富水砂卵石层明挖隧道基础处理方案研究

翟 可

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

对富水砂卵石地层，工程界常认为砂卵石颗粒间为点对点接触和传力，地层承载力高，地层失水或小颗粒损失不会对地基产生很大影响，该地层作为工程地基使用时不需进行地基处理。近年来随着涉及该地层的大量工程建设，对该地层的认识在不断深化，如广泛分布富水砂卵石地层的成都地铁，在区间隧道施工完成较长时间后，会产生滞后沉降、地面塌陷问题，此现象引起工程界对该地层的重视和深入研究。白永学等［1］结合成都地铁施工后地表塌陷问题，认为砂卵石地层颗粒间在外界因素干扰下，颗粒间毛细力和黏聚力破坏，地层可产生颗粒流动现象;罗松［2］、宋修元等［3］对成都地铁砂卵石层产生的滞后沉降问题分析后认为，地下水提升、动荷载影响、颗粒损失是产生滞后沉降的4个阶段之一，由此可见，对存在外界环境干扰(如地下动水、动荷载等)的富水砂卵石地基应进行地基加固处理。

铁路隧道工程极少处于长距离的河床富水砂卵石地层中，对该地基处理缺少研究和成熟的工程经验，本文借鉴成都地铁隧道建设对该地层总结出的地层特性，以山西某铁路隧道穿越的露水河河床为例，对隧道基础处于含地下动水的砂卵石地基处理进行方案比选，并结合工后沉降计算分析及现场量测数据，提出具体的工程处理意见。

1 工程概况

山西某铁路为以重载煤运为主，列车轴重为30 t的Ⅰ级干线电气化铁路;该线太行山隧道全长18 125 m，为2个单洞单线隧道，左右线间距30 m，设计时速120 km/h。

太行山隧道洞身局部穿越国家级风景保护区，按照环评报告要求，隧道在DK590+355～+700段需下穿345 m宽的露水河床(如图1所示)。

图1 露水河段平面图Fig.1 Plan layout of tunnel crossing Lushui River

露水河受上游水库蓄水影响，现状河床表面常年干枯，但由于上游水库库底渗漏、降雨、灌溉及沿河居民生产生活用水的排入，勘察期间发现河床顶面下约24 m存在缓流的地下水，水位随季节变化明显，按照河床上下游高差推算地下水流水坡度约为3.8‰。

该浅埋段地层主要为第四系全新统冲积砂卵石及强-中风化的片麻岩;砂卵石层厚22～41 m，卵石成分为石英砂岩，σ0=500 kPa，质量比为61% ～78%，粒径80～200 mm，圆砾含量约18%，填充物为中细砂，地层渗透系数约6×10-2cm/s，孔隙率32%;片麻岩强风化层厚度为5～10 m，σ0=800 kPa，孔隙率约12%。隧道洞身主要位于砂卵石地层，地下动水稳定水位在隧道基础顶面上3 m左右。

根据隧道埋身及地质条件等因素综合分析，本段隧道结构按照明洞结构设计，明挖法施工;基坑深23.6～25.2 m，三级放坡土钉支护，坡率1∶0.25～1∶1，基坑横断面设计见图2。

图2 明挖段基坑横断面图Fig.2 Cross-section of foundation pit of open-cut tunnel section

2 基础处理设计思路

依据勘察资料，卵石地层的基底承载力完全满足隧道基础承载力要求，但隧道基础所处的河床卵石地层含有粉细砂颗粒，且隧道基础位于地下水位线下，因河流上下游形成标高差，河床下卵石层中的地下水处于向下流动状态，在隧道基础持力卵石层中形成河底暗流，若该地下水量增大、流速增加或在长时间流水作用、重载列车动载等环境因素影响下，卵石层中细小颗粒会不断损失，使隧道基础下砂卵石地层产生蠕动变形，从而引起隧道整体下沉或水平移动，危及行车安全，故必须采取措施消除该影响。该地层处理的措施主要是注浆固结，使大、少颗粒粘结成整体，防止细小颗粒损失;但若采用注浆将隧道基础下约10 m厚的卵石地层全部进行整体加固，则加固后的地层与隧道洞身一起将形成一道拦水坝，截断地下水渗流途径，在隧道结构外河床上游侧汇集并形成高水位，使隧道结构产生偏压，不利于隧道平面稳定和结构防水。经多方案论证，最终决定对地下水进行疏通，按照最不利工况进行隧道结构设计等的综合处理方案，主要思路如下:

1)地下水流保通措施。根据现状地下水位，在隧道基础下设置专门过水通道或对隧道基础地层进行抽条加固处理，加固段满足固结地层细小颗粒的要求，不加固段满足地下水通过需要。

2)依据最不利工况进行隧道结构设计。按照上游水库溃坝工况，计算该处水头高度，按照偏压及水压荷载进行隧道结构设计，并采取辅助隧道防水和稳固措施。

3 隧道基础处理设计方案

3.1 隧道基础地层整体加固+专用过水通道(方案1)

对隧道基础下的卵石地层进行均匀整体注浆加固，使该层大小颗粒形成一体;在隧道结构与已加固地层间设置2 m厚的级配碎石夯实层作为专门过水通道，满足地下水横穿隧道下部需要，如图3和图4所示。隧道结构按照最不利工况荷载，采用1 m厚的P10、C35钢筋防水混凝土衬砌结构，以满足结构受力需要;为满足防水需要该段隧道采用全包防水设计。

3.2 隧道基础地层抽条加固方案(方案2)

将隧道基础下的卵石地层进行抽条加固，注浆加固固结区宽3 m，非加固区宽2 m，间隔布置。固结区确保隧道基础下地层稳定，非加固区为过水通道。隧道结构在设计时，考虑基础的不均匀性，隧道底部结构设置纵向暗梁，以抵抗地基的不均匀变形要求;其他隧道结构及防水设计同方案1，如图5所示。

图3 方案1横断面图Fig.3 Cross-section of No.1 consolidation method

图4 方案1纵断面图Fig.4 Longitudinal profile of No.1 consolidation method

图5 方案2横断面图Fig.5 Cross-section of No.2 consolidation method

4 2种基础处理方案工后沉降理论计算对比分析

4.1 方案1工后沉降计算

按照方案1基础卵石层满堂加固，过水通道采用级配碎石夯实层的处理措施，引起隧道基础沉降的地层有2层:一是注浆加固后的砂卵石层，二是承担过水作用的级配碎石层。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，该复合地基最终变形量

式中:s为复合地基最终变形量，mm;ψsp为复合地基沉降计算经验系数;s'为复合地基的计算变形量，mm。

复合地基的计算变形量

式中:p0为基底附加压力，考虑隧道结构自重、明洞上部回填土及列车荷载，取28 kPa;Esi为基底第i层土的压缩模量，根据现场试验，取级配碎石层压缩模量9.5 MPa，注浆加固层压缩模量35.5 MPa;zi为基底第i层土底面的距离，根据地质纵断面，取z1=2 m，z2=6.8 m;αi为基底计算点至第i层土底面范围内平均附加应力系数，根据文献［4］取=0.247=0.208。

经计算得级配碎石层沉降5.8 mm，注浆加固后的卵石层沉降2.9 mm，2层总沉降8.7 mm。

复合地基沉降计算经验系数ψsp根据变形计算深度范围内压缩模量的当量值Es取值0.31［4］。

该地基最终变形量

s=ψsps'=0.31×8.7=2.7 mm。

图6 方案2纵断面图Fig.6 Longitudinal profile of No.2 consolidation method

4.2 方案2工后沉降计算

对卵石层采用抽条加固，抽条加固区段等效成桩基自身压缩沉降进行计算。

桩在荷载作用下桩身压缩沉降［5］

式中:h为桩长，取3.4 m;p0为桩顶荷载，取12 418 kN;A为桩身截面积，取26 m2;Ec为桩身混凝土弹性模量(加固体弹性模量)，取600 MPa;Qsk为单桩极限摩阻力标准值，取5 947 kN。

抽条加固区地基沉降量sc=1.9 mm。

4.3 计算结果与分析

由上述2方案工后沉降计算结果分析，可得出如下结论:

1)方案2工后沉降量约为方案1工后沉降量的70%。

2)方案1工后沉降值中，2 m厚级配碎石层(人工设置的过水通道)沉降值占该方案总沉降值的67%，为该方案地基主要变形层。

综合分析方案2地基沉降量小于方案1，隧道地基处理按照方案2实施。

5 隧道地基沉降实测结果及分析

5.1 地基沉降量测结果

隧道基础砂卵石地层采用抽条注浆加固施工后，对该段隧道基础进行沉降量测，在不同里程设5个观测点，在明洞上部回填后开始1次/周，连续3个月观测，绘制出各点的沉降变化曲线，见图7。

从图7中可知，隧道基础地层在前2个月处于沉降积累中，从第3个月开始基础沉降趋于稳定，最大沉降量累计1.7 mm。

图7 实测沉降曲线图Fig.7 Curves of measured settlement

5.2 地基沉降结果判定结论

根据铁建设［2006］158号《客运专线无碴轨道铺设条件评估技术指南》［6］要求，隧道在铺设无碴轨道前，应满足以下条件:

1)对不少于3个月的沉降观测作曲线回归分析，曲线回归的相关系数不应低于0.92。按照现场沉降观测数值，作出曲线的回归系数为0.96＞0.92，满足要求。

2)沉降趋于稳定时，设计及实测沉降总量不大于5 mm。采用抽条加固计算地基总沉降量为1.9 mm，实测总沉降量为1.7 mm，均小于5 mm，满足要求。

3)预测的隧道基础工后沉降值不应大于15 mm。根据实测的沉降值，采用双曲线法预测地基沉降值随时间变化。取初期沉降S0=0，回归系数a=42.454，b=0.324 9，曲线回归的相关系数R2=0.930 6，如图8所示。

预测的最终沉降值Sf=1/b=3.1 mm＜15 mm，满足规范要求。

6 结论与体会

1)对存在地下动水、动荷载影响的富水砂卵石地基进行基础处理时，需充分考虑地基处理方案对地下水流径方向的影响，避免工程次生灾害。

图8 预测沉降双曲线法回归系数求解图Fig.8 Settlement prediction by hyperbola regression method

2)富水砂卵石地基处理时，需首先选择对地基自身地层进行加固处理，不建议在结构下部设置人工换填层，以利于控制地基总沉降量。

3)建议对富水砂卵石地层注浆方案进行进一步研究，深入掌握渗流、强透水、细颗粒砂卵石地层注浆参数，确保该地层注浆加固质量以满足设计要求。

［1］ 白永学，漆泰岳，吴占瑞，等.砂卵石层盾构施工地层损失原因分析与施工对策［J］.现代隧道技术，2012，49(3):54-61.(BAI Yongxue，QI Taiyue，WU Zhanrui，et al.Analysis of and countermeasures to causes of ground loss induced by shield construction in sandy pebble stratum［J］.Municipal Engineering Technology，2012，49(3):54-61.(in Chinese))

［2］ 罗松，张浩然.成都富水砂卵石地层盾构施工滞后沉降防控措施探讨［J］.隧道建设，2010，30(3):317-319.(LUO Song，ZHANG Haoran.Discussion on prevention and control of delayed settlement induced by shield tunneling in water-rich sandy cobble stratum in Chengdu［J］.Tunnel Construction，2010，30(3):317-319.(in Chinese))

［3］ 宋修元.富水砂卵石地层洞内深孔定点填充注浆加固技术浅析［J］. 现代隧道技术，2011，48(3):132-135.(SONG Xiuyuan.Analysis on deep hole grouting consolidation for tunnels in water-rich sandy gravel stratum［J］.Municipal Engineering Technology，2011，48(3):132-135.(in Chinese))

［4］ GB 50007—2011建筑地基基础设计规范［S］.北京:建筑工业出版社，2012.

［5］ 赖琼华.桩基沉降实用计算方法［J］.岩土力学与工程学报，2004，23(6):1015-1019.(LAI Qionghua.Practical calculation procedure ofpile-foundation settlenent［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(6):1015-1019.(in Chinese))

［6］ 铁建设［2006］158号 客运专线无碴轨道铺设条件评估技术指南［S］.北京:中国铁道工业出版社，2006.