公路穿越碎石雜填土淺埋段設計方案比選及處治研究

閆立來

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著山嶺區隧道修建得越來越多，隧道穿越碎石雜填土層的情況也越多，碎石雜填土成分、粒徑復雜，具有固結時間短、結構相對松散、承載能力差、變形大等特點。如何根據碎石雜填土特點選擇經濟合理的處治措施是眾多學者研究的關鍵問題。

目前在隧道工程建設中，對于碎石雜填土等破碎圍巖體淺埋地段，通常采用地表注漿加固的方法進行加固處治，通過漿液固結周圍松散土體，從而提高巖土體的強度和整體性，確保工程施工安全。李世麟、楊洪譽、張志強等研究了城市人工雜填土隧道圍巖穩定及支護力學特性[1]，形成了一套關于雜填土的理論體系和科學的施工方法。韓立軍、宗義江、韓貴雷等對破碎巖體結構面注漿加固效果的影響因素進行了研究[2]，揭示了注漿對結構面力學性能的作用規律。許宏發、耿漢生、李朝普等總結出破碎巖體注漿加固體強度估計經驗公式和增長理論[3]。

本文以山西省祁縣至離石高速公路穿越石料廠碎石雜填土區淺埋段為依托，從穿越區地形、地貌及碎石雜填土工程特性分析出發，進行多方案比選，確定出公路穿越碎石雜填土區域的最優設計方案，以此指導設計和施工。

1 工程概況

山西省祁縣至離石高速公路是山西省高速公路網規劃“三縱十二橫十二環”中第七橫線的重要組成部分，東接榆祁高速（S60）及京昆高速（G5），西接呂梁環城高速進而連接青銀高速（G20）。西社隧道為本項目的一座分離式中隧道，隧址區為褶皺斷塊溶蝕剝蝕中低山區，基巖裸露，少有覆蓋層，隧道圍巖主要以奧陶系馬家溝（O2m）灰、深灰色石灰巖夾薄層泥灰巖為主，灰巖層理交錯發育，地層呈單斜狀，地質構造較為穩定，水文地質條件較為簡單。

西社隧道洞身在左線ZK34+140—ZK34+192（右線K34+160—K34+220）范圍穿越一石料廠碎石雜填土區淺埋段，隧道左線洞頂凈埋深13.5～15.0 m，右線洞頂凈埋深9.5～12.5 m，目前隧道穿越區上方主要為石料廠機制石子堆放區和生活區。隧道與石料廠位置關系平面圖如圖1所示。

圖1 隧道與石料廠位置關系平面圖

根據現場地質鉆探取樣揭示：0～14 m范圍內主要為石料廠堆渣，成分為灰巖小石子、石粉、采石場開挖棄渣土等，呈棱角狀，粒徑2～4 cm，中夾較大灰巖碎塊；14～16 m范圍主要為碎石土，成分為砂礫石、破碎灰巖碎石、粉質黃土等，呈次棱角狀；16～25 m范圍為馬家溝組（O2m）全-強風化灰巖組成。隧道穿越石料廠地質縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道穿越石料廠地質縱斷面圖

2 設計方案優缺點比選

對于路線穿越石料廠路段，在設計過程中從路塹方案、明挖隧道方案、暗挖隧道方案3種方案進行比選。

2.1 路塹方案比選

a）優點 施工簡單、進度快，造價低等。

b）缺點 （a）本段山溝內路塹挖深在18.5～23.0 m之間，季節性的洪水無法順溝排放，直接流入路線左線路塹內，對公路安全存在重大隱患；（b）路塹邊坡及隧道的仰坡高，占地多，防護量大；（c）石料廠被占用，賠償費用高。

2.2 明挖隧道方案比選

a）優點 施工簡單、進度快，造價相對路塹方案高等。

b）缺點 （a）邊仰坡高，占地多，防護量大；（b）隧道洞頂回填高度根據隧道結構特性一般控制在5.0 m以下，致使隧道洞頂回填后形成一塊洼地，季節性的洪水無法順溝排放，增加隧道安全隱患；（c）石料廠被占用，賠償費用高。

2.3 暗挖隧道方案比選

a）優點 對地表影響小，不需要對石料廠進行征拆，不占地。

b）缺點 （a）該段淺埋淺、土體成分粒徑復雜、空隙率大、固結時間短、黏結強度低、整體性差等特點，需進行加固處理；（b）可能會引起塌方、冒頂、人員機械受損等事故；（c）造價相對高、施工進度慢。

設計過程中根據以上3種方案的優缺點，并結合造價對比、環境影響和后期公路運營安全等方面分析，確定地表注漿加固暗挖隧道施工設計方案為符合本項目的最優方案。

3 地表注漿加固設計

淺埋段地表注漿加固施工方便，對渣體空隙填充、提高圍巖整體強度和穩定性作用顯著，同時也為隧道暗挖順利施工提供重要的安全保障。

3.1 注漿橫向加固寬度

隧道穿越石料廠淺埋段橫向加固寬度按破裂面估算法計算[4]：

式中：B為加固寬度，m；b為隧道開挖寬度，m；h為隧道埋深，m；H為隧道開挖高度，m；φ為巖體內摩擦角，（°）。

隧道穿越石料廠區地表注漿加固范圍如圖3所示，洞身埋深h取均值12 m；隧道開挖寬度b=12 m；隧道開挖高度H=8 m，代入式（1）。

圖3 注漿加固范圍圖

可知單側破裂面與地面線交點A到隧道開挖邊界交點B之間的距離L約等于1倍隧道開挖寬度12 m，故本項目地表注漿橫向加固寬度取隧道兩側各12 m之間的距離設計，加固范圍：L1.2=72.5 m，L2.3=57.6 m，L3.4=79.7 m，L4.1=26.3 m，加固面積3 040 m2。隧道地表注漿加固平面圖如圖4所示。

圖4 隧道地表注漿加固平面圖

3.2 地表小導管注漿加固方案

地表小導管注漿孔間距1.5 m，梅花型布置。鉆孔采用Φ110，孔深由地表至洞身外開挖輪廓外0.5 m。小導管注漿采用Φ42熱扎無縫鋼管，壁厚4 mm，小導管管身打Φ8注漿孔，孔眼間距20 cm并交錯布置，注漿管長度在10～14 m。小導管注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿采用后退式分段注漿，注漿過程中注漿壓力應逐級緩慢提升。漿液為水泥漿，水灰比1∶1。隧道地表注漿加固剖面圖如圖5所示。

圖5 隧道地表注漿加固剖面圖

式中：q為單孔注漿量，m3；Q為注漿總量，m3；H為注漿長度，m；n為地層空隙率，%；α為空隙填充率，%；β為漿液損失率，%；N為注漿總孔數，孔。

根據隧道穿越碎石雜填土特性，地層空隙率n取值5%，空隙填充率α認為完全填充取值100%，漿液損失率β取值5%。

注漿總孔數：N=3040/0.48=1459孔。鉆孔長度：L=1459×12=17508 m。

注漿總量：Q=Nq=1459×3.14×0.82×12×5%×100%×（1+5%）=1848 m3。

隧道地表注漿加固工程量及造價表如表1所示。

表1 地表注漿加固工程量及造價表

4 注漿效果檢查和評價

隧道淺埋段地表注漿全部注完后，養生時間不小于28 d，養生期間禁止重載車輛通行和堆載。養生結束后進行注漿效果檢查和評價，首先對注漿過程中的注漿壓力和注漿量記錄資料綜合分析，檢查是否達到設計要求；再次進行注漿前后地層速度檢測，判斷漿液填充的密實程度，對不合格處補注漿液。

本項目對注漿加固區施工前后采用了瑞雷波檢測，瑞雷面波速度等值線圖清晰地反映了各測線面波速度隨深度的變化情況，具有高波速對應高強度、低波速對應低強度的特性，面波速度等值線圖從側面直觀形象地反映了地層注漿加固前后的強度變化情況。

本次檢測在注漿范圍內沿隧道橫向布設了4條測線，測線間距為10 m，各測線上等間距布設測點。測線1布設測點5個，間距15 m；測線2、測線3布設測點7個，間距10 m；測線4布設測點4個，間距8 m，檢測布設圖如圖6所示。本文選取中間測線2和測線3注漿前后波速進行分析。

圖6 檢測布設圖

4.1 測線2注漿前后波速分析

測線2波速等值線圖如圖7所示，注漿前0～14 m深度范圍面波波速在300～400 m/s，且0～10 m深度波速基本在300～360 m/s。注漿后僅在邊緣存在小范圍低波速區，其余范圍內波速分布在400～500 m/s以上，局部強度提升較大，反映出注漿區整體強度提升明顯，加固效果較好。

圖7 測線2波速等值線圖

4.2 測線3注漿前后波速分析

測線3波速等值線圖如圖8所示，注漿前0～14 m面波波速在300～390 m/s，注漿后僅在3X01～3X02邊緣淺部存在小范圍低波速區，其余范圍內波速在380～400 m/s以上，反映出注漿區整體強度提升明顯，加固效果較好。

圖8 測線3波速等值線圖

5 結語

a）通過對路塹方案、明挖隧道方案、暗挖隧道方案3種方案比選，并結合造價、環境影響和后期公路運營安全等方面分析，確定地表注漿加固暗挖隧道施工設計方案為符合本項目的最優方案。

b）地表注漿橫向加固范圍取隧道兩側各1倍開挖寬度及之間的距離。地表注漿采用Φ42小導管，孔間距1.5 m，梅花型布置，鉆孔采用Φ110，注漿采用后退式分段注漿，漿液為水泥漿，水灰比1∶1。

c）通過對測線加固區前后瑞雷面波速度等值線圖分析，注漿加固前場地整體上處于波速較低狀態，面波波速在180～400 m/s之間，注漿加固后面波波速均在400 m/s以上，波速提高較明顯，表明加固效果較好。