白垩系砂岩隧道洞口浅埋段施工方案研究

2017-06-05李冬生

中国高新技术企业 2017年8期

摘要：文章介绍了某新建山岭铁路隧道工程的特殊地形、地质条件，并结合现场监控量测数据等资料进行技术方案对比，提出了通过该隧道洞口不利地形、不良地质段的施工控制技术措施。通过隧道进口浅埋白垩系全风化砂岩砂状地段施工的反馈证明，采用上述洞内外注浆、密排小导管超前预支护、型钢钢架、三台阶临时仰拱等措施能保证施工安全。

关键词：隧道工程；白垩系；砂岩；洞口段；铁路工程文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2017）07-0165-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.078

1 工程概况

某新建山岭铁路隧道全长936.15m，为单洞双线隧道，最大埋深63.49m。该隧道位于陕北毛乌素沙漠与黄土高原过渡区，进口通过地层主要为第四系上更新统风积（Q3eol）砂质新黄土、白垩系下统洛河组（K11）砂岩。其中，白垩系下统洛河组砂岩特性：全风化（W4）～强风化（W3），砂质结构，厚层至巨厚层状交错层理构造，岩体较完整，成岩作用差，泥质胶结，岩质较软，强风化砂岩饱和单轴极限抗压强度为3.16～4.42，为极软岩。隧道进口段位于凸出“山咀”正面，两侧冲沟发育，洞口段洞顶地表平缓，覆土厚度约14m，侧壁厚度较薄，左侧壁厚最薄约12m，右侧壁厚最薄约6.4m，隧道位于此地形条件下长度约51m。

隧道DK240+848～DK240+863段，共15m，为直切式明洞门；DK240+863～DK240+914段，共51m，为下穿“山咀”地形的隧道暗挖段。

下穿“山咀”地形段及其邻近段隧道采用Ⅴ级围岩Ⅴb型复合式衬砌，支护参数如下：

第一，初期支护：全环25cm厚C25喷射混凝土、全环I18型钢钢架（钢架间距0.75m）、Φ8mm钢筋网（网格尺寸20cm×20cm），预留变形量8～12cm。

第二，二次衬砌：拱墙厚度45cm，仰拱厚度50cm，环向主筋参数Φ20mm@200mm，Φ8mm拉筋间距200mm×250mm（纵×环）。

第三，超前支护：段采用Φ108mm超前大管棚预支护，段，采用Φ42mm超前小导管预支护。

第四，施工工法：三台阶临时仰拱法施工，临时仰拱采用I16型钢，喷射220mm混凝土，臨时仰拱设置于上台阶。

2 施工揭示情况

2.1 掌子面揭示地质情况

隧道进口DK240+863～DK240+928段掌子面揭示地层为白垩系砂岩，呈砂状，无粘性，结构非常松散，开挖后多处出现溜塌。

2.2 施工情况

隧道进口DK240+863～DK240+914段施工过程中，地表随着掌子面掘进陆续出现多条裂缝，最大宽度为6cm，并有进一步发展的趋势；同时，初期支护钢架拱部150°范围内出现多条环向裂缝，最大宽度为1.5cm。

2.3 洞口沉降及变形

根据监控量测资料，DK240+863～DK240+914段拱顶日沉降最大值12.5mm（GD240+863），累计沉降最大值，收敛日变化最大值，收敛累计变化最大值，地表日沉降最大值，地表累计沉降最大值。具体数值如表1：

3 原因分析

根据施工揭示情况进行分析，可知隧道进口掌子面易溜砂、初期支护及地表易开裂主要原因在于以下三点：（1）DK240+886～DK240+928段，掌子面揭示的全风化白垩系砂岩，呈砂状，无粘性，稳定性差；（2）隧道位于突出的“山咀”地形下部，结构竖向荷载明显较水平向荷载大，同时隧道右侧地层厚度较左侧薄，隧道结构两侧受力不均；（3）开挖过程中围岩受扰动，围岩易变得更加松散，地层自稳能力降低，应力释放速率加大，造成初期支护易开裂。

4 处理措施

4.1 地表加固方案

通过上述原因分析及根据施工过程中揭示的水平位移相对较大的情况，从考虑降低隧道结构承受的荷载角度出发，将地表加固分为两个方案进行对比研究，具体如下：

4.1.1 方案一：卸载+地表注浆方案。

第一，卸载反压。DK240+863～DK240+910段洞顶进行卸载，降低覆土高度约至8.5m，洞顶卸载后土方回填至隧道右侧覆土较薄处，回填坡率1∶1.25。

第二，地层加固。考虑右侧覆土较薄，且地层基本呈砂状，为避免施工阶段右侧土体失稳，考虑对右侧土体注浆加固，加固采用Φ42钢花管注浆加固既有地层，小导管长6m，间距1.5m×1.5m，梅花形布置。

卸载+地表注浆方案见图6、图7所示：

4.1.2 方案二：地表注浆方案。

对DK240+863～DK240+905段隧道洞身右侧采用钢花管注浆加固既有地层，钢花管采用Φ42（t=3.5mm），管长6m，间距1.5m×1.5m，梅花形布置。注浆参数：普通水泥浆，水灰比1∶1，注浆压力0.5～1MPa，具体注浆参数应通过现场试验确定。

地表注浆方案见图8所示：

4.1.3 方案比较。通过上述方案分析可知：

方案一（卸载+地表注浆方案）卸载洞顶山体，降低竖向荷载；同时将卸载的地表土体反压至洞口右侧覆土较薄侧，并对右侧较薄的原地层进行注浆加固，增强右侧水平抗力，从而达到降低竖向荷载并平衡水平受力的目的。

方案二（地表注浆方案）通过对洞口右侧地表覆土较薄段落进行地表注浆加固，以增强右侧土体抗力。

以上两种方案从结构受力角度考虑都是可行的，且方案一由于较方案二卸载了洞顶部分土体，更能改善隧道结构受力。但考虑洞顶卸载时需要采取机械设备开挖将加大对已施工段落的扰动，将增加已施工段初期支护的受力，造成结构变形沉降加大。所以综合比较，采取方案二作为实施方案。

4.2 地表裂缝处理

对洞顶地表裂缝灌注水泥浆封闭，裂缝表层采用50cm厚三七灰土封闭隔水。

4.3 洞内注浆加固

洞内初期支护变形较大且初期支护开裂范围DK240+880～DK240+928段，洞内采用Φ42（t=3.5mm）长短小导管注浆加固，导管长度为3.5m和4.5m，梅花形间隔布置，注浆范围为设计断面最大跨以上拱墙部分，小导管布置间距1.2×1.2m。注浆参数：普通水泥浆，水灰比1∶1，注浆压力0.5MPa，具体注浆参数应通过现场试验确定。

4.4 进一步施工方案

采用Ⅴ级围岩Ⅴb（土）型复合式衬砌进行施工，支护参数如下：

4.4.1 初期支护：全环27cm厚C25噴射混凝土、Φ8mm钢筋网（网眼尺寸20cm×20cm）、全环I20a型钢钢架（钢架间距0.6m）、预留变形量12～15cm。

4.4.2 二次衬砌：采用全环50cm厚C40钢筋混凝土，环向主筋参数Φ22mm@200mm，Φ8mm拉筋间距200mm×250mm（纵×环）。

4.4.3 超前预支护。拱墙范围内每榀施作一环Φ40mm（t=3.5mm）超前密排小导管，小导管长度2.0m，环向间距为20cm，相邻两排的搭接长度不小于100cm；外插角10°～15°；小导管注浆采用水泥浆。

4.4.4 施工工法。开挖工法采用三台阶临时仰拱法，中台阶增设一道临时仰拱，上、中台阶临时仰拱钢架调整为每榀设置，掌子面每循环开挖后及时喷射混凝土封闭。

4.5 施工注意事项

4.5.1 掌子面开挖后及时喷射混凝土封闭，避免掌子面暴露时间过长，造成溜砂。

4.5.2 及时施作临时仰拱及处置仰拱，以控制好变形和沉降。

4.5.3 尽早施作二次衬砌结构，确保隧道安全。

4.5.4 加强洞内及地表监控量测。

4.5.5 应合理组织施工工序，减少对围岩的扰动，并做好应急预案，确保施工安全。