富水砂卵石地层矿山法隧道若干关键技术研究

2019-05-22戴志仁李小强胡瑞青

铁道建筑技术 2019年12期

戴志仁王俊李小强胡瑞青

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室陕西西安 710043)

1 引言

目前，成都市第四期建设规划相关线路已经全面进入实施阶段[1]，第四期及后续地铁线路建设条件愈加苛刻，在工法选择与环境保护方面的要求更加严格。纵观成都地铁十多年建设史，富水砂卵石地层区间隧道基本采用盾构法施工，“能盾则盾”是地铁区间隧道工法的基本原则[2]。然而，随着前三轮建设规划线路的陆续建成通车，在已实施地铁线路占据了有利的地下廊道后，后续线路面临的建设条件与环境保护要求将更加苛刻，再加上由于盾构法隧道必须考虑盾构始发与接收场地、无法有效清除隧道开挖范围内的障碍物(清障能力有限)、大粒径砂卵石地层中容易引起超挖与地层空洞等弊端，导致其应用受到了一定限制[3]。相比于盾构法，矿山法具有场地布置灵活、占地少、工法灵活多变与适应性强等明显优势，在盾构法无法实施或盾构法经济性较差的地段，往往成为盾构法的重要补充，发挥着举足轻重的作用，在4号线中医学院～长顺街区间下穿2号线、4号线万年场～东三环区间下穿成绵乐高铁[4]以及5号线省骨科医院～高升桥区间下穿3号线盾构隧道等工程[5]中都得到了应用，矿山法可谓是“受任于盾构法危难之时”。

众所周知，成都地区砂卵石地层属于典型的强透水地层，对于第四纪松散地层中的矿山法隧道而言，超前支护措施及其效果是关系到隧道开挖安全的关键因素，而典型的地下水位高、卵石含量高以及地层强度高的“三高”特点，决定了一般的超前加固措施难以达到预期效果。

对于富水砂卵石地层条件下的地铁隧道而言，由于矿山法隧道能够有效弥补盾构法隧道在整体工筹方面的缺陷或不足，确保地铁工程整体工期的顺利实现，因此一些学者进行了相应的研究[6-7]，但缺少对大管棚承载机理、有效控制隧道开挖与衬砌阶段地层位移的有效措施。本文基于富水砂卵石地层特性，针对矿山法隧道施工过程对地层的扰动主要集中在开挖支护与洞内临时支撑拆除两个阶段，首先论证了地层超前支护措施在矿山法隧道中的需求，明确了超长大管棚承载机理及其关键工艺；基于富水砂卵石地层在降水条件下的自稳能力，提出了快封闭、强支护限制开挖阶段拱顶位移的思路；针对洞内临时支撑拆除引起的应力释放，提出了可有效控制隧道拱顶位移与应力释放的多层衬砌结构，满足富水砂卵石地层矿山法隧道穿越重大风险源施工需要，为矿山法隧道的推广应用奠定基础。

2 工程地质与砂卵石地层特性

成都地铁区间隧道主要走行于富水的中密、密实卵石土，典型地层物理力学参数如表1所示。

表1 工程地质条件

由表1可知，砂卵石地层凝聚力为零，内摩擦角较大，再加上粗颗粒骨架搭接，细粒填隙的基本构架形式(见图1)，同时地层具有卵石含量高以及地层强度高的特点，因此地层微扰动情况下具有较高的整体自稳能力，导致其坍塌变形具有：坍塌前变形趋势不明显，坍塌破坏表现出明显的“脆性”特征，即超出自稳能力后突然坍塌，同时隧道埋深不足时可能出现整体大规模坍塌与失稳现象[8]。

图1 典型砂卵石地层情况(自稳能力)

3 矿山法隧道地层超前预加固措施

如何充分认识、利用与改造砂卵石围岩，基于有效的超前支护措施，实现“超前支护(改造围岩)、快速封闭、安全通过”的目的，是面临的一大挑战。

3.1 砂卵石地层超前支护措施

众所周知，成都地区富水砂卵石地层属于强透水地层，对于矿山法隧道而言，超前支护措施效果是关系到工程安全的关键，常用的超前支护方法有大管棚、插板法(预切槽)、超前锚杆法和小导管预注浆等，虽然有时也采用预留核心土、分部开挖(如单侧导坑和双侧导坑)并辅以钢架支护和超前小导管注浆支护等多种手段，但这些做法工序多，循环短，效率低，效果也不理想，很难控制围岩变形及地表下沉。

3.2 大管棚承载机理与发展趋势

目前的大管棚超前预支护措施，主要是利用管棚与钢拱架组成的棚架体系，利用钢管作为纵向预支撑(梁效应)、钢拱架作为横向环形支撑(拱环效应)，构成纵、横向整体刚度较大的支护系统(三维梁拱效应的组合结构)，阻止和限制围岩变形，提前承受早期围岩压力，但对于富水砂卵石地层而言，由于降水后地层自稳性较好，此时大管棚的超前预支护机理已经发生了转变。

近年来，由于长距离穿越重大风险源施工需要，管棚长度与直径越来越大，管棚施工难度也越来越高，尤其对管棚施工精度有严格要求时。根据成都地铁十多年建设经验，富水砂卵石地层中大管棚一次钻进长度不大于30 m时，成孔精度与施工效果基本可控。但后续地铁线路建设对高精度、超长大管棚的需求却越来越迫切，很多地段由于超长大管棚施工效果无法保证，导致区间工法调整[9]，或重大风险源地段增设管棚工作井，极大地增加了工程风险与实施代价!

3.3 富水砂卵石地层大管棚支护机理

以黏性土与淤泥质土为代表的软土地层，大管棚超前支护作用非常明显(如杭州解放路隧道)，但在富水砂卵石地层，考虑到降水后地层具有一定的自稳能力，此时大管棚+小导管超前支护的作用主要表现在隔断开挖扰动、减小地层应力释放(见图2，管棚隔断施工扰动保护范围内地层基本稳定)，软弱地层中的“棚架”效应并不明显。

图2 富水砂卵石地层大管棚施工扰动隔断效应(仰视)

针对富水砂卵石地层矿山法隧道典型大管棚支护参数(φ146×10.0钢花管，环向间距0.3 m，隧道拱顶150°布置)，等效抗弯刚度计算如表2、表3所示。

表2 隧道拱顶以上管棚(φ146@300 mm)等效刚度计算

表3 隧道拱顶以上超前支护等效刚度计算/C30

计算可知，隧道拱顶以上大管棚+小导管超前支护措施，理论上可形成一定等效刚度的承载拱圈，进一步可换成一定高度的C30钢筋砼扣拱。一方面可极大地减少隧道拱顶的应力释放与沉降变形，满足穿越重大风险源施工需要；另一方面也可减少支护结构荷载，有利于支护结构的长期稳定性与耐久性，经济效益更加明显。

3.4 超长大管棚工艺关键技术

近年来，高精度超长大管棚在实际工程中的需求越来越迫切，如成都地铁某区间穿越火车北站铁路咽喉区，穿越段管棚施作长度突破50 m，见图3。

图3 大管棚现场实施情况

超长大管棚关键工艺主要涉及顶进工艺、钻头强度与破岩(石)能力、钻进精度与导向装置等。

(1)大管棚顶进工艺与钻头选取

穿越重大风险源施工期间，管棚钻进扰动需要严格控制，应考虑施工扰动小、钻进与成孔效果可控的顶进工艺。

实际工程表明，潜孔锤跟管钻进、螺旋出土工艺在高强度砂卵石地层中具有较好的效益。管内设置螺旋出土钢管，出土钢管中间是螺旋钻杆；顶进钻头可选用高强度合金钢，通过顶进前方钻头冲击破碎前方卵石土，回转钻头将破碎的渣土排出，通过钻孔螺旋钻杆出土，见图4。

图4 大管棚打设用钻头

(2)大管棚施工导向控制与方向调节

穿越重大风险源地段，管棚钻进施工精度需要达到1%以内，因此管棚导向应采用“倾角偏差”和“坐标测量”双重控制标准。

大管棚螺旋冲击钻进施工主要靠钻头自重和定位扩孔方式调节管棚顶进方向。

(3)大管棚注浆工艺

大管棚管壁与地层之间存在一定空隙，可采用流动性好、具有微膨胀性的水泥(砂)浆进行管棚内注浆。

由于管棚长度大，注浆范围长，同时为防止过大的注浆压力引起地层劈裂破坏与地层隆起变形，因此注浆压力需要严格控制，具体注浆压力值(终值)可参考公式(1)，并根据监测情况综合确定。

式中，Pmax为注浆压力终值；γ为地层重度；h为注浆点埋深；λt为围岩抗拉强度。

4 基于微台阶开挖工法的快速支护技术

富水砂卵石地层，尤其是中密、密实的卵石土，虽然颗粒胶结程度一般属于弱胶结，但由于粗粒搭接的颗粒骨架结构，因此降水条件下具有相对较强的自稳能力(微扰动状态)。如何有效利用微扰动情况下地层的自稳能力，实现支护结构快速封闭，在地层变形加剧或失稳前形成有效支护，有效避免常规支护封闭滞后面临的局部坍塌风险，一方面满足穿越重大风险源施工需要，另一方面实现重大风险源地段迅速施工、快速通过的目的。

4.1 基于微台阶工法的初支结构快速封闭工艺

基于黄土地区既有工程经验[10]，与全断面初支结构相匹配的开挖工法为微台阶施工法(介于全断面开挖与上下台阶法之间)，减小上台阶进尺，减小单次开挖扰动范围，上台阶进尺缩短、下台阶紧跟，有利于下半断面初支结构快速封闭(缩短初支封闭时间)，具体上台阶长度一般可考虑为1～3 m，具体可视地层情况而定(中密卵石土地层按1～2 m考虑，密实卵石土地层按2～3 m考虑)，见图5。

图5 微台阶开挖工法示意

4.2 大刚度双曲拱形初支结构

初支结构应具有较强的整体刚度，在穿越重大风险源地段能够最大程度减小拱顶位移，满足风险源保护需要。此时，需要突破常规围岩支护特性曲线的束缚，在围岩应力释放前，施加强力支护措施，最大程度维持围岩初始状态。基于此，本文引入双曲拱形初期支护结构理念[11]，基于纵向曲形的双曲拱形初期支护结构，在隧道纵断面上形成扁形连拱，有效适应荷载分布的变化，实现隧道横向和纵向两个方向的受力优化，将初期支护结构由横断面承载转变到三维空间承载，增加初期支护结构整体刚度，起到严格控制隧道拱顶沉降变形的目的，满足穿越重大风险源施工需要，见图6。

图6 双曲拱形隧道初期支护结构示意

5 无水作业与洞内降排水措施

无水作业是矿山法隧道施工的前提，无水作业一方面可以改善洞内作业环境、提高作业效率，更为重要的是对地层而言，也是一种有效的加固措施。

然而，随着隧道埋深的增加，常规地面降水施工对应的水位降深可能超过30 m，或者受周边环境所限无条件进行地面降水施工，此时必须采用洞内降水与明(抽)排相结合的处理方案[12]。

考虑到成都富水卵石土地层地下水位高、侧向补给强这一特点(地层透气性强，井点真空降水效果差，斜射井点超前降水效果欠佳)，洞内降排水应采用以排为主、降排结合的思路，采用盲管、接力井、集水井、抽排相结合的综合降排水措施。

洞内引排水采用盲管紧跟下台阶(仰拱封底无水作业)，基于微台阶法的下台阶长度较短，因此可最大程度缩小盲管与开挖面之间的距离，最大程度实现开挖面无水作业，见图7。

图7 洞内降水井(集水井)施工情况

对于洞内降水井的数量，可根据水位降深需要，按照潜水完整井公式计算涌水量Q，随后考虑单口井降水能力后确定降水井数量[13]。

式中，Q为基坑涌水量(m3/d)；k为地层渗透系数(m/d)；H为潜水含水层厚度(m)；Sd为基坑地下水位的设计降深(m)；R为降水影响半径(m)，R＝2×；r0为基坑等效半径(m)。

式中，n为降水井数量；q为设计单井管井的出水量(m3/d)，按计算公式(4)确定。

式中，rs为过滤器半径，可取0.15 m；l为过滤器进水部分长度，可取0.8 m。

6 多层衬砌结构与洞内临时支撑拆除

隧道拱顶应力释放与沉降变形是矿山法隧道洞内临时支撑拆除阶段必须要面临的问题，为确保穿越既有线或运营铁路安全，拱顶位移在洞内临时支撑拆除阶段必须得到严格控制。

一般而言，对衬砌结构耐久性有严格要求的情况下会用到多层衬砌结构形式，如港珠澳大桥拱北隧道。基于铁路隧道设计经验，第一层衬砌结构(二次衬砌)在洞内临时支撑拆除前实施，等到衬砌达到设计强度并承担大部分围岩荷载后，随后再拆除洞内临时支撑，最后施作第二层衬砌结构(三次衬砌，永久结构)，则可有效解决洞内临时支撑拆除期间隧道拱顶的应力释放。

6.1 多层衬砌结构内力分析

以富水砂卵石地层某矿山法隧道工程为例(地层参数详见表1)，对多层衬砌结构矿山法隧道结构内力进行计算(二衬厚250 mm，三衬厚300 mm)[14]，二次衬砌施工、洞内临时支撑拆除、三次衬砌施工阶段衬砌结构弯矩等值线图见图8～图10。

图8 二衬浇筑后二衬弯矩等值线图

图9 拆撑与三衬浇筑阶段二衬弯矩等值线图

图10 三衬浇筑后三衬弯矩等值线图

由图可知，二次衬砌施工、临时支撑拆除与三次衬砌施工阶段，二次衬砌最大弯矩值分别为30 kN·m、70 kN·m与72 kN·m，三次衬砌拱最大弯矩值为3.0 kN·m。因此，二次衬砌承担了大部分荷载，作为永久结构的三次衬砌，承载的荷载很小。如采用常规单层衬砌结构型式，衬砌结构内力计算结构如表4所示。

表4 常规单层衬砌结构内力与配筋计算

由多层衬砌与单层衬砌结构受力计算结果可知，对于常规的单层衬砌结构而言，二衬承担荷载较大，因此配筋相对较大，与多层衬砌结构相比，衬砌结构含钢量与工程造价基本相当，但多层衬砌结构对应的三衬(永久衬砌)安全系数大，更有利于结构的稳定与长期耐久性。

6.2 多层衬砌结构竖向位移等值线图分析

双层衬砌隧道工程施工期间，矿山法隧道与隧道拱顶上方0.5倍洞径(3 m)处地层沉降变形情况如图11所示。

图11 隧道拱顶与上方地层沉降监测情况

由图11可知，隧道上方地层最大沉降值-13 mm，满足变形控制标准[15-16]。同时，初始开挖阶段，隧道拱顶上方地层沉降值-7 mm，二衬施工后拆撑阶段，拱顶上方地层沉降值-12 mm，增幅为-5 mm，隧道拱顶地层的沉降变形主要集中：初始开挖扰动与拆撑阶段，初始开挖扰动阶段引起的变形相对较大，而二衬施作后对拆撑引起的应力释放有一定的抑制作用。