架外緣設Φ140壁厚5mm長1.4m的導向鋼管，環向間距為40cm共47根，鋼管與鋼架焊接。管棚從導向鋼管內穿過，采用Φ108壁厚6m熱軋無縫鋼管，節長4～6m，每孔的總長度為30m，環向間距為40cm共47根，長管棚注漿采用1：1水泥漿液，注漿壓力0.5～2.0MPa。導向鋼管布置如圖2所示，長管棚布置如（圖3）所示：

（2）機械設備配置

洞口段長管棚施工需要的主要機械設備：XY-2PCG地質鉆機兩臺，L-22/7空壓機兩臺，BW-250/50型注漿泵兩臺，630KVA變壓器一個，全轉儀一臺，水準儀一臺。

（3）施工工期

采用兩臺地質鉆機同時施工，從開始鉆孔到最后注漿完畢共用時15天。

（4）施工方法

施工時的順序主要為：放樣導向墻設置輪廓線→設置長管棚導向墻 →施鉆→頂管→止漿墻施作→注漿。

（5）長管棚應用實際效果

a、優化了注漿設計

在導向墻施作完畢后首先在1#孔處進行了鉆孔，同時對鉆機鉆進時的鉆進速度、沖洗液顏色和流量變化、卡鉆里程、突進里程、沖擊器聲音的變化進行了記錄，并對記錄進行分析，預測前方地質情況，結果發現鉆孔時鉆進存在卡鉆，沖洗液顏色為灰色且夾雜少量花崗巖石粒，鉆孔內有水滲出但流量較小等情況，預測前方30m的地質情況為：以強風化和全風化的花崗巖為主，巖體破碎，地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，較發育。

在現場進行注漿之前我們進行了注漿試驗，為了能滿足擴散半徑的要求，我們分別取了粘土層試樣、斷層破碎帶試樣以及嚴重風化試樣進行了注漿試驗。通過試驗，我們獲取了施工所需要的注漿參數，具體參數見（表1）：

根據圍巖的實際情況我們對注漿量進行了優化，由表2可以看出單根鋼管注漿量在嚴重風化帶處要比斷層破碎帶少0.55m3比粘土層少1.7m3。因此預測出圍巖實際情況為嚴重風化帶將大大降低注漿量，節約成本。

b、注漿效果

對檢查孔進行了孔內攝像，從攝像資料可以明顯看到前方破碎巖層被漿液充填，自穩能力較強。檢查孔內成像圖片如圖4所示：

注漿完畢后，在開挖輪廓線附近進行了取芯，芯樣呈短柱狀，破碎巖層已經被水泥漿液固結，漿液充填飽滿，加固效果明顯。

金鍋嶺出口段采用洞口段超前長管棚，能夠滿足安全開挖的要求。

5、結束語

對于類似地表粉質黏土自穩能力較差，下伏強風化花崗巖呈碎塊狀，存在嚴重偏壓，且地下水較發育的隧道，進洞方案的選擇直接關系到安全進洞、工期要求、效益和環保等。通過金鍋嶺隧道出口長管棚進洞的成功實施，我們深刻認識到在處理類似問題時，首先要對各種方案進行詳細的分析和對比，只有確定合理的施工方案，才能“安全優質高效”的完成各項施工。