干燥粉细砂隧道超前预加固方案优化研究

张 亮

(中国铁路兰州局集团有限公司，甘肃 兰州 730000)

隧道修建施工过程中难免遇到软弱松散围岩，隧道在此条件开挖过程中会对邻近围岩造成较大扰动、产生应力重分布，如果不及时在施工前对围岩进行超前加固，施工过程中极易产生掌子面涌砂滑塌，造成拱顶沉降、拱腰收敛变形过大，给隧道施工及运营维护带来很大困难。

关于隧道超前加固的研究，国内外学者进行了大量的工作也取得了不错的成果：王震等[1]以西安地铁车站施工为背景，通过数值模拟方法结合现场监测验证了隧道大管棚超前加固在黄土地区施工的可行性；杨建周[2]以某松散堆积体隧道为例，在符合室内试验力学性能基础上采用自行设计的浆液对隧道拱部120°范围进行加固并对加固效果进行评价；李建军[3]以万荣隧道为例，利用数值模拟手段，分析水平旋喷桩超前加固对于砂石黄土隧道加固效果，结果表明水平旋喷桩加固效果明显，对加固掌子面保持稳定性有很不错的效果。

上述研究对于隧道穿越不良地质段的超前加固有一定借鉴意义，但现阶段对于粉细砂地层隧道超前加固的研究还不是很多。本文以中兰铁路盘岘山隧道穿越干燥粉细砂地层为实例，采用数值模拟方法对隧道不同超前加固措施进行对比分析，并根据工程施工特点提出优化方案，为类似工程施工提供借鉴。

1 工程概况

新建中兰铁路盘岘山隧道位于兰州市兰州新区中川镇境内，隧址区地貌属黄土梁区，期间分布较多谷沟，地形起伏较大。隧道全长2 829 m，为双线隧道，其中DK236+633—DK236+706段地层岩性为第四系上更新统风积粉砂，呈稍湿、中密状，呈松散结构，掌子面干燥，未见地下水，围岩稳定性差，易发生流沙现象，为Ⅴ级围岩；DK236+706—DK236+750段地层岩性为第四系上更新统风积粉砂和砂质黄土，粉砂主要分布在上台阶以上部位，粉砂呈稍湿、中密状，呈松散、松软结构，围岩自稳性一般，掌子面干燥，未见地下水，为Ⅴ级围岩。2019年9月24日隧道开挖至DK236+633，上台阶及拱顶位置为粉砂层，其余位置为砂质黄土，洞内溜砂严重，如图1所示。通过DK236+633上台阶掌子面揭示及中下台阶粉砂层走向推测，粉砂层范围进一步扩大至全断面。后经过详细的地质钻探，最终确定对隧道施工影响的含砂地层终止里程为DK236+750。

图1 DK236+633掌子面溜砂情况

2 数值模拟分析

2.1 计算模型

整个计算模型在x(横向)、y(纵向)、z(竖向)拟定的计算尺寸分别为100 m×40 m×100 m，模型上部采用自由边界的地表面，其余各部位均采取法向约束，整体隧道计算模型及局部网格见图2。围岩、旋喷桩预支护拱棚和倾斜旋喷桩预加固，采用八节点六面体单元来模拟。

图2 三台阶临时仰拱法+竖撑法计算模型

2.2 计算参数

对模型计算参数赋值，将地层作为理想弹塑性摩尔-库仑材料，初支与二衬等作为弹性材料考虑[4]。根据现场地质勘察报告，结合《铁路隧道设计规范》及室内试验相关标准确定围岩物理、力学参数。依据文献[5]中超前小导管注浆及深层咬合桩试验并结合文中关于粉细砂层隧道施工过程数值模拟相关参数，本文采用的具体的地层和支护物理力学指标见表1。

表1 计算模型所采用的物理力学参数

根据施工现场具体情况，本文采用三台阶+临时竖撑法施工，拟模拟两种超前预加固支护方案，工况一为双层大管棚+小导管注浆，工况二为旋喷桩。在此基础上，再对三台阶法无临时仰拱和有临时仰拱两种工况的隧道施工过程进行三维数值模拟分析。

2.3 超前加固方案对比分析

2.3.1 洞周位移

考虑到模型边界约束对于数值计算的结果将产生一定影响，故为最大可能减少影响，数值计算中选取模型中间的断面为数据分析断面，不同工况下中间断面周边位移最终计算结果见表2。

表2 两种工况下隧道周边位移计算结果 mm

从以上隧道变形看，旋喷桩超前加固方案水平收敛和拱顶下沉值明显比双层大管棚+小导管注浆方案减小很多，隧道变形得到很好的控制。

2.3.2 初期支护应力

旋喷桩超前加固方案开挖完成后初期支护目标面处的最小主应力(压应力)和最大主应力(拉应力)分布见图3，双层大管棚+小导管注浆超前加固方案图略，两种工况初期支护最大主应力见表3。

图3 旋喷桩方案施工完成后初期支护的主应力(单位：Pa)

表3 初期支护最大主应力 MPa

由图3、表3及计算结果可看出，双层大管棚+小导管注浆方案和旋喷桩方案两种方案的初期支护结构的压应力和拉应力的分布规律基本上是相同的，两侧边墙全部为压应力，可以充分发挥混凝土抗压强度高的优点；初期支护的最大压应力都发生在隧道两侧边墙墙角部位，方案一和方案二的最大值分别达15.85 MPa和9.02 MPa，方案二比方案一的最大压应力减小43.1%；两种方案初期支护的最大拉应力都位于隧道拱顶内侧部位，方案一和方案二的最大值分别达1.55 MPa和1.01 MPa，方案二比方案一的最大拉应力减小34.8%，且双层大管棚+小导管注浆方案的拉应力范围比后者大。

综合以上可得，双层大管棚+小导管注浆方案周边位移较大，且初期支护拉、压应力均超过初支结构C25抗压强度设计值11.9 MPa和抗拉强度设计值1.27 MPa，不满足结构受力要求，故应采用旋喷桩超前加固方案。

2.4 临时仰拱方案计算分析

2.4.1 洞周位移变化特征

为最大限度减少边界约束对计算结果的影响，同样选取中间断面作为计算数据提取断面，隧道进口工区上半断面粉细砂层段无临时仰拱三台阶法与有临时仰拱三台阶法周边位移变化与开挖步关系曲线见图4；两种工况中间断面周边位移最终监测结果见表4。

图4 三台阶法施工周边位移变化与开挖步变化曲线

表4 有无仰拱隧道周边位移计算结果 mm

从图4和表4可以看出：

(1)采用三台阶法施工时，设置临时仰拱和不设置临时仰拱两种工况下各观察点处的周边位移随开挖步(或距上台阶开挖面的距离)变化规律是相似的。

(2)上台阶开挖面尚未到达目标断面之前，隧道周边的各处位移已经发生，且开挖面越靠近目标断面，位移变化的速率也越大；到达目标断面时的位移变化速率达到最大值，随着开挖面的离开，变形速率逐渐减小。

(3)各分部施工通过目标断面开挖后约10 m(相当于0.7倍隧道开挖跨度)范围内的施工对相应的周边位移影响都非常大，周边位移变化较快。在开挖面离开目标断面1.0倍隧道开挖跨度后，隧道周边变形都很快趋于稳定值。

(4)无临时仰拱三台阶法和有临时仰拱三台阶法最终拱顶下沉值分别为65.2 mm和60.8 mm；有仰拱条件下的拱顶沉降只比无仰拱条件下的拱顶沉降小了4.4 mm，减少6.7%，临时仰拱对抑制拱顶沉降效果不明显，主要原因是预留核心土使上台阶仰拱延迟施作，上台阶不能及时形成封闭结构。

(5)两种工况下的水平收敛最大值出现在隧道跨度较大处(第二台阶测线)，无仰拱和有仰拱二者水平收敛值最大值分别达50.4 mm和32.7 mm，有仰拱条件下的水平收敛比无仰拱条件下的水平收敛减小了17.7 mm，减少35.1%，所以临时仰拱对控制隧道水平收敛效果明显。

(6)无临时仰拱条件下的隧道拱顶预沉降值53.4 mm，有仰拱时隧道拱顶预沉降值为50.7 mm，分别占各自工况下隧道拱顶总沉降值的81.9%和83.4%，对于粉细砂地层，采用旋喷桩加固后，开挖到掌子面前预变形量很大，应注意旋喷桩预加固施工质量。

从以上隧道变形结果分析可知：有临时仰拱对控制水平收敛有一定效果，由于核心土的存在不能使临时仰拱及时施作，导致其对控制拱顶预沉降的作用较小；在施工过程中，应注意旋喷桩预加固施工质量。

2.4.2 初期支护应力分析

隧道开挖完成后，有无临时仰拱方案目标面处初期支护最大压应力和最大拉应力结果见表5。

表5 有无临时仰拱方案初期支护最大主应力 MPa

由表5和计算结果可知，无临时仰拱和有临时仰拱两种工况下，初期支护结构主应力的分布规律基本上是相同的，有临时仰拱后控制了变形，但是有临时仰拱工况的最大拉、压应力反而都大于无临时仰拱工况。两种工况下，隧道两侧边墙全部为压应力，初期支护的最大压应力都发生在隧道两侧边墙墙角部位，可以充分发挥混凝土抗压强度高的优点；两种方案初期支护的最大拉应力都位于隧道拱顶内侧部位。

综合以上可得，有临时仰拱方案对于控制水平收敛非常有利，为了确保粉细砂地层隧道的安全施工，采用旋喷桩超前加固方案基础上应采用三台阶临时仰拱法施工。

3 施工控制关键技术

根据现场工程地质条件，应在隧道拱部150°范围内设计水平旋喷桩，并在水平旋喷桩中心插入∅89 mm的钢管，增强水平旋喷桩的抗折性和抗弯性。在150°范围下方土体沙化程度较高，为保证正常进行仰供施工，同样需要进行超前支护。鉴于外插角使得水平旋喷桩利用率较低，计划在150°线下方两侧分别施工1排斜向旋喷桩(如图5所示)。

图5 旋喷桩设计(单位：mm)

采用水平定向钻机打设水平孔，钻进至设计深度后，拨出钻杆，同时通过水平钻机、钻杆、喷嘴以大于35 MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体内,借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏；与此同时钻杆一面以一定的速度(20 r/min)旋转、一面低速(15～30 cm/min)徐徐外拔，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀、具有一定强度(0.5～8.0 MPa)的桩体，从而使地层得到加固；当旋喷桩相互咬接后,便以同心圆形式在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体。水平旋喷桩具有梁效应和土体改良加强效应，能够起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用，保证隧道掘进安全。

水平旋喷桩不仅具有梁效应、拱效应和土体改良加强效应，保证隧道掘进安全，同时水平旋喷桩在旋喷过程中，水泥浆液能沿着地层的缝隙渗透扩散，尤其在涌水量较大的地层中，水泥浆液扩散填充缝隙后起到止水的效果[6-7]。

4 现场监测数据分析

选取洞内溜砂较为严重的K236+633断面拱顶沉降与水平收敛为研究对象，拱顶监测设置3个监测点，水平收敛监测分别在各台阶处设置一个监测点，最终监测数据如图6、图7所示。

图6 拱顶沉降监测结果

图7 水平收敛监测结果

对比表4以及图6与图7可以看出：现场实际监测结果与数值模拟结果整体差别不大，且两者所反映趋势基本相同；无论是拱顶沉降还是水平收敛，现场监测结果均要略小于数值分析结果。最终监测结果数据表明，隧道开挖前期，无论拱顶沉降还是水平收敛均较小，当隧道开挖至前方掌子面附近，位移增加迅速，后期位移逐渐趋于平稳。整体结果表明数值分析结论较为可靠，具有一定参考性。

5 结论

(1)干燥粉细砂隧道在采用三台阶+临时竖撑法施工时，采用旋喷桩超前加固方案时，各台阶水平收敛和拱顶下沉值明显比双层大管棚+小导管注浆方案减小很多，隧道变形得到很好的控制。

(2)双层大管棚+小导管注浆方案虽然与旋喷桩方案的初期支护结构的压应力和拉应力的分布规律基本上是相同的，但是其所受压应力、拉应力更大且超出C25混凝土轴心抗拉和抗压强度，故应采用旋喷桩超前加固措施。

(3)采用旋喷桩加固方案，分析有无临时仰拱对于变形的控制效果，结果表明有临时仰拱对控制水平收敛有一定效果；由于核心土的存在不能使临时仰拱及时施作，导致其对控制拱顶预沉降的作用较小。

(4)无临时仰拱和有临时仰拱两种工况下，有临时仰拱时，其最大拉、压应力反而都大于无临时仰拱工况，但是考虑到临时仰拱对于控制变形有不错的效果，因此本工程施工建议在旋喷桩超前加固方案基础上采用三台阶临时仰拱法施工。