范小龍，王健宏，唐進(jìn)才

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

1 背景

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的投入持續(xù)增加，作為交通基建領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容，隧道工程也越來越多，大量的鐵路隧道、公路隧道不斷興建。

雖然在勘察設(shè)計中根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求隧道應(yīng)盡量避開不良地質(zhì)區(qū)，但因工程建設(shè)需要，隧道洞口淺埋段難免穿越粉土層、砂土層、碎石土層等工程地質(zhì)條件差、穩(wěn)定性差和承載能力差的地層，普遍存在施工難度大、風(fēng)險大等問題，施工稍有不慎就會釀成通天塌方，因此有必要研究對這些地段圍巖采取預(yù)加固的措施［1-2］。

對于隧道洞口淺埋土層段通常采用地表加固的方法進(jìn)行處理，其中地表旋噴樁因具有加固效果好、加固范圍大、施工方便快捷等優(yōu)點(diǎn)［3］，被廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中。諸如蘭渝鐵路南坪隧道和胡麻嶺隧道［4-5］、滬昆鐵路黃秧壩一號隧道［6］、九景衢鐵路黃竹頭隧道［7］等。 本文以西南山區(qū)某新建鐵路隧道的洞口淺埋段為例，研究了地表旋噴樁加固在淺埋暗挖隧道穿越土層時的應(yīng)用，為今后類似的工程設(shè)計提供了一定的參考作用。

2 工程概況

隧道全長6 218 m，單洞雙線，設(shè)計時速160 km/h。隧道共穿越18套地層、5條斷層，最大埋深約820 m。隧區(qū)屬橫斷山中高山地貌，地形起伏較大，地面高程1 560～2 400 m，自然坡度5～35°不等，局部較陡。地表植被不發(fā)育，多被墾為旱地，溝槽等低洼地帶覆土較厚。測區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

本隧出口淺埋段洞身穿越粉質(zhì)黏土、礫石土，粘聚力小、抗剪強(qiáng)度低，該段最大埋深約15 m。為確保施工安全，并通過工程類比，設(shè)計中擬采用地表旋噴樁對隧道出口D2K322+551～+581段進(jìn)行加固。

3 地表旋噴樁的加固機(jī)理及設(shè)計方案

3.1 加固機(jī)理

地表旋噴樁加固是利用鉆機(jī)鉆孔，把帶有注漿管和漿液噴嘴的鉆頭下至設(shè)計加固深度，然后利用高壓裝置將高壓漿液噴射流與其外部環(huán)繞的壓縮空氣噴射流進(jìn)行同軸噴射，形成一股能量高度集中的液流，直接破壞土體，并對土體進(jìn)行擠密；噴射過程中鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提升，使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢杌旌?，在土體中形成一定直徑的柱狀固結(jié)體，提高地層的自穩(wěn)能力和抗剪能力，從而加固地層［8-9］。

3.2 設(shè)計方案

本隧出口淺埋段地表旋噴樁具體設(shè)計方案如下：

(1)旋噴樁直徑60 cm、間距按1 m布置。

(2)施工前應(yīng)平整場地，并施作廢漿池，避免旋噴樁施工污染周邊地表環(huán)境。

(3)施工前必須作試樁，并按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測，以確保施工質(zhì)量；在加固到一定區(qū)域后應(yīng)設(shè)置檢查孔，檢查加固效果。

(4)旋噴樁施工時先施作周邊，后施作中間，加固范圍為：

縱向長度：D2K322+551～+581段30 m；橫向?qū)挾龋焊鶕?jù)實(shí)際地形及破裂角法控制，加固寬度為隧道中線左、右側(cè)各11 m；加固深度：從地表場坪以下2 m開始旋噴加固，須加深至仰拱以下8 m。

(5)為使旋噴樁施工后能迅速且安全地發(fā)揮作用，在噴射漿液中加三乙醇胺早強(qiáng)劑，其摻量為水泥用量的0.1%。

設(shè)計的旋噴樁加固方案如圖1所示。

4 數(shù)值模擬

采用有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件FLAC3D建立淺埋暗挖隧道計算模型，針對本隧出口淺埋段是否采用地表旋噴樁加固措施分別模擬了隧道的開挖過程，以分析旋噴樁加固對隧道開挖的影響。

4.1 計算模型

針對本隧出口D2K322+551～+581淺埋段，計算時選取典型斷面建立淺埋暗挖隧道模型，該斷面隧道埋深約6 m，模型尺寸為90 m×63 m(寬×高)。模型上邊界為自由面，左、右邊界約束水平方向位移，下邊界約束豎直方向位移。計算模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 旋噴樁加固橫斷面示意(單位：cm)

圖2 模型和網(wǎng)格劃分

地層由粉質(zhì)黏土及粗圓礫土組成，均視為理想彈塑性模型，采用實(shí)體單元模擬，滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚27 cm，視為理想彈性材料，采用實(shí)體單元模擬。各材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各材料計算參數(shù)

按照三臺階法模擬開挖：自重場下計算平衡→開挖上臺階，施作初期支護(hù)；圍巖應(yīng)力釋放30%→開挖中臺階，施作初期支護(hù)；圍巖應(yīng)力釋放30%→開挖下臺階，施作初期支護(hù)，計算達(dá)到平衡狀態(tài)。

4.2 計算結(jié)果及分析

4.2.1 豎向位移分析

(1)洞周圍巖無旋噴樁加固時，其計算結(jié)果豎向位移如圖3～圖5所示。

圖3 未加固時開挖上臺階后豎向位移云

圖4 未加固時開挖中臺階后豎向位移云

圖5 未加固時開挖下臺階后豎向位移云

從圖3～圖5可知，上臺階開挖后，拱頂出現(xiàn)較大沉降，最大豎向位移為8.58 cm；中臺階開挖后，拱頂沉降明顯增大，最大豎向位移為14.35 cm；下臺階開挖后，拱頂沉降進(jìn)一步增大，最大豎向位移達(dá)到16.88 cm?？偟膩碚f，由于隧道埋深淺、地質(zhì)條件差，未采取加固措施時開挖后隧道拱頂出現(xiàn)了很大沉降，其沉降量已超過設(shè)計要求預(yù)留變形量的限值，施工中容易出現(xiàn)坍塌、冒頂。

(2)當(dāng)采用地表旋噴樁對出口淺埋段洞周圍巖進(jìn)行加固時，其計算結(jié)果豎向位移如圖6～圖8所示。

圖6 旋噴樁加固時開挖上臺階后豎向位移云

圖7 旋噴樁加固時開挖中臺階后豎向位移云

從圖6～圖8可知，上中下臺階開挖后，拱頂最大豎向位移分別為0.42 cm、0.95 cm、1.50 cm，相比未采用地表加固措施時，位移分別減少了8.16 cm、13.40 cm、15.38 cm；由此可見，采用地表旋噴樁加固后地層條件得到顯著改善，有效控制了隧道拱部沉降。

圖8 旋噴樁加固時開挖下臺階后豎向位移云

4.2.2 水平位移分析

對于洞周圍巖的水平位移僅列出兩種工況下最后開挖步的云圖，如圖9～圖10所示。

圖9 未加固時開挖下臺階后水平位移云

圖10 旋噴樁加固時開挖下臺階后水平位移云

從圖9可知，未采用地表加固措施時，開挖后最大水平位移為4.58 cm，位于隧道兩側(cè)邊墻。從圖10可知，采用地表旋噴樁加固地層時，開挖后最大水平位移為0.63 cm，也位于隧道兩側(cè)邊墻，但其值較未采取加固措施的工況減小了3.95 cm。由此可見，采用地表旋噴樁加固后改善了地層條件，從而控制了洞周圍巖水平方向的變形。

4.2.3 塑性區(qū)分析

對于地層塑性區(qū)分布也僅列出兩種工況下最后開挖步的云圖，如圖11～圖12所示。

圖11 未加固時開挖下臺階后地層塑性區(qū)分布

從圖11可知，在未采取加固措施時，開挖后地層塑性區(qū)由隧道拱腰處發(fā)展至地表，該部分土體出現(xiàn)了破壞，同時邊墻處也出現(xiàn)了較大范圍的塑性區(qū)。從圖12可知，在采取地表旋噴樁加固時，開挖后僅在隧道邊墻處出現(xiàn)了小范圍的塑性區(qū)，并且未延伸至地表，地層塑性區(qū)范圍大幅減小。

圖12 旋噴樁加固時開挖下臺階后地層塑性區(qū)分布

4.3 分析結(jié)論

由上述數(shù)值分析結(jié)果可知，隧道出口淺埋段洞周圍巖若不采取加固措施，開挖過程中將產(chǎn)生較大的變形，容易出現(xiàn)坍方、冒頂，施工安全風(fēng)險高；在對洞周圍巖采用地表旋噴樁加固后，開挖過程中的圍巖變形能得到有效控制，降低了施工安全風(fēng)險。因此本隧出口淺埋段采用地表旋噴樁加固的設(shè)計方案是合理的。

5 地表旋噴樁加固的現(xiàn)場施工工藝及效果評價

5.1 現(xiàn)場施工工藝

本隧地表旋噴樁加固在現(xiàn)場的施工工藝流程見圖13。

圖13 旋噴樁加固施工工藝流程

(1)放線定位：根據(jù)設(shè)計圖紙和坐標(biāo)網(wǎng)點(diǎn)測量放出施工軸線。在施工軸線上確定孔位，按基準(zhǔn)點(diǎn)測量各孔口地面高程。

(2)鉆機(jī)就位：鉆機(jī)應(yīng)垂直于地面且擺放平穩(wěn)，放線樁位與設(shè)計樁位的偏差不得大于50 mm。

(3)鉆孔：利用高壓旋噴鉆機(jī)鉆至設(shè)計孔底標(biāo)高，鉆孔每鉆進(jìn)5 m用水平尺測量機(jī)體水平、立軸垂直，成孔的垂直度偏差不得大于0.5%。

(4)制備漿液：漿液采用水灰比為1∶1～1∶1.5的水泥漿。水泥要過篩，且為了防止水泥漿離析，應(yīng)在灰漿機(jī)中不停攪動。禁止一邊配漿一邊抽漿，否則難以控制漿液水灰比。

(5)旋噴注漿：注漿壓力應(yīng)不小于20 MPa，提管速度0.1～0.2 m/min、旋轉(zhuǎn)速度15 r/min，以使土體得到充分切割攪拌(圖14)。

圖14 地表旋噴樁噴射注漿中

(6)沖洗注漿管路：噴射施工完畢后，把注漿管等機(jī)具設(shè)備沖洗干凈，管內(nèi)機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿液。

5.2 加固效果評價

地表旋噴樁注漿壓力大，不僅可以改善地層本身，高壓的水泥漿液也可以充分進(jìn)入地層裂隙，使土體更加密實(shí)，從而大大提升地層的綜合指標(biāo)。最終，通過采用地表旋噴樁加固，本隧順利通過出口淺埋土層段，實(shí)現(xiàn)了洞內(nèi)安全施工、滿足了工期要求，達(dá)到了預(yù)期目的。本隧地層加固后的效果如圖15所示。

6 結(jié)束語

以粉質(zhì)黏土、礫石土為主的地層往往具有粘聚力小、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，在此類地層中修建隧道時，增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力和抗剪能力以確保施工安全是設(shè)計的關(guān)鍵。通過數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)踐可知，采用地表旋噴樁加固可以有效控制這類隧道開挖時的圍巖變形，從而安全通過淺埋土層段，并且能最大限度的減小對隧道工期的影響。

地表旋噴樁加固技術(shù)在本工程中的成功應(yīng)用，可為以后其他穿越類似地層的隧道工程提供參考和借鑒。