公路穿越碎石杂填土浅埋段设计方案比选及处治研究

闫立来

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

随着山岭区隧道修建得越来越多，隧道穿越碎石杂填土层的情况也越多，碎石杂填土成分、粒径复杂，具有固结时间短、结构相对松散、承载能力差、变形大等特点。如何根据碎石杂填土特点选择经济合理的处治措施是众多学者研究的关键问题。

目前在隧道工程建设中，对于碎石杂填土等破碎围岩体浅埋地段，通常采用地表注浆加固的方法进行加固处治，通过浆液固结周围松散土体，从而提高岩土体的强度和整体性，确保工程施工安全。李世麟、杨洪誉、张志强等研究了城市人工杂填土隧道围岩稳定及支护力学特性[1]，形成了一套关于杂填土的理论体系和科学的施工方法。韩立军、宗义江、韩贵雷等对破碎岩体结构面注浆加固效果的影响因素进行了研究[2]，揭示了注浆对结构面力学性能的作用规律。许宏发、耿汉生、李朝普等总结出破碎岩体注浆加固体强度估计经验公式和增长理论[3]。

本文以山西省祁县至离石高速公路穿越石料厂碎石杂填土区浅埋段为依托，从穿越区地形、地貌及碎石杂填土工程特性分析出发，进行多方案比选，确定出公路穿越碎石杂填土区域的最优设计方案，以此指导设计和施工。

1 工程概况

山西省祁县至离石高速公路是山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”中第七横线的重要组成部分，东接榆祁高速（S60）及京昆高速（G5），西接吕梁环城高速进而连接青银高速（G20）。西社隧道为本项目的一座分离式中隧道，隧址区为褶皱断块溶蚀剥蚀中低山区，基岩裸露，少有覆盖层，隧道围岩主要以奥陶系马家沟（O2m）灰、深灰色石灰岩夹薄层泥灰岩为主，灰岩层理交错发育，地层呈单斜状，地质构造较为稳定，水文地质条件较为简单。

西社隧道洞身在左线ZK34+140—ZK34+192（右线K34+160—K34+220）范围穿越一石料厂碎石杂填土区浅埋段，隧道左线洞顶净埋深13.5～15.0 m，右线洞顶净埋深9.5～12.5 m，目前隧道穿越区上方主要为石料厂机制石子堆放区和生活区。隧道与石料厂位置关系平面图如图1所示。

图1 隧道与石料厂位置关系平面图

根据现场地质钻探取样揭示：0～14 m范围内主要为石料厂堆渣，成分为灰岩小石子、石粉、采石场开挖弃渣土等，呈棱角状，粒径2～4 cm，中夹较大灰岩碎块；14～16 m范围主要为碎石土，成分为砂砾石、破碎灰岩碎石、粉质黄土等，呈次棱角状；16～25 m范围为马家沟组（O2m）全-强风化灰岩组成。隧道穿越石料厂地质纵断面如图2所示。

图2 隧道穿越石料厂地质纵断面图

2 设计方案优缺点比选

对于路线穿越石料厂路段，在设计过程中从路堑方案、明挖隧道方案、暗挖隧道方案3种方案进行比选。

2.1 路堑方案比选

a）优点 施工简单、进度快，造价低等。

b）缺点 （a）本段山沟内路堑挖深在18.5～23.0 m之间，季节性的洪水无法顺沟排放，直接流入路线左线路堑内，对公路安全存在重大隐患；（b）路堑边坡及隧道的仰坡高，占地多，防护量大；（c）石料厂被占用，赔偿费用高。

2.2 明挖隧道方案比选

a）优点 施工简单、进度快，造价相对路堑方案高等。

b）缺点 （a）边仰坡高，占地多，防护量大；（b）隧道洞顶回填高度根据隧道结构特性一般控制在5.0 m以下，致使隧道洞顶回填后形成一块洼地，季节性的洪水无法顺沟排放，增加隧道安全隐患；（c）石料厂被占用，赔偿费用高。

2.3 暗挖隧道方案比选

a）优点 对地表影响小，不需要对石料厂进行征拆，不占地。

b）缺点 （a）该段浅埋浅、土体成分粒径复杂、空隙率大、固结时间短、黏结强度低、整体性差等特点，需进行加固处理；（b）可能会引起塌方、冒顶、人员机械受损等事故；（c）造价相对高、施工进度慢。

设计过程中根据以上3种方案的优缺点，并结合造价对比、环境影响和后期公路运营安全等方面分析，确定地表注浆加固暗挖隧道施工设计方案为符合本项目的最优方案。

3 地表注浆加固设计

浅埋段地表注浆加固施工方便，对渣体空隙填充、提高围岩整体强度和稳定性作用显著，同时也为隧道暗挖顺利施工提供重要的安全保障。

3.1 注浆横向加固宽度

隧道穿越石料厂浅埋段横向加固宽度按破裂面估算法计算[4]：

式中：B为加固宽度，m；b为隧道开挖宽度，m；h为隧道埋深，m；H为隧道开挖高度，m；φ为岩体内摩擦角，（°）。

隧道穿越石料厂区地表注浆加固范围如图3所示，洞身埋深h取均值12 m；隧道开挖宽度b=12 m；隧道开挖高度H=8 m，代入式（1）。

图3 注浆加固范围图

可知单侧破裂面与地面线交点A到隧道开挖边界交点B之间的距离L约等于1倍隧道开挖宽度12 m，故本项目地表注浆横向加固宽度取隧道两侧各12 m之间的距离设计，加固范围：L1.2=72.5 m，L2.3=57.6 m，L3.4=79.7 m，L4.1=26.3 m，加固面积3 040 m2。隧道地表注浆加固平面图如图4所示。

图4 隧道地表注浆加固平面图

3.2 地表小导管注浆加固方案

地表小导管注浆孔间距1.5 m，梅花型布置。钻孔采用Φ110，孔深由地表至洞身外开挖轮廓外0.5 m。小导管注浆采用Φ42热扎无缝钢管，壁厚4 mm，小导管管身打Φ8注浆孔，孔眼间距20 cm并交错布置，注浆管长度在10～14 m。小导管注浆压力为0.5～1.0 MPa，注浆采用后退式分段注浆，注浆过程中注浆压力应逐级缓慢提升。浆液为水泥浆，水灰比1∶1。隧道地表注浆加固剖面图如图5所示。

图5 隧道地表注浆加固剖面图

式中：q为单孔注浆量，m3；Q为注浆总量，m3；H为注浆长度，m；n为地层空隙率，%；α为空隙填充率，%；β为浆液损失率，%；N为注浆总孔数，孔。

根据隧道穿越碎石杂填土特性，地层空隙率n取值5%，空隙填充率α认为完全填充取值100%，浆液损失率β取值5%。

注浆总孔数：N=3040/0.48=1459孔。钻孔长度：L=1459×12=17508 m。

注浆总量：Q=Nq=1459×3.14×0.82×12×5%×100%×（1+5%）=1848 m3。

隧道地表注浆加固工程量及造价表如表1所示。

表1 地表注浆加固工程量及造价表

4 注浆效果检查和评价

隧道浅埋段地表注浆全部注完后，养生时间不小于28 d，养生期间禁止重载车辆通行和堆载。养生结束后进行注浆效果检查和评价，首先对注浆过程中的注浆压力和注浆量记录资料综合分析，检查是否达到设计要求；再次进行注浆前后地层速度检测，判断浆液填充的密实程度，对不合格处补注浆液。

本项目对注浆加固区施工前后采用了瑞雷波检测，瑞雷面波速度等值线图清晰地反映了各测线面波速度随深度的变化情况，具有高波速对应高强度、低波速对应低强度的特性，面波速度等值线图从侧面直观形象地反映了地层注浆加固前后的强度变化情况。

本次检测在注浆范围内沿隧道横向布设了4条测线，测线间距为10 m，各测线上等间距布设测点。测线1布设测点5个，间距15 m；测线2、测线3布设测点7个，间距10 m；测线4布设测点4个，间距8 m，检测布设图如图6所示。本文选取中间测线2和测线3注浆前后波速进行分析。

图6 检测布设图

4.1 测线2注浆前后波速分析

测线2波速等值线图如图7所示，注浆前0～14 m深度范围面波波速在300～400 m/s，且0～10 m深度波速基本在300～360 m/s。注浆后仅在边缘存在小范围低波速区，其余范围内波速分布在400～500 m/s以上，局部强度提升较大，反映出注浆区整体强度提升明显，加固效果较好。

图7 测线2波速等值线图

4.2 测线3注浆前后波速分析

测线3波速等值线图如图8所示，注浆前0～14 m面波波速在300～390 m/s，注浆后仅在3X01～3X02边缘浅部存在小范围低波速区，其余范围内波速在380～400 m/s以上，反映出注浆区整体强度提升明显，加固效果较好。

图8 测线3波速等值线图

5 结语

a）通过对路堑方案、明挖隧道方案、暗挖隧道方案3种方案比选，并结合造价、环境影响和后期公路运营安全等方面分析，确定地表注浆加固暗挖隧道施工设计方案为符合本项目的最优方案。

b）地表注浆横向加固范围取隧道两侧各1倍开挖宽度及之间的距离。地表注浆采用Φ42小导管，孔间距1.5 m，梅花型布置，钻孔采用Φ110，注浆采用后退式分段注浆，浆液为水泥浆，水灰比1∶1。

c）通过对测线加固区前后瑞雷面波速度等值线图分析，注浆加固前场地整体上处于波速较低状态，面波波速在180～400 m/s之间，注浆加固后面波波速均在400 m/s以上，波速提高较明显，表明加固效果较好。