松散地层隧道预加固技术

李刚占，富志鹏，李博融

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司 高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室，陕西 西安 710065）

0 引 言

随着中国公路建设不断往西部及山区延伸，建设工程不可避免地要面对诸多特殊地质工程难题。攻克复杂地质条件下的公路工程修建难题，特别是松散地层公路隧道建设难题，以保障工程质量和施工安全尤为重要［1－3］。在隧道初期支护之前，施工影响范围内地表及深层土体易发生沉降，为保证开挖掌子面及预开挖岩土体稳定，超前支护必不可少，特别在松散地层进行隧道建设，合理的预支护方式尤为关键［4－5］。松散体在注浆凝固后，强度可增加50%以上，从而大幅改善支护结构的受力状态［6－7］。

青海海东某公路隧道穿越松散砂卵石地层，隧道围岩以细砂为主，卵石含量相对较低。由于地层自稳能力差，加之对于围岩应力应变规律及支护结构受力特性不甚明确，洞内开挖过程中漏砂甚至局部坍塌问题频发，不仅毁坏作业机具，更严重影响了作业施工人员安全及工程总体进度［8－11］。因此，本文开展隧道开挖预支护方案研究，提出科学合理的超前支护手段，保证隧道施工安全。

1 工程概况

青海海东某公路隧道采用左右线分离式结构，左线全长2 069m，右线全长2 061m，均属长隧道，最大埋深左线约221．0m、右线约为218．0m。隧道出口平面线型为圆曲线，洞身段为直线。依托工程松散体组分以80～260mm的漂石为主，粒组占比达61．54%。就分布状态来看，粒径较大的卵石和漂石近似层状分布。根据工程现场取样及筛分试验结果可知，不同粒组占比差异较大，级配连续性差，细粒砂通过卵石骨架在开挖扰动下极易漏砂，甚至出现局部塌腔。由于隧址区地层含水量极低，细颗粒之间几乎呈点对点接触，传力灵敏，岩土体发生宏观大变形概率大［12－14］。

2 超前支护方案设计

根据类似松散、软弱地层隧道修建经验，初步确定超前小导管注浆、超前短管棚注浆和水平旋喷桩方案可应用于砂卵石地层隧道开挖，并通过超前支护效果对比，提出最优支护方案。

2．1 超前小导管注浆

沿隧道开挖轮廓密排打入长6m的Φ42小导管，环向间距10cm。小导管每2m设置一环，每环搭接长度为3．9m，形成一层空间超前支护棚拱。

2．2 超前短管棚注浆

沿隧道开挖线打设Φ108超前管棚。为起到封堵漏砂的作用，6m短管棚环向密排布置，循环搭接长度为1．5m。由于砂卵石隧道不具备开挖工作腔室的条件，管棚通过固定在钢拱架的导向管以12°倾角打入。

2．3 旋喷桩

针对细粒砂密集区，旋喷桩单层布设于隧道开挖线，设定加固范围为180°。根据地层特点，旋喷桩间距取35cm，长15m，桩间搭接15cm。

3 加固效果数值计算

计算采用有限差分法，以三台阶开挖工法为典型代表，模拟施工过程。二次衬砌施作完成后，围岩位移、应力，初期支护轴力、弯矩，二次衬砌第一、第三主应力计算结果分别如表1～4及图1～3所示。

表1 围岩变形

表2 拱顶沉降

表3 各超前支护下初期支护内力

表4 各超前支护下二衬应力

4 结果分析

从围岩变形对比（图4）来看，超前短管棚注浆对围岩变形的控制效果最好，最大拱顶沉降为136mm，最大水平位移为14mm；水平旋喷桩次之，其最大拱顶沉降为160mm，最大水平位移为22mm；超前小导管注浆效果最差，最大拱顶沉降为165mm，最大水平位移为22mm；无超前支护条件下，最大拱顶沉降为181mm，最大水平位移为28mm。

从初期支护内力来看，超前短管棚注浆的初期支护最大弯矩为295kN·m，最大轴力为1 367 kN；水平旋喷桩初期支护最大弯矩为351kN·m，最大轴力为1 168kN；超前小导管注浆初期支护最大弯矩为358kN·m，最大轴力为1 145kN；无超前支护条件下，初期支护最大弯矩为371kN·m，最大轴力为1 059kN。随着超前支护刚度的增加，初期支护的轴力不断增大，弯矩则不断减小。

图1 超前小导管注浆支护计算结果

图2 超前短管棚注浆支护计算结果

图3 水平旋喷桩支护计算结果

图4 不同超前支护方案地层及结构变形对比

从二衬应力来看，超前短管棚注浆的二衬最大拉应力为0．74MPa，最大压应力为3．06MPa；水平旋喷桩二衬最大拉应力为0．83MPa，最大压应力为2．98MPa；超前小导管注浆二衬最大拉应力为0．77 MPa，最大压应力为2．81MPa；无超前支护的二衬最大拉应力为0．75MPa，最大压应力为2．79MPa。随着超前支护刚度的增加，二衬所受压应力不断增大，拉应力不断减小。

结合实际施工情况，对上述3种超前支护的特点进行汇总，如表5所示。

表5 超前支护特点对比

5 结 语

本文结合松散地层隧道施工实际，通过数值计算对比分析了常用隧道预加固技术措施，明确了不同加固措施下围岩的变形特征及结构内力。基于加固作用效果，揭示了短管棚注浆应用于砂卵石隧道超前加固的适用性和必要性。

（1）不同超前预支护方式下，随着超前支护刚度的增加，初期支护的轴力均不断增大，弯矩不断减小；二衬所受压应力不断增大，拉应力则不断减小。

（2）超前短管棚注浆的围岩变形和沉降控制效果最好，水平旋喷桩次之，超前小导管注浆效果最差。超前短管棚注浆条件下，拱顶沉降较无支护减小25%，较超前小导管减小18%，较水平旋喷桩减小15%。

（3）砂层密集区采用水平旋喷桩技术施工工艺相对简单、周期相对较短，但能否在砂卵石隧道中成功应用的关键在于注浆效果；超前小导管注浆应根据注浆扩散范围和砂体滑动面，合理确定小导管环向间距和长度。超前密排短管棚注浆根据现场施工及数值分析反馈，封砂堵漏效果显著，沉降控制效果好，可作为松散地层隧道开挖预支护推荐方案。