隧道快速穿越深厚含礫黏土地層施工技術(shù)

韓利儒

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司,山東 濟(jì)寧 272100)

1 概述

新建貴南高鐵線路地處云貴高原向廣西盆地過(guò)渡的斜坡上，地勢(shì)西北高、東南低，屬侵蝕—溶蝕作用形成的低山峰叢洼地、丘陵地貌。多條隧道工程通過(guò)灰?guī)r夾硅質(zhì)巖(P1m)、灰?guī)r(P1q)為主的可溶巖地層，巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育；其中德慶隧道、新屯一號(hào)隧道部分段落位于土層中，主要為含礫黏土(高液限、弱膨脹)和含黏土礫砂土地層，圍巖穩(wěn)定性差，且因基底土石界面存在土洞及淺部基巖巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，在地下水作用下可能導(dǎo)致基底產(chǎn)生不均勻沉降。因此，施工期突水、突泥、深厚土層工后沉降與施工期間塌方風(fēng)險(xiǎn)防范、運(yùn)營(yíng)期的結(jié)構(gòu)安全的重要難題。

2 主要技術(shù)難點(diǎn)

隧道穿越深厚含礫黏土(砂礫土)層時(shí)，含礫不均勻，圍巖自穩(wěn)性差，極易坍塌，雨季施工巖溶裂隙水增加，施工風(fēng)險(xiǎn)增大。在采用鉆爆法施工主要工法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法等，采用雙側(cè)導(dǎo)洞法施工時(shí)，大斷面隧道轉(zhuǎn)化為小斷面掘進(jìn)，安全系數(shù)較高，但施工工序復(fù)雜，施工組織干擾大，進(jìn)度緩慢；采用三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法施工時(shí)，直接大斷面掘進(jìn)，又存在為了配合機(jī)械化施工，導(dǎo)致上臺(tái)階過(guò)長(zhǎng)、開(kāi)挖高度過(guò)高，施工中變形隱患增多，但從隧道工裝機(jī)械化發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法更有優(yōu)勢(shì)。

3 “三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱+筏板基礎(chǔ)”施工技術(shù)

施工工序斷面圖見(jiàn)圖1，主要支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要支護(hù)參數(shù)表

3.1 開(kāi)挖工法參數(shù)設(shè)定

三臺(tái)階開(kāi)挖工法，臺(tái)階高度和長(zhǎng)度的確定應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工安全、初支及早封閉、空間滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工組織的要求等因素。結(jié)合理論分析，并考慮現(xiàn)場(chǎng)鋼拱架單元?jiǎng)澐帧C(jī)械化工裝施工作業(yè)等因素，開(kāi)挖參數(shù)如下：上臺(tái)階高度5.6 m，中臺(tái)階高度4.4 m，下臺(tái)階高度4.2 m。

深厚含礫黏土(砂礫土)層圍巖自穩(wěn)性較差，為確保開(kāi)挖及樁筏基礎(chǔ)施工過(guò)程的安全，應(yīng)盡可能早地封閉初支，初支封閉距掌子面按35 m控制，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺應(yīng)結(jié)合鋼架間距進(jìn)行確定并不大于1.5 m。

3.2 超前支護(hù)參數(shù)設(shè)定

深厚含礫黏土(砂礫土)層圍巖自穩(wěn)性差，施工中容易發(fā)生溜坍，僅采用超前小導(dǎo)管難以通過(guò)注漿使圍巖條件得以改善并達(dá)到自穩(wěn)的要求，特別是在圍巖含水量得到降雨補(bǔ)給或是圍巖礫砂含量較高的情況下，掌子面極易失穩(wěn)溜坍。采用的超前中管棚加大外插腳小導(dǎo)管注漿的超前支護(hù)措施能取得較好的效果，有效保證開(kāi)挖的安全。具體參數(shù)如下：1)φ76超前中管棚：φ76管棚設(shè)置于隧道拱部范圍內(nèi)，單根鋼花管棚長(zhǎng)9 m，每環(huán)50根，環(huán)向間距40 cm，外插角10°～15°，管棚搭接長(zhǎng)度不小于3 m。注漿材料采用純水泥漿，水灰比0.5∶1～0.8∶1，注漿壓力2 MPa。2)φ42超前小導(dǎo)管：φ42小導(dǎo)管設(shè)置于隧道拱部范圍內(nèi)，外插角3°～5°，單根長(zhǎng)度4.5 m，環(huán)向間距40 cm，縱向間距1.2 m，每循環(huán)50根。注漿材料采用純水泥漿，水灰比0.5∶1～0.8∶1，注漿壓力0.5 MPa～1 MPa。

3.3 初期支護(hù)鋼拱架參數(shù)設(shè)定

通過(guò)單雙層初支結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算分析和從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果分析，初支收斂變形較小，而沉降變形較大，拱墻范圍設(shè)置雙層鋼架，參數(shù)如下：第一層為HW200型鋼鋼架，縱向間距0.6 m/榀，并噴射30 cm厚混凝土；第二層鋼架為Ⅰ22a鋼架，縱向間距0.6 m/榀，并噴射28 cm厚混凝土。按最不利荷載工況，采用荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，并將鋼架按等效剛度的原則進(jìn)行折算，見(jiàn)表2，表3。

表2 單層初期支護(hù)截面強(qiáng)度校核表

表3 雙層初期支護(hù)截面強(qiáng)度校核表

從校核結(jié)果分析，無(wú)論是單層鋼架支護(hù)還是雙層鋼架支護(hù)，均可滿(mǎn)足截面受力要求，安全系數(shù)均大于1。但雙層鋼架相較于單層鋼架，其安全系數(shù)有明顯提升。從變形結(jié)果來(lái)看，雙層鋼架支護(hù)的結(jié)構(gòu)水平收斂值較小，僅為2 mm左右，而整體沉降值較大，拱頂最大沉降15.8 mm，從變形上分析，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況基本一致。從變形規(guī)律、時(shí)程分析，沉降變形主要產(chǎn)生于各臺(tái)階轉(zhuǎn)換時(shí)的工序銜接上，初期支護(hù)整體穩(wěn)定。

3.4 預(yù)留變形量

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果分析，初支水平收斂基本在3 cm～5 cm，變形較小，但沉降變形較大，最大達(dá)到了27 cm，施工過(guò)程中應(yīng)遵循強(qiáng)初支以及早控制圍巖變形為主的原則，不允許圍巖出現(xiàn)較大變形。經(jīng)過(guò)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力檢算，其強(qiáng)度和剛度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此，后續(xù)段落預(yù)留變形量仍維持原30 cm的方案，同時(shí)加強(qiáng)初支鋼架的鎖腳措施以控制鋼架整體沉降。

3.5 臨時(shí)支護(hù)

本工法中的臨時(shí)支護(hù)措施包含臨時(shí)仰拱及掌子面的臨時(shí)封閉。臨時(shí)仰拱包括中臺(tái)階臨時(shí)仰拱和下臺(tái)階臨時(shí)仰拱，其參數(shù)如下：中臺(tái)階臨時(shí)仰拱采用Ⅰ22a工字鋼并噴射28 cm厚混凝土，鋼架間距同拱墻初支鋼架間距；下臺(tái)階臨時(shí)仰拱采用Ⅰ22a工字鋼并噴射50 cm厚混凝土施作可保證初支整體成環(huán)，同時(shí)保證樁基施工過(guò)程中初期支護(hù)的穩(wěn)定性，為避免后續(xù)樁基施工時(shí)對(duì)臨時(shí)仰拱鋼架的拆除，下臺(tái)階鋼架間距應(yīng)預(yù)留樁基施作空間并噴射50 cm厚混凝土，同時(shí)在各臺(tái)階兩側(cè)腳部及拱頂設(shè)置7處縱向拉通焊接槽鋼，加強(qiáng)鋼架整體連接。同時(shí)每循環(huán)應(yīng)噴射混凝土封閉掌子面，對(duì)洞口淺埋段上中臺(tái)階均噴射15 cm厚混凝土。

3.6 筏板基礎(chǔ)施工技術(shù)

Ⅴc型復(fù)合(樁筏基礎(chǔ))襯砌類(lèi)型，其關(guān)鍵施工工序?yàn)椋洪_(kāi)挖(含預(yù)加固)及支護(hù)、地質(zhì)補(bǔ)勘、樁基施工、筏板施工、二襯施工五大工序。

樁筏基礎(chǔ)參數(shù)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、現(xiàn)場(chǎng)施工條件及經(jīng)濟(jì)合理三個(gè)方面進(jìn)行確定，結(jié)構(gòu)受力包含筏板承載力、樁基承載力、基巖承載力三個(gè)方面；現(xiàn)場(chǎng)施工條件滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)備洞內(nèi)作業(yè)空間，樁徑和樁距布置應(yīng)便于組織施工，筏板的尺寸應(yīng)與襯砌臺(tái)車(chē)尺寸相匹配，便于一次性澆筑成型。

筏板尺寸為13.7 m×12 m×2.5 m(橫×縱×厚)，旋挖鉆機(jī)洞內(nèi)施工需要9 m高度的作業(yè)空間，橫斷面邊樁應(yīng)在隧道中線兩側(cè)6 m范圍內(nèi)。1.25 m樁徑基礎(chǔ)布置方案(橫向2 m+4 m×2+2 m，縱向1.6 m+3.5 m×3+1.6 m)。

樁筏基礎(chǔ)受力檢算：檢算基于以下幾個(gè)前提：樁筏基礎(chǔ)均為線彈性體，各類(lèi)荷載均勻作用在筏板上，樁周土對(duì)樁基不提供約束，樁筏基礎(chǔ)無(wú)水平荷載，樁基為軸心受壓。

樁筏基礎(chǔ)段基底為松散的含礫黏土，不考慮樁周土對(duì)樁的作用，將樁基視為端承樁，樁筏基礎(chǔ)承擔(dān)隧道結(jié)構(gòu)自重、列車(chē)荷載及圍巖豎向壓力。其中，結(jié)構(gòu)自重及列車(chē)荷載均為定值，圍巖豎向壓力隨埋深增大而增大，參考塌落拱理論，圍巖豎向壓力最大值為深埋工況取33 m土柱高度。對(duì)于端承樁而言，在承擔(dān)一定荷載的基礎(chǔ)上，樁基長(zhǎng)度越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)越不利，取最長(zhǎng)樁基長(zhǎng)度40 m進(jìn)行計(jì)算。由此可知，樁筏基礎(chǔ)的最不利工況組合為樁長(zhǎng)40 m，圍巖壓力33 m土柱高度。

襯砌結(jié)構(gòu)自重：18.18×26=472.68 kN/m。

筏板自重：13.7×2.5×26=890.5 kN/m。

樁身自重：3.14×1.25×1.25/4×40×26=1 275.63 kN/根。

列車(chē)荷載：20×15=300 kN/m。

圍巖壓力：33×20×15=9 900 kN/m。

采用ANSYS有限元計(jì)算軟件建立樁閥基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型，經(jīng)計(jì)算分析得到結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力如圖2所示。

內(nèi)力結(jié)果為：樁身最大軸力為14 500 kN，筏板橫向最大彎矩1 990 kN·m，筏板縱向最大彎矩858 kN·m。

單樁承載力：參考TB 10093—2017鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范式6.2.2—4，嵌入基巖的鉆孔樁按基巖承載力確定的單樁軸向容許承載力為：

[P]=R(C1A+C2Uh)=30×103×(0.3×3.14×1.25×1.25/4+0.02×3.14×1.25×2)=15 749 kN。

參考JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范，按樁身材料強(qiáng)度確定的單樁容許承載力為：

Q≤ΨcfcA=0.9×23.4×103×3.14×1.25×1.25/4=25 831 kN。

則單樁容許承載力取15 749 kN，因此：

P=14 500 kN<15 749 kN，滿(mǎn)足要求。

筏板抗彎強(qiáng)度：筏板按雙向受彎的板進(jìn)行配筋，根據(jù)筏板內(nèi)力，計(jì)算得筏板配筋沿線路方向?yàn)?5@100，垂直于線路方向?yàn)?5@100。

4 淺埋段地表注漿施工技術(shù)

注漿區(qū)域加固范圍為豎向洞頂以上8 m至底板處；橫向加固范圍為開(kāi)挖輪廓線外5 m。注漿孔平面按間距1.5 m×1.5 m等邊三角形布置。

采用袖閥管后退式分段多次注漿，袖閥管采用外徑為76 mm，壁厚3.5 mm的鋼管加工制作，每節(jié)長(zhǎng)度4 m～6 m，管節(jié)間連接采用直徑89 mm鋼管插管滿(mǎn)焊連接，外插管接頭長(zhǎng)度50 cm。袖閥管段設(shè)置直徑8 mm溢漿孔，每斷面均勻布置3個(gè)溢漿孔，溢漿孔斷面間距為75 cm，底端10 cm加工成尖錐狀利于下入，在不注漿段管體與孔壁間設(shè)置套殼料，施作時(shí)在不加固段末端以上30 cm范圍纏繞麻絲柱塞，然后下管到位后灌注套殼料。套殼料用膨潤(rùn)性粘土和水泥漿液攪拌而成。具體注漿參數(shù)預(yù)設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 注漿加固參數(shù)表

加固完成14 d后，要求在不同位置(具有代表性處)鉆孔取芯試驗(yàn)，至少做3組以上試驗(yàn)，每組試驗(yàn)不少于3個(gè)孔。加固后土體的力學(xué)參數(shù)應(yīng)達(dá)到：變形模量不小于1.5 GPa；內(nèi)摩擦角不小于40°；粘聚力大于0.2 MPa，泊松比不大于0.35，后續(xù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)情況及注漿效果，由地質(zhì)專(zhuān)業(yè)開(kāi)展土工試驗(yàn)，確定最終力學(xué)參數(shù)。注漿加固達(dá)到要求以后方可進(jìn)行暗洞施工。

5 監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)工作是隧道穩(wěn)定性判斷的重要依據(jù)，主要技術(shù)手段有：1)拱頂下沉監(jiān)測(cè)、水平收斂監(jiān)測(cè)、斷面凈空收斂監(jiān)測(cè)，依此判斷隧道圍巖的變形趨勢(shì)，為合理預(yù)留變形量提供數(shù)據(jù)支持和二次襯砌提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī)；2)圍巖壓力應(yīng)變量測(cè)、鋼架內(nèi)力應(yīng)變量測(cè)、噴射混凝土內(nèi)力應(yīng)變量測(cè)，獲取圍巖施加于支護(hù)背后的壓力水平、鋼架和噴射混凝土受力情況，推斷初期支護(hù)安全性，確保施工安全。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本線多條同類(lèi)型隧道的試驗(yàn)段統(tǒng)一布置、數(shù)據(jù)共享，以及在淺埋段地表袖閥管注漿施工技術(shù)、“三臺(tái)階+臨時(shí)仰拱+筏板基礎(chǔ)”施工技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?yōu)化，主要得出結(jié)論如下：1)在隧道穿越深厚含礫黏土(砂礫土)層時(shí)，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，施工工序銜接、施工組織優(yōu)化起到重要作用，三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，施工工序簡(jiǎn)單易實(shí)施、機(jī)械化配置程度高，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程“快挖、快支、快封閉”的原則,從而實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)挖,快速通過(guò)的處理方案，成本控制、掘進(jìn)速度、安全性均有較大優(yōu)勢(shì)。2)多重手段的隧道監(jiān)控量測(cè)是本施工技術(shù)的參數(shù)設(shè)定的重要數(shù)據(jù)支撐，是保障人員安全、施工安全的重要前提。3)筏板基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究是穿越深厚含礫黏土(砂礫土)層隧道的重要組成部分，是保證高速鐵路后期運(yùn)營(yíng)安全性的技術(shù)核心。該技術(shù)將鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)極大的降低了道床對(duì)隧道基床承載力的影響，對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。