湘芝塘隧道基底沉降处理施工技术

2010-05-02褚晓晖

科学之友 2010年17期

褚晓晖

（中铁三局集团桥隧分公司，河北邯郸 056003）

1 概况

1.1 工程概况

武广客运专线湘芝塘隧道全长746 m，隧道出口里程DK1805+384，出口明暗分界里程DK1805+367，全隧道单面上坡，坡度6.87‰。出口沉降段里程DK1805+334~DK1805+367，浅埋偏压，围岩设计等级为Ⅴ级，隧道开挖断面154.4m2，采用CRD法施工。DK1805+367~DK1805+337段采用φ108管棚进行超前支护，DK1805+340~DK1805+334采用超前小导管进行超前支护。初期支护采用I20工钢拱架（间距0.6m）、系统锚杆（L=4m）、钢筋网（φ8，20×20 cm网格）、喷射混凝土（C25，28 cm厚）联合支护。

1.2 工程地质

1.2.1 地层岩性

丘坡表层为Q[4](dl+el)黏土，褐红色，硬塑，含少量碎石,成分为强风化的砂页岩，厚0～22m；下伏基岩上部为C[1]d（2）泥质粉砂岩、泥岩、炭质页岩，灰黄、灰白色、灰色等，全风化～强风化；下部为C[1]d（1）炭质灰岩、灰岩，灰色、灰黑色，弱风化，局部裂隙及岩溶发育，钻探揭示溶洞，高1.3m，半充填，充填物为浅黄色粉质黏土，软塑。受地层影响，局部地层重复。

1.2.2 地质构造

在DK1805+340～DK1805+385段发育逆断层，岩体破碎，导致C[1]d（1）灰岩与C[1]d（2）碎屑岩地层重复，岩体破碎，尤其是砂页岩地层，风化强烈，甚至在地表以下40m左右仍为全风化地层，被地下水浸泡后呈软塑状，性质较差。局部地层在灰岩的接触面附近呈软塑状。

1.3 水文地质

隧道出口段地下水发育，DK1805+340右侧约100m的水塘附近发育泉水，为沿断层发育的上升泉，隧道出口右侧亦发育泉水，为长年流水，开挖的掌子面土体，含水量较高，土质松散，稳定性差。

2 洞口段沉降变形及初步处理情况

2.1 洞口段沉降变形情况

一场特大暴雨后，隧道线路右侧上部掌子面开挖里程到DK1805+334，线路左侧上部里程到1805+345时，隧道右侧偏拱位置产生纵向贯通的裂缝，裂缝宽度2~5mm，同时洞顶地表发生多处裂缝，最大裂缝宽度8 cm。同时，监控量测数据分析显示，已施工段拱顶下沉累计达到20~25 cm，隧道右侧绝对位移达到6~10 cm，地表沉降最大30 cm，裂缝错台最大达到10 cm，沉降及变形依然在发展，没有变缓的趋势。

2.2 初步处理情况

初步处理方案采用洞内外注浆加固的方法，洞内开挖支护停止施工，喷射混凝土封闭掌子面。洞内在线路右侧设置I20工字钢斜撑，间距同初期支护拱架间距，洞内采用φ42小导管径向注浆，导管长5m，浆液采用1∶1水泥浆。洞外右侧采用φ70钢花管竖向注浆加固山体，钢花管间距1×1m，长度以达到相应位置仰拱下5m为准，浆液采用1∶1水泥浆。地表裂缝回填后采用喷射混凝土封闭。但按照以上方案处理完成后，没有起到预期的效果，沉降变形及地表裂缝继续发展。

3 沉降段处理方案选择

3.1 沉降原因分析

（1）湘芝塘隧道所处地区遭遇罕见暴雨，地表水大量下渗，使得第四系残坡积土体在地下水富集后多呈软塑状，致隧道内暗洞开挖出现大量坍塌，土体从高山侧向隧道洞内挤压，隧道围岩出现松动，隧道初期支护承受过大的松散荷载致隧道内高山侧初期支护开裂，同时由于土体向洞内及仰坡两个方向的移动，致地表出现斜向裂缝。

（2）在DK1805+340～DK1805+385段发育逆断层，岩体破碎,风化严重，而且存在着沿断层发育的上升泉，地层被地下水浸泡后呈塑状，使得基底承载力不足。

（3）隧道基底以下岩溶发育，溶洞内填充物多为粉质黏土，基底承载力不足。

3.2 方案比选

方案1见图1：采用部分明挖方案，拆除已施工的暗洞支护，现有隧道开挖台阶标高以上部分采用明挖施工，下部采用暗挖法施工。上部台阶以上施工护拱，然后在护拱的保护下施工上部初期支护，暗洞开挖下部及仰拱并施做初期支护。衬砌施工完成后回填洞顶至原地面线。基底处理方案：护拱基础采用φ200钢管桩，纵向间距1m。隧道基底采用φ400预应力混凝土管桩（1.5×1.5m）加固。

图1 DK1805+350横断面设计图（方案1）

方案2见图2：采用明挖方案，开挖台阶到现有隧道开挖底标高后，在线路右侧施工支挡结构，分段明挖隧道下部，施工仰拱及拱墙衬砌。施工明洞防水后回填。基底处理方案：采用桩基托梁的形式，桩径1.2m，纵向间距3.5或4m，桩基入岩至少1m。

图2 DK1805+350横断面设计图（方案2）

方案1土方施工较少，但在护拱的保护下暗挖隧道下部，风险较高；因护拱基础处存在防水软弱面，隧道防水质量不易保证；经现场试验，护拱钢管桩不易成孔，另外，由于地层构造复杂，地层重复现象严重，地层中夹层较多，预应力管桩施工难度大，工期难以保证。方案2工艺简单，在支挡结构下明挖土方安全性好，明洞防水质量易于保证，桩基托梁的形式彻底解决了基底承载力低的问题，方案2处理费用与原设计的暗洞方案费用大致相当，综合考虑选择了方案2进行处理。

4 沉降段处理技术措施

4.1 截水沟施工

施工前先将截水天沟修好，做好坡脚临时排水设施，避免地表水对开挖边坡产生冲刷或浸泡，防止边坡在施工过程中失稳。

4.2 边仰坡防护

（1）右侧边坡。DK1805+334~DK1805+360.25段设置抗滑桩，桩间距6m（中至中），桩截面2.5×2.25m，桩长17m，共计5根，采用C30钢筋混凝土现场浇注。桩顶以上边坡采用1∶1.5坡率进行刷方处理，并采用锚喷网防护，锚杆长4 m。DK1805+334~DK1805+360.25段桩间边坡从底板底外侧50 cm处开始起坡，一级边坡坡率1∶0.25，坡高7m，上部边坡坡率1∶1.5，并采用喷锚网防护，锚杆长6m。DK1805+360.25~DK1805+384段边坡从墙角外侧处开始起坡，并采用锚喷网防护，锚杆长6m。

（2）左侧边坡。边坡从底板底开始起坡，DK1805+334~DK1805+370段坡率1∶1，然后过渡的DK1805+384里程的1∶1.25坡率，并采用锚喷网防护，锚杆长6m。

（3）仰坡采用锚喷网防护，锚杆长4m。

（4）锚喷网防护参数。锚杆采用Φ22砂浆锚杆，间距1.5×1.5m布置，梅花型布置。喷砼采用10 cm厚C20网喷砼，钢筋网φ8，网格间距25×25 cm。

4.3 施工监控

边坡减载施工期间于坍塌或开裂段坡顶每10m设一观测点，平时每2～3天监测一次，雨天每天监测一次，发现变形及时处理。边坡减载施工完成后，每20m设一监测剖面，每个监测剖面分别于坡脚锚固桩桩顶、坡顶处各设一个监测点，一般情况下每2～3天监测一次，雨天每天监测一次，发现变形及时处理。

4.4 隧道结构物

DK1805+334~DK1805+367段上部采用曲墙式衬砌结构，下部采用底板结构。底板宽16.1m，中间高1m，两端高1.5m。

4.5 基础处理

隧道底板下部两侧设置挖孔桩，桩直径1.2m，间距3.5m或4m（中-中），孔桩入岩深度至少1m。

4.6 植被恢复

洞顶回填后要地表植被恢复，回填黏土隔水层表面采用喷播植草，回填黏土隔水层上部采用喷锚网防护的边仰坡采用喷砼植生防护。

5 处理过程及效果

按照处理方案开挖卸载并施作边仰坡锚网喷支护后，在原开挖暗洞的台阶底标高处施工抗滑桩，抗滑桩采用跳桩开挖。为加快工期并减少明洞下部边坡暴露的时间，在该标高处进行基底加固挖孔桩的施工，挖孔桩同样采用跳桩开挖的方式。当支挡结构及加固孔桩完成且强度达到设计要求后，逐层开挖明洞下部土方，开挖完成后及时底板及拱墙衬砌，待强度达到设计强度后施作防水层后及时回填。在整个施工过程中，监测数据显示，边坡位移稳定，在安全范围之内，在结构完成后，对隧道结构进行了沉降观测，经评估显示满足高速铁路工后沉降的要求。