超前短旋喷桩三台阶山法应用——基于城市隧道浅埋暗挖淤泥围岩

杨 辉

(福州市城乡建设发展总公司 福建福州 350001)

超前短旋喷桩三台阶山法应用
——基于城市隧道浅埋暗挖淤泥围岩

杨 辉

(福州市城乡建设发展总公司 福建福州 350001)

某城市浅埋隧道地层处于杂填土、淤泥、粘土、微承压水，周边环境复杂。超前短旋喷桩三台阶山法施工安全风险低、成本合理、进度快、社会效益显著。

短旋喷桩；三台阶山法；城市隧道

0 引言

随着施工技术的进步、采用大型施工机械的要求和大断面隧道的出现，对隧道开挖方法选择有了极大变化：在选定开挖方法时，要以大断面开挖为指向，围岩条件不是唯一的决定因素。在同一座隧道，开挖方法频繁变化，既不经济也不安全，主张在全隧道中(除洞口段外)采用同一种开挖方法——全地质型开挖方法，如全断面法或台阶法[1]。当围岩地层处于杂填土、淤泥、粘土、微承压水，周边环境复杂、锁脚失效等，可采用水平旋喷桩、全断面搅拌桩或旋喷桩等预加固措施。城市隧道施工往往涉及到大众交通出行迫切需求，工期要求紧，全地质型开挖方法成为优先考虑工法，超前短旋喷桩三台阶山法，施工安全、风险低、成本合理、进度快、社会效益显著。本文拟以某城市暗挖隧道为工程案例，详细论述超前短旋喷桩三台阶山法方案实施。

1 工程概况

某城市暗挖隧道Ⅵ级围岩地质主要为软土淤泥、粘土、含卵石、残积砂质粘性土，浅埋埋深仅6m～10m，断面面积93m2，属50m2～100m2的大断面隧道，跨度11m，属中跨度隧道[9，14m)。地质特点：

①土层从上到下依次为：杂填土、素填土、块石、耕土、粘土、淤泥、(含砾砂)粘土、淤泥质土和孤石(卵石)，其中淤泥层厚达6m～14m，含水量高达62%，局部含有机质。

②粘土部分塑性指数大。

③拱腰中下部、拱脚地质从淤泥过渡为(含砾砂)粘土、碎卵石层等，属承压含水层，水量较丰富，特别是台风暴雨季节，地下水量有所增加。

隧道区域现状地表房屋已拆迁完成，土层存在碎块杂物、卵石等致搅拌桩无法实施，隧道掘进过程中出现锁脚锚固失效，初支轮廓外局部涌泥，施工进展缓慢，安全风险大。为解决掘进中出现的上述问题，需开展相关研究，确定安全经济快速工法，提高社会效益。

2 超前短旋喷桩三台阶山法方案

2.1 数值分析

采用Midas NX有限元数值分析超前短旋喷桩三台阶山法施工可行性。为简化模型，将短旋喷桩拱简化成厚度为60cm的实体拱壳结构。将超前小导管加固地层简化为一种实体单元，后期通过改变属性来实现其效果的模拟，其计算参数同样采取复合地基法。将锚杆粘聚力进行等效换算，将初支型钢刚度折算给喷射混凝土，将初支简化成曲面壳体结构。围岩满足莫尔-库伦屈服条件，不考虑旋喷桩与土体的滑移，采用复合地基进行模拟。喷射混凝土采用板单元模拟。各项数值模拟参数如表1所示，模型如图1所示。

表1 计算模型参数

图1 隧道施工模型

经数值模拟，超前短旋喷桩三台阶山法隧道整体塑性区集中在洞顶和左右两侧的中下导，这两部分区域承担了明显的荷载，通过旋喷桩预加固此区域，可解决初支锁脚失效问题。支护周边围岩没有明显的塑性区发展趋势，围岩整体稳定，破坏程度小，说明短旋喷桩围岩加固起到明显的积极作用。围岩变形如表2所示。

表2 围岩变形 mm

2.2 优化方案

通过数值分析，采用超前短旋喷桩三台阶山法可行，考虑经济性，将原计划隧道全断面加固调整为局部加固短桩。

(1)超前短旋喷桩断面示意图如图2所示。地表段为空桩(深L：15m>L>4m)，仅对隧道两侧边墙采用双排8m桩长φ800二重管高压旋喷桩加固至仰供底标高作为止水墙，洞顶拱部范围采取开挖轮廓线3.0m范围(以内1m，以外2m)土体加固，局部采取加长桩加固至洞内掌子面起拱线。

图2 短旋喷桩加固断面示意图

(2)三台阶山法如图3所示。第1步，山形上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，开挖上部导坑，预留中间核心土，上导拱脚预留或反压三角形土，与中间核心土间开斜流水沟，核心土长度不小于3m，宽度大于隧道开挖宽度的1/2，核心土顶面距洞顶距离1.8m。上台阶步距开挖4 m～6m，矢跨比0.3，开挖循环进尺0.5m～0.6m。第2～3步，左、右侧中台阶开挖：开挖进尺1.0 m～1.2m，开挖步距10m～15m，左、右侧台阶错开2m～3m，施作临时仰拱，临时仰拱与初支型钢铰接，采用焊接钢筋向下顶住临时仰拱。第4～5步，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺1 m～1.2m，开挖步距5m～8m，左、右侧台阶错开2m～3m，立即初喷3cm～5cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架。第6步，左右开挖完成后，滞后一侧施工6m后开挖中间核心土，进行隧底施工，施工完成后立即进行仰拱施工，仰拱每次施工4m～6m。

2.3 主要施工情况

超前短旋喷桩采用42.5R复合硅酸盐水泥，水泥用量250kg/m，水泥掺量28%。按照优化方案短旋喷桩标高对每根桩桩长进行精确计算，桩长深入隧道断面控制在+100cm左右。试桩成桩质量和隧道掌子面强度符合要求。水泥土芯样抗压强度代表值(16d龄期)1.3MPa。现场钻孔取芯样品及掌子面如图4所示。

图3 三台阶山法示意图

图4 现场钻孔取芯样品、掌子面加固效果

图5 三台阶山法

掌子面开挖效果如图5所示，旋喷桩加固效果明显，掌子面可以组织挖掘机开挖施工，安全性大大提高，施工未出现坍塌涌泥、锁脚失效、长时间补注浆等。实测拱顶沉降最大值119mm，地表沉降最大值89mm，收敛最大值113mm，与数值计算基本吻合，施工进度每天1～1.5m/d。因本段拱腰中下部、拱脚水文地质为承压含水层且水量较丰富，辅以局部降水。采用超前短旋喷桩三台阶山法，顺利安全序时通过浅埋淤泥围岩段，为后续通车打下基础。

3 结语

超前短旋喷桩三台阶山法，可有效解决碎块杂物、卵石等致搅拌桩无法施工、小断面开挖地质仍不稳定、初支锁脚失效、工期要求紧等问题，实施后掘进进度快、成本合理、安全风险低、社会效益明显。

[1] 关宝树.漫谈矿山法隧道技术第九讲——隧道开挖和支护的方法[J].隧道建设,2016,36(7):771-781.

[2] JTG/F60-2009 公路隧道施工技术细则[S].北京:人民交通出版社,2009.

Advanceshortspinningpileandthreestephillmethodapplication——basedonshallowburieddredgingmudsurroundingrockintheurbantunnel

YANGHui

(Fuzhou urban construction development corporation,fuzhou city,Fujian province,Fuzhou 350001)

Shallow-buried tunnel of a city is in the miscellaneous fill and silt and clay and confined water,complex surrounding environment.Three steps lead short jet grouting pile construction safety risk is low,the cost is reasonable,progress quickly,the social benefit is remarkable.

Short jet grouting pile; Three steps and mountain method；Urban tunnel

杨辉(1976.9- ),男,高级工程师。

E-mail:183710984@qq.com

2017-09-13

U45

A

1004-6135(2017)12-0066-03