淺埋回填土質高速鐵路隧道控制變形技術研究

溫平

摘要：近年來，我國的交通事業得到了飛速的發展，在高速鐵路建設中，經常會出現穿越回填段的情況。土質隧道變形問題均沒有列入隧道設計施工規范，設計圖中往往因支護參數偏低，施工中常常因對隧道沉降變形疏忽，經常造成襯砌厚度不足，嚴重的造成塌方，需返工處理，加重工期壓力，另外造成大量的成本流失。在本文中，將就淺埋回填土質高速鐵路隧道控制變形技術進行一定的研究，并提出預防淺埋回填土質鐵路隧道施工變形和地表沉降的工法和相應的技術措施，最后通過工程案例驗證該工法的實效性，以期為同類工程提供有參考價值的技術資料。

Abstract： In recent years， China's transportation industry has been rapid development， and in the construction of high-speed railway， there will be a lot of backfill. The deformation of soil tunnel is not included in the tunnel design and construction specifications. The low supporting parameters in the design and the negligence of the tunnel deformation settlement often cause insufficient lining thickness， resulting in serious landslides， which needs to rework， increasing the pressure on the construction period， in addition to a large number of cost losses. This paper studies control technology of high-speed railway tunnel with shallow backfill soil， and puts forward the method of preventing the construction deformation and surface settlement of high-speed railway tunnel with shallow backfill soil， finally verifies the effectiveness of the method through the engineering case， in order to provide technical information with reference value for similar projects.

關鍵詞：淺埋回填土質；高速鐵路；隧道控制變形技術

Key words： shallow backfill soil；high-speed railway；tunnel control technology

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0100-03

0 引言

淺埋回填土隧道所處地質層松軟，隧道在開挖過程中，開挖進尺以及對注漿壓力的控制比普通隧道工程難度系數較高，控制不當極易造成地表變形，甚至引起嚴重的地表沉降，因此在施工中必須實時監測地表沉降情況，根據沉降監測數據適時調整工法、參數，以防因地表沉降引起隧道塌方等施工事故。

本文首先分析淺埋土質隧道開挖施工中的變形的成因，并提出預防施工變形和地表沉降的工法和相應的技術措施，并通過工程案例驗證該工法的實效性，以期為同類工程提供有參考價值的技術資料。

1 淺埋土質隧道施工時遵循的原則

土質隧道采用新奧法施工時，會遇到初期支護收斂變形大圍巖難于穩定的問題。在設置二次襯砌后還會出現襯砌開裂現象。這些問題在淺埋土質隧道中更為常見。因此加強施工變形和地表沉降的監測與控制，是確保淺埋土質隧道順利完工的必備措施。另外，淺埋土質隧道在施工中還必須遵守一些工法原則：第一，根據新奧法原理施工，做好信息反饋，以此作為施工指導的原則，為設計變更提供依據；第二，對超前地質預報引起重視，將其作為施工當中的關鍵原則；第三，按照“早支護、早成環、勤量測”的方式開展工作；第四，對洞內施工用水管理引起重視，做好洞內的排水以及防水工作；第五，增加設備方面投入，提升施工的專業化以及機械化水平。保證施工方法同施工機械間的配套性，在現有基礎上實現優化配置。

2 淺埋回填土質隧道變形分析

在隧道工程不斷建設的情況下，有很多隧道存在不同復雜地質條件集合在一處的情況。當在施工當中遇到淺埋隧道時，圍巖將發生同普通土質隧道、淺埋隧道不同的圍巖變形情況。在淺埋回填土隧道中，其圍巖變形情況主要有：

第一，在隧道開挖當中，需要對隧道監控量測這項工作引起重視。在隧道開挖中，洞內將具有較大的地表沉降量以及下沉量，對此，在實際隧道挖掘當中就需要能夠對監控量測引起重視，以科學控制方式的應用避免出現變形情況；第二，在注漿當中做好對周邊環境的檢測。在使用注漿工藝對回填土段進行處理時，如果注漿壓力較大，雖然也能夠對土層進行改善，但很可能因此導致地表發生不均勻沉降情況，避免因此危害到道路以及建筑物；第三，對于控制變形，可以使用地表沉降以及洞內注漿兩種方式處理。當以旋噴樁以及地表注漿方式處理后，地表下沉情況將減小，但在地表變形控制方面則存在不是很明顯的情況；第四，從監測數據角度分析，隧道開挖工作將對地表沉降產生超前影響，其范圍為25m左右，且超淺埋軟土層地段超前范圍同普通地層地段相比要大。該種情況的存在，即表明隧道沉降同地層條件以及隧道埋深都具有十分密切的聯系，即地表沉降量在增大后，其通常為普通埋段的2-3倍。

3 隧道控制變形的注漿方法

目前通用的注漿加固技術主要有三種，分別是二重管注漿加固技術、袖閥管注漿加固技術、鋼管注漿加固技術和小導管注漿加固技術。

3.1 二重管注漿

在該注漿方式中，其在將土顆粒當中存在裂隙擠出之后截斷水路，化學漿液通過劈裂以及擠壓方式的應用對土質當中的空隙進行了填實，并使土體固結，使土層內摩擦角以及粘聚力在增大的情況下增加土體固結強度，在對土層當中空隙充填之后實現地層透水性的降低，實現堵水加固的作用。

3.2 袖閥管注漿

在該方式中，即在壓力作用下通過袖閥管的應用將化學漿液滲入到地層當中，在土體當中使漿液形成固結體的情況下起到地層加固以及水路截斷的作用。在以該方式操作中，橡膠圈具有類似于閥門的作用，當注漿壓力較大時，橡膠圈將脹開，漿液從泄漿孔當中進入到地層當中，而如果停止注漿、或者注漿壓力較小，則能夠對袖閥管起到封堵的作用，避免水或者泥土進入到其中。

3.3 鋼管樁施工

為了避免在打樁當中圍墻或者臨樁出現較大的變位以及位移情況、使施工具有更為便利的特征，則需要按照先中間后外圍的方式處理，以此利于減少擠土，能夠對打樁入土方面的需求進行滿足。同時，需要做好放樣樁以及場地處理方面的協調。其具體工藝為：

第一，根據設計要求做好打孔準備，準備注漿，包括有漿液材料的配置以及注漿機調試等；第二，在隧道兩側邊墻外5cm位置通過地質鉆機的應用做好鋼管樁注漿孔的鉆進，之后插入鋼管樁，按照梅花方式做好注漿孔的布設；第三，做好理論注漿量的計算，之后做好鋼管的間隔注漿，在達到用量要求之后，再繼續進行1min的持續注漿；第四，為了避免出現地下水滲入以及漿液流失的情況，在封閉注漿孔時，要使用具有更高一級的砂漿材料做好封堵。

3.4 小導管注漿

該注漿方式使用的目的，即對拱強位置進行開挖超前預加固，保證支護的安全性。在該注漿中，其范圍包括有上臺階換拱段開挖前的超前支護以及換拱段下臺階開挖前的超前支護。其施工方法為：

第一，測量放樣。在換拱輪廓線上根據環向間距0.4m對小導管孔進行布設并做好標示；第二，鉆孔。使用氣腿式鑿巖機進行鉆孔，外插角控制在5至10°；第三，導管加工。將每一根導管加工成4.5m長度，并將其前端加工成錐形，按照交錯的方式做好泄漿孔的設置，便于漿液向土體當中壓注；第四，孔口密封以及導管插入處理。當成孔之后，將鉆桿轉換成專用頂頭，并將導管頂入到其中，保證其頂入長度為鋼管長度的95%，頂進孔后其外壁與孔壁間隙采用錨固劑堵塞嚴密；第五，使用KY70/80注漿機壓注，將壓力控制為0.8MPa，根據現場試驗做好注漿參數的調整。

4 工程實例

我國南部某隧道工程，正線長2496m，采用地下三個分修方案。該隧道下穿機場車站，地表有較多建筑物，地下有水管以及輸油管線。在具體使用中具有較大的風險以及較差干擾，且在電磁屏蔽方面存在特殊要求，按照I級隧道管理施工。地質方面，地形地質條件較復雜，構造較發育，碳酸鹽巖分布廣泛，不良地質發育，地質災害發生較頻繁且類型眾多。

本工程在注漿工法上，最初采用的是小導管注漿加固工法，但隧道變形并未得到有效控制，繼而采用袖閥管同小導管注漿工法，但同樣收效甚微。經過討論，最終采用二重管注漿工法，地表變形得到了有效控制。以下是二重管注漿工藝的具體介紹。

4.1 二重管注漿工前分析

目標段邊墻拱腳位置為雜填土，具有較高的含水量，偏軟塑狀，在完成初期支護后，鋼架基礎不夠堅實，以此容易使初期支護出現開裂以及變形的情況。二重管雙液注漿是一種對地層進行改良為目標的處理技術，其優點即能夠在實現地層強度增加的情況下止水，并通過對漿液水灰比的調整實現土層當中富余水分的置換，以此起到快速加固作用。

4.2 二重管注漿工藝流程

按照圖1所示注漿加固流程進行施工。施工中，需要重點把握的工藝內容有：

第一，現場做好施工測量放線工作，并對注漿孔進行內部核對以及放樣處理，在測量后，在每一個注漿位置通過竹簽的應用做好標記，如果發現存在障礙物，則需要提前進行處理；第二，安裝鉆機，根據注漿孔角度以及設計孔位做好鉆機鉆進角度以及位置的調整；第三，打設注漿孔，當注漿孔打設到位之后退出鉆具進行袖閥管的安裝，并保證其安裝在孔的中間位置；第四，注套殼料。沿著袖閥管將注漿管外側送到孔底位置，通過泥漿泵的應用向孔內注入套殼料直至注滿，并使材料能夠滿注在套管四周位置；第五，當套殼料完全凝固之后，則開始注漿處理，具體注漿按照分段方式進行，即在將注漿器輸送到袖閥管底位置后進行后退式注漿，每次長度在40cm左右，直至將整根袖閥管注滿位置，在注漿過程中，要保證每次跳開一個孔注漿。

4.3 注漿參數布置

第一，注漿孔按照梅花形布置，在施工中，時刻根據注漿情況做好注漿孔的調整。注漿孔深度為4m，為了保障土層厚度在2.5m以上，能夠較好的起到超前支護作用，在實際鉆孔中外插下傾處理，保證外插角在41-44°范圍內，下傾角在7-9°范圍內；第二，要做好注漿壓力的控制，保證其在0.5-1MPa以內。在注漿活動開始時，要根據地層情況以較小的壓力注漿，當其退到孔口位置時封孔注漿，通過漿液材料特性實現封孔該處理，使漿液能夠充分進行到土層當中。在注漿過程中，要嚴格做好注漿壓力的控制，并做好壓力表的密切關注，如果從側壁溢漿、或者壓力突然增大，則需要及時停止注漿，在做好原因查找后通過重新封堵或者注漿參數調整的方式及時處理。

4.4 變形控制成果

本工程最初采用的小導管注漿工法以及袖閥管同小導管注漿工法的加固效果一般，地表沉降變形并未得到有效控制。兩次注漿工法的變形控制效果如下：

4.4.1 小導管注漿加固效果

第一次以小導管注漿后，洞內沉降變化如圖2所示。

從圖2可以了解到，在以小導管方式進行注漿時，并不能夠對變形進行進行有效的控制，沉降量已經達到180mm左右，即已經超出了設計值，并因此對隧道的開挖產生了影響。在隧道式超淺埋的情況下，該方式并沒有對隧道變形情況進行有效的控制，此時，施工單位對施工方案進行了改變，以小導管同袖閥管注漿的方式處理。

4.4.2 袖閥管同小導管注漿

圖3為袖閥管同小導管注漿效果，從圖3可以了解到，該方案也沒有達到預期目標，洞內沉降量依然處于較大的值，在350mm左右，甚至出現使變形擴大的情況。經過在現場對雜填土力學性能分析，根據試驗檢測可以了解到，該洞中雜填土的含水率為35%，原狀土含水率為27%，具有較高的含水量以及較大的塑限、液限指標，而根據設計漿材以及壓力進行注漿，也沒有實現土層當中水分的置換，并因此使注漿沒有達到預期結果。由于該土層超淺埋段最深位置僅僅為5m，通過地表注漿方式的應用，不僅沒有獲得預期結果，甚至出現對覆土層厚度增加的情況。

4.4.3 二重管注漿效果

經過嚴格的技術控制，注漿后地表變形得到了有效的控制。從圖4所示圍巖收斂位移監測結果來看，拱頂最大沉降量減小，最大拱頂沉降在22mm左右，對隧道開挖過程中發生的變形情況實現了有效的控制。之所以獲得該種效果，經過研究發現，原狀土具有85%的含水率，原狀土防水率接近飽和狀態。

由此可見，二重管雙液注漿加固工法有效改良了土質，大大增強了地層強度，從而達到了止水效果。通過該方式的應用，能夠對換土層當中的富余水分問題進行有效置換，以此形成對土體的快速加固作用，且能夠在保證鋼架拱腳處于堅硬狀態的情況下減少初期支護下沉變形情況的發生。

5 結束語

目前，土質、軟巖隧道變形問題均沒有列入隧道設計施工規范，設計圖中往往因支護參數偏低，施工中常常因對隧道沉降變形疏忽，經常造成襯砌厚度不足，嚴重的造成塌方，需返工處理，加重工期壓力，另外造成大量的成本流失。本文的工程案例中隧洞內圍巖變形控制效果充分說明二重管注漿工法是控制圍巖變形的有效工法，在同類工程中具有較好的應用價值。在我國交通事業不斷發展的今天，更多的隧道工程得到了建設。在上文中，我們以某實例的方式對淺埋回填土質高速鐵路隧道控制變形技術進行了一定的研究。在實際工程施工中，需要充分聯系實際情況做好技術的選擇與應用，以此保障隧道工程建設質量。

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