客运专线铁路隧道Ⅵ级围岩地段设计探讨

王占东

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



客运专线铁路隧道Ⅵ级围岩地段设计探讨

王占东

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：宝兰客运专线马鞍梁隧道Ⅵ级围岩地段处于富水的松散地层中，下穿浅埋沟谷，工程力学条件差、施工风险大，隧道设计方案的选择不仅对工程施工安全、进度和投资影响较大，甚至会对工程的运营安全带来影响。通过工程实例研究客运专线隧道Ⅵ级围岩地段主要工程特点，提出Ⅵ级围岩隧道设计的合理方案。通过工程类比法及数值分析确定结构支护参数，采用全包防水理念，并辅以井点降水及注浆加固等措施改善地层，保障了Ⅵ级围岩隧道工程的施工安全，方案经济合理。

关键词：客运专线铁路；铁路隧道；Ⅵ级围岩；浅埋隧道；富水隧道；设计

1工程概况

宝兰客专马鞍梁隧道位于天水市麦积区元龙镇与伯阳镇之间渭河南岸黄土梁卯区，隧道全长4 190 m，为双线隧道。该隧道位于F1渭河断裂带及断层破碎带以内，隧道穿越地层主要为压碎变砂岩、断层角砾和黏质黄土。其中IDK743+440～IDK743+620段，下穿五龙沟，最小埋深11 m，上部沟谷富水，地表水及地下水发育，隧道洞身通过地层主要为第四系全新统(Q4)冲洪积黏质黄土、砾砂、细圆砾土、粗圆砾土，地下水渗透性强，Ⅵ级围岩。本文在设计方案及现场施工基础上，结合设计及施工过程对马鞍梁隧道Ⅵ级围岩地段的研究情况进行介绍。

2Ⅵ级围岩地段工程特点分析

(1)地表水

马鞍梁隧道下穿五龙沟段，通过沟谷枯水期的流量及计算参数见表1。

表1　马鞍梁隧道河沟流量量测及径流模数计算参数

(2)地下水

隧道区属黄土梁峁区，地下水主要为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，主要接受大气降水补给，第四系孔隙水主要分布在隧道进口附近的五龙沟内，含水层为粗圆砾土，汇水条件较好，富水性较好。单位可能最大涌水量97 002 m3/d·km，单位正常涌水量64 668 m3/d·km。

(3)Ⅵ级围岩地段隧道工程特点分析

①隧道洞身位于第四系粗圆砾土层、砾砂、黏质黄土和断层角砾等地层，隧道所处地层工程力学性质差，加之地层含水透水，受水后隧道所处地层力学性质下降严重。

②隧道通过五龙沟粗圆砾土强富水段时，洞顶最小埋深11 m，且五龙沟内为常年流水，地表水对地下水补给充足。

③综上，马鞍梁隧道下穿五龙沟Ⅵ级围岩地段具备以下工程特点：施工期间开挖面自稳性差、施工开挖处理不当易带来地表水大量渗漏、运营期间结构稳定性受地层地形影响大，这些也正是客运专线隧道Ⅵ级围岩地段的设计和施工难点[1-7]，针对所述问题进行研究。

3衬砌支护参数研究

(1)衬砌支护参数设计思路

根据喷锚构筑法的基本理论和复合式衬砌的作用原理，考虑了Ⅵ级围岩地段隧道埋深、围岩应力场以及影响围岩自承能力的各种因素进行隧道结构设计。初期支护为开挖后的主要承载结构，运营期间综合考虑耐久性等因素初期支护和二次衬砌共同承载。初期支护主要以工程类比法确定设计参数[8]，二次衬砌采用有限元分析并按破损阶段法进行设计[9]。

(2)防排水系统设计

结合Ⅵ级围岩地段隧道地形地质条件，防排水设计若采取一般的“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，有利于衬砌结构设计，但必将增大地表水下渗量，对于此类环境敏感地段隧道运营及周边环境安全不利。因此设计中遵循"以堵为主，刚柔结合，多道防线，因地制宜，综合治理"的原则，进行隧道防排水系统设计。

马鞍梁隧道Ⅵ级围岩地段，采用“全包防水”[10]设计，全环设厚度不小于2 mm防水板，无纺布缓冲层和防水板要求与施工缝设置的背帖式止水带配合使用，形成防水分区。

(3)衬砌结构设计(图1、图2)

马鞍梁隧道Ⅵ级围岩地段，采用全包防水衬砌，衬砌考虑相应水头压力，根据数值分析，结构及配筋进行相应加强设计。

图1　弯矩图

综合数值计算分析，马鞍梁隧道Ⅵ级围岩

地段衬砌支护设计参数见表2。

预留变形量/cm15～20初期支护二次衬砌C25喷混凝土钢筋网锚杆格栅(型钢)钢架施作部位厚度/cm设置部位网格间距/cm钢筋规格设置部位间距(环向×纵向)/m长度/m设置部位钢架类型间距/m拱墙/cm仰拱/cm拱墙仰拱3535拱墙20×20ϕ8mm拱墙1.0×1.04.0全环I25a型钢0.565*75*

4地表辅助施工方案研究

(1)地表降水方案研究(图3、图4)

图4　地表降水平面布置(单位：m)

图3　地表降水剖面(单位：m)

马鞍梁隧道Ⅵ级围岩地段，上部沟谷富水，地表水及地下水发育，渗透性较强，为减少地下水对围岩稳定性的影响，降低施工风险，地表沿线路两侧各设一排降水井，线路左侧降水井距离左线线路中线10 m，纵向间距20 m；线路右侧降水井距离左线线路中线15 m，纵向间距20 m。降水井底部深入轨面以下5 m。采用降水井一次施工完成，分段降水措施，即当开挖面距降水井10 m时，开始该降水井的降水，直至二次衬砌超过降水井10 m时，方可结束该降水井降水[11]。

(2)地表注浆方案研究

马鞍梁隧道现场在地表降水井降水试验施工时，IDK743+440左10 m J1降水井，井深28 m，静水位6.5 m，水泵流量60 m3/h，扬程35 m，抽水3 h后，水量达到稳定，水位稳定在17.5 m(降深11 m)不再下降，未能达到水位设计要求。结合现场地表降水试验情况，该段地下水补给量大，渗透性强，降水难度大，难以达到预期降水效果。为确保Ⅵ级围岩地段隧道施工安全，启动了地表注浆方案研究。

针对Ⅵ级围岩地段隧道工程特点，地表注浆主要立足于解决施工期间开挖面自稳性差、施工开挖处理不当易带来地表水大量渗漏等问题。

由于该段隧道地层以圆砾土和砾砂为主，且地下水有流动性，成孔困难，施工宜采用多功能钻机跟管钻进施工工艺垂直地面进行钻孔施工，通过钻孔将袖阀管经套管下入地层，然后退出套管进行封孔注浆。浆液采用单液浆为主，纵向分段周边两排孔采用普通水泥-水玻璃双液浆为主。采取静压注浆，分段注浆工艺，使浆液在压力条件下，注入地层，降低地层的渗透能力，从而形成注浆截水帷幕，达到防渗堵漏和加固地层的目的[12-15]。

注浆顺序原则上采取由外到内约束——发散性方式，从而有效控制浆液扩散区域，确保注浆后形成完整的注浆加固体。注浆方式采取后退式分段注浆工艺，即在注浆带内由孔底进行注浆，每次注浆段长0.5 m，注完第一注浆段后，后退注浆芯管，进行第二注浆段的注浆，以此下去，直至完成注浆带。注浆过程中应做好详细的注浆记录，并对浆液进行凝胶时间的测定，确保注浆施工效果。

(3)地表辅助施工方案设计(图5)

图5　地表袖阀管注浆剖面(单位：m)

为了有效控制注浆加固范围和保证注浆效果，马鞍梁隧道Ⅵ级围岩地段地表注浆，采取分区段注浆，纵向长度不大于20 m，以便于控制注浆。IDK743+430～IDK743+540段，长110 m地表采用袖阀管分段注浆工艺，注浆固结地层，封堵地下水。注浆范围为：拱部和边墙环向开挖轮廓线外5 m以内、仰拱环向开挖轮廓线外2 m以内，钻孔直径φ120 mm，钻孔间距1.5 m，浆液扩散半径为100 cm。注浆材料分段周边采用双液浆，其他采用单液浆。采用φ65 mm×5 mm PVC袖阀管和双向皮碗式止浆塞，φ25 mm镀锌钢管做芯管分段进行注浆。地表袖阀管注浆主要参数见表3。

表3　地表袖阀管注浆主要参数

5研究结论

结合宝兰客专马鞍梁隧道下穿五龙沟段方案设计，针对客运专线Ⅵ级围岩地段隧道工程措施的关键问题进行了研究和分析。

(1)宝兰客专马鞍梁隧道下穿五龙沟段设计方案，于2014年3月～2014年12月完成施工，Ⅵ级围岩地段设计方案在施工中得到验证，保障了复杂地质地形条件下隧道施工安全。

(2)宝兰客专马鞍梁隧道下穿五龙沟段设计研究，涵盖了Ⅵ级围岩地段施工期间开挖面自稳性差、施工开挖处理不当易带来地表水大量渗漏、运营期间结构稳定性受地层地形影响大等典型问题，为客运专线隧道类似地段的工程设置提供了丰富的研究经验。

(3)马鞍梁隧道Ⅵ级围岩地段衬砌结构设计，综合考虑地下水情况及周围环境敏感性，采用全包防水衬砌，衬砌考虑相应水头压力，结构进行相应加强设计。结合设计过程，研究认为此类工程设计应统筹考虑工程投资、运营安全、环境要求等多种要素，隧道施工及运营安全应一并纳入考虑。

(4)马鞍梁隧道Ⅵ级围岩地段地表辅助施工方案，前期考虑工程投资设计了地表井点降水方案，现场根据井点降水施工情况，采取了地表注浆堵水并加固地层。研究认为：含水、富水地层隧道施工，进行地表注浆可有效改善含水地层工程力学性质，有利于隧道施工安全，实际实施中应依据地层及施工试验情况确定相应参数，既保障工程施工安全，又保障工程设置方案经济合理。

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Approach to Design of Dedicated Passenger Railway Tunnel of Ⅵ Class Rock

WANG Zhan-dong

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， X i’ an 710043， China)

Abstract：Ma Anliang tunnel of Ⅵ class of surrounding rock on Baoji-Lanzhou high-speed dedicated passenger line is located in loose strata with rich water， passing shallow valley and facing very complex engineering mechanics conditions and great construction risks. The selection of tunnel designing scheme may bring big impact not only on engineering construction safety， progress and investment but also on future operational safety. The aim of the paper is to study the characteristics of Ⅵ class rock railway tunnel and to put forward reasonable scheme. By means of numerical simulation and comparison analysis， all inclusive waterproofing concept supplemented with well point dewatering and grouting reinforcement measures is proposed to protect the safety of the Ⅵ class rock tunnel construction. The scheme is applicable and economical．

Key words：PDL; Railway tunnel; Ⅵ class rock; Shallow tunnel; Rich water tunnel; Design

中图分类号：U238； U452

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.020

文章编号：1004-2954(2016)04-0082-04

作者简介：王占东(1979—)，男，工程师，2003年毕业于西南交通大学隧道工程专业，E-mail：wgzndg@163.com。

收稿日期：2015-11-24； 修回日期：2015-12-02