大断面黄土隧道近接下穿古长城遗址设计方案论证

赵新瑞

(青海省交通建设管理有限公司 西宁 810003)

引言

近年来，随着西部大开发、京津冀一体化等国家战略的逐步实施，在青海省、北京及河北等地区，交通隧道近接下穿古长城的情形日益增多，下穿隧道施工建设过程中，必然会影响到临近建筑物，如何在隧道施工中科学地保护古长城已逐渐成为古长城沿线地区工程建设亟待解决的共性、热点技术难题。

有关隧道施工沉降变形控制问题，很多学者开展了大量的研究，取得了一些好的经验和成果。张承客等[1]数值模拟了盾构法施工对西安钟楼古建筑的影响，并分析确定地层沉降控制的标准。任建喜等[2]依托西安地铁下穿南门城墙工程，模拟预测了隧道施工引起的古城墙变形规律。秦东平[3]通过对地铁下穿或临近既有建筑物工程案例进行分析，得出隧道施工引起的地层差异沉降对既有建筑物的受力和变形影响及其抵抗差异变形的能力。杨强义等[4]依托南京地铁9号线下穿南京城墙工程，分别从景观环境、施工振动以及沉降变形等方面分析隧道施工对城墙的影响，提出了一套适用于隧道施工对文物建筑影响的有效评估方法。吴高伟等[5]通过数值模拟分析，得出采用水平旋喷桩超前加固措施可有效控制湿陷性黄土隧道拱顶沉降。于忠波等[6]研究了水平旋喷桩在软岩富水隧道中的应用，并提出了优化改进措施。

基于以上文献的研究成果，隧道施工将对其下穿的古城墙造成不利影响，为了将影响降至最低，保证隧道施工期间古城墙的安全，必须采取有效的加固措施。本文以国道227线老城关经西宁至上新庄段公路尕沟隧道下穿明长城为背景，通过多方案比选及现场实测资料，展开大断面公路隧道近接下穿古长城设计方案论证比选研究。

1 工程概况

尕沟隧道是国道227线老城关经西宁至上新庄段公路重点工程，位于青海省大通回族土族自治县境内。隧址区地处青藏高原东北部与黄土高原的衔接地带，为低山丘陵区。本项目隧道下穿明长城大通段，在平面上与明长城大通段没有交叉点。按分离式隧道建设，左线全长774m，右线全长814m。隧址区出露地层主要为第四系全新统滑坡堆积，第四系上更新统，第四系中更新统冲洪积，新近系等。岩性以黄土、全风化砂岩和卵石夹层为主，围岩级别均为V级。单洞开挖跨度达到16.6m，属大跨度隧道。隧道在K16+350下穿明长城遗址，下穿遗址处左线埋深为58.3m，右线埋深为65.3m。根据文物保护要求，以墙体外缘为基线向两侧各扩展 50m为文物保护范围，以保护范围外缘为基线向两侧各扩展 500m为建设控制地带。根据国家文物局批复要求“应加强预支护措施，确保工程建设实现明长城遗址零沉降”。

根据隧道开挖情况，在左幅ZK16+396处、右幅K16+370处拱顶部分发现卵石夹层，厚度3-8m，富水严重。卵石层最大粒径约13-15cm，胶结性较差，富水性较强，透水能力大，开挖时有掉块现象；隧道拱顶上部有潜水层发育，受季节性降雨影响较大，施工时可能有渗水现象甚至局部可能有股状水流渗出。开挖控制不当，易造成地表下沉，更有甚者出现冒顶风险，影响明长城的安全。

图1 隧道拱顶塌落卵砾石

图2 隧道内涌水

2 下穿明长城遗址段设计方案论证

经过调研，国内隧道在软弱地层下穿明长城等既有构筑物，主要采用水平旋喷桩、洞内帷幕注浆、管幕、双层超前大管棚等方案[9-10]。结合本项目地层软弱且存在地下水的实际情况，重点对水平旋喷桩、洞内帷幕注浆、超前大管棚等三种超前支护方案进行比选、论证。

2.1 水平旋喷桩超前预支护方案

水平旋喷超前预支护方案是利用高压旋喷技术在隧道掌子面前方开挖轮廓线以外形成拱形外壳(咬合旋喷桩)的结构方案，以保证隧道开挖、施工安全的一种超前预加固方法[7][8]。即在隧道掌子面先行利用钻机凿孔，然后把带有喷头的灌注管推至预定位置后，利用高压设备将浆液以特定高压射流从喷嘴中射出，冲击破坏土体，同时注浆管以一定的速度向外旋转抽出，将浆液和土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土体中形成一个凝结体即为旋喷桩。通过连续施作并保证旋喷桩之间一定的咬合宽度，共同形成拱形外壳。

高压水平旋喷支护适用于浅埋隧道和靠近建筑物的隧道，在防止隧道变形和地表下沉、确保大断面隧道开挖的地层稳定方面效果较好。高压水平旋喷支护主要适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、黄土、砂土、碎石土等地层。

(2)本项目拟定的水平旋喷桩超前预支护方案及参数

结合目前隧道出口端掌子面施工情况，同时考虑预加固实施段落在满足国家文物局对明长城遗址保护范围区段的基础上向两侧各外扩10m。具体支护方案如下：

①水平旋喷桩采用φ600mm桩，环相间距400mm，外插角为5°～7°，咬合宽度100～200mm，每循环施工长度为18m，前后搭接段长度3m，有效长度15m，每循环共设置63根旋喷桩。每循环钻孔长度21m，临近孔口3m不进行旋喷注浆，以减少后期破除桩体工作量。

②水平旋喷桩和初期支护之间设置超前小导管加固。小导管单根长度为3.8m，纵向搭接长度1.29m，环向间距40cm，拱部约120°范围布置，每环布设43根，外插角5°～7°，注浆材料采用普通水泥液浆,液浆水灰比：W∶C=0.8～1∶1。

③为防止下台阶开挖时上部水平旋喷桩形成的加固体发生较大沉降，在拱腰位置施作斜向旋喷桩，桩径φ600mm，桩长5m，纵向间距2m，随隧道开挖纵向设置。斜向旋喷桩需穿过水平旋喷桩并与其有效衔接。

④为提高水平旋喷桩桩体抗剪强度，拱腰部120°范围水平旋喷桩桩体内插入φ89×6mm钢管进行加固，钢管环向间距800mm，钢管长度18m，每循环共计设置23根。每根斜向旋喷桩桩体内均设置φ89×6mm钢管，长度为5m。

夏国忠趴在战壕边，盯着山坡上躬腰撅臀向上爬的鬼子，在心里默默地计算着距离。五百米，三百米，两百米，一百米。“打。”随着一声吼叫，夏国忠手里的冲锋枪一阵扫射，冲在最前面的几个鬼子应声倒了下去。

图3 旋喷桩超前预加固横断图

⑤高压旋喷咬合桩采用水泥单液浆，浆液配比为W∶C=0.8∶1～1∶1。针对含水量大的地层、砂卵石地层等，水泥浆浆液配比可适当调整，必要时可掺加一定量的速凝剂、早强剂或使用水泥-水玻璃双液浆，具体施工方案结合现场试验情况，经业主、设计、施工、监理四方共同确认后方能实施，工程量以监理方根据现场实施情况确认为准。

⑥旋喷桩钻具旋转速度12～20r/min，钻杆回撤速度15～25cm/min，进钻压力为3～5Mpa，退钻压力控制在35～40MPa；旋喷作业建议采用双管旋喷，喷浆时采用特制喷浆钻头控制返浆量及拱部沉降。

⑦当掌子面前方出现含水量大地层、砂卵石地层等导致掌子面不能自稳的情况下，先行喷射20cm厚的C25混凝土封闭掌子面，在掌子面上半断面布设超前水平旋喷桩，每循环桩长12m，前后搭接段长度2m，有效长度10m，间距1.5m×1.5m，呈梅花形布置，每循环共计24根。

⑧施工工法采用环形开挖预留核心土法。

图4 水平旋喷桩预加固纵断面图

2.2 帷幕注浆方案

(1)作用原理及适用条件

超前帷幕注浆是为减少或隔断地下水渗流途径，减少施工中突水、涌水的危险，保证施工掘进安全，对影响区范围采取全断面或局部深孔预注浆，填补岩土体中的裂缝或孔隙，旨在改善注浆对象的物理力学性质，在开挖区域周边形成隔水帷幕，以防止地下水渗流给隧道施工带来较大风险。

超前帷幕注浆主要适用于以下情况：涌水、涌泥或塌方严重地段；因地下水位的变化造成地层变形，可能会影响到周边重要构筑物安全的地段；地下水十分丰富的断层破碎带，且洞身周围地下水补给充足地段。

(2)本项目初步拟定的帷幕注浆支护方案及参数

结合本项目实际情况，拟采用周边帷幕注浆的预加固方案；在隧道上半断面(180度范围)进行帷幕注浆，每循环注浆段长25m(含止浆墙)，开挖20m，预留5m作为下循环止浆盘。每循环共设15个注浆孔，开孔孔径125mm，钻孔孔径90mm，注浆孔环向间距为1.5m，扩散半径2.0m，终孔间距不超过3.0m。止浆墙厚度2m，基础埋设深度1m，止浆墙前方采用拱部径向注浆加固。注浆材料为普通水泥—水玻璃双液浆,双液浆配比：W∶C=0.8～1∶1，C∶S=1∶1。由外向内、由下到上、间隔跳孔注浆施工作业。

2.3 超前大管棚方案

(1)作用原理及适用条件

超前大管棚是将大直径钢花管安插在已钻好的超前钻孔中，在隧道开挖轮廓线外形成钢管支护棚架的一种超前支护方式。利用钢花管的强度支撑和加固自稳能力极低的围岩，以防止软弱围岩的下沉、松弛、坍塌等。

管棚支护能力强大，但是施工技术相对复杂，造价较高，一般仅在隧道地质条件较差的洞口段及坍塌后可能产生严重后果的洞身地段采用，如含水土质地层、宽大破碎带及地面有重要建筑物的浅埋地段等。当地质条件较差需设置多排长管棚时，一般需在洞内设置管棚工作室，对洞室进行适当的扩大。

(2)本项目初步拟定的超前大管棚支护方案及参数

超前管棚采用双层Φ108mm×6mm无缝钢管，钢管长度为12m，每循环搭接3m，拱部180°范围布设，共布设123根。钢管管口段50cm范围内不开孔，其余部分按15cm间距交错设置注浆孔，孔径10mm，注浆压力0.5～2.5Mpa，注浆采用普通水泥-水玻璃双液浆，双液浆配比：W∶C=0.8～1∶1，C∶S=1∶1。

图5 帷幕注浆方案断面

图6 超前大管棚方案断面

2.4 方案比选

表1 尕沟隧道下穿明长城遗址段方案对比表

综上对比和分析，水平旋喷桩方案虽工程造价相对较高，但具有沉降控制效果好、施工质量可控性高、施工进度较快等显著优点，结合文物保护相关要求，为了确保工程施工安全，确保预加固效果，尽可能实现零沉降，尕沟隧道下穿明长城段采用水平旋喷桩超前支护方案。

3 施工效果分析

经施工验证，水平旋喷桩预支护可有效控制隧道洞内变形，且止水效果良好。监控量测数据显示，隧道下穿明长城段施工期间：

(1)洞内拱顶沉降、周边收敛均小于50mm，远小于设计预留变形量100mm。

(2)明长城本体量测最大沉降值为1.4mm，且下穿过程中及下穿后至今明长城表面及周边地表未出现任何裂缝等失稳现象，满足文物部门及评估报告“明长城遗址沉降在2.0mm以内”的“零沉降”规定。

图7 水平旋喷桩钻孔作业及成桩检测

4 总结

本文针对大跨黄土隧道下穿古长城的特殊情况，采用水平旋喷桩高压浆液喷射流强制切割土体解决普通压密注浆在致密黄土、砂岩地层注浆效果不良的问题，在掌子面前方形成牢固棚护结构，有效阻断洞内向地表的传递变形；通过每级台阶增设锁脚锚杆，拱腰位置施作斜向旋喷桩，水平旋喷桩桩体内插入钢管进行加固等优化措施确保了洞内变形的稳定；加强明长城本体监测密切跟踪遗址稳定状态，最终实现了隧道施工过程中及下穿后明长城始终处于稳定状态的技术目标，很好的保护了明长城的历史风貌，为今后大跨黄土隧道下穿古长城设计提供了借鉴。