賈華強,郭光旭
(1.鄭萬鐵路客運專線河南有限責(zé)任公司,河南 鄭州450052;2.西成鐵路客運專線陜西有限責(zé)任公司 西延指揮部,陜西 西安710043)
隧道下穿河流淺埋段,圍巖穩(wěn)定性維護往往較為困難,掌子面多易發(fā)突水與突泥等工程災(zāi)害,工程技術(shù)人員進行了大量的工程實踐與探索。如馬鞍梁隧道、楊家壩隧道、孔家坪隧道等隧道穿越溝谷淺埋段的工程建設(shè)[1-4]積累了一定修建經(jīng)驗,提出了地表袖閥管注漿加固法、洞外地表注漿法、洞內(nèi)帷幕注漿法、四臺階九步開挖法與洞內(nèi)大管棚+小導(dǎo)管等超前加固支護措施。
寶蘭客專石鼓山隧道淺埋溝谷地段茵香河地面是地方規(guī)劃的重要影視基地,隧道建造的施工風(fēng)險大、環(huán)境要求高,且施工技術(shù)難度大?;赥SS注漿、袖閥管注漿、旋噴樁、粉質(zhì)黏土層旋噴樁加固技術(shù)[5-8]及砂礫石層注漿機理[9-11]等研究成果,結(jié)合石鼓山隧道下穿河流淺埋河谷的工程實例,對隧道下穿淺埋河谷圍巖穩(wěn)定性維護支護措施,及其配套的開挖與支護施工技術(shù)進行了研究。
寶蘭客專石鼓山隧道位于寶雞市渭濱區(qū)渭河南岸,全長4 330 m,為極高風(fēng)險雙線隧道。洞身下穿3條溝谷河流,最大埋深133 m,最小埋深3 m。全隧為Ⅵ級、Ⅴ級圍巖,其中Ⅵ級圍巖1 300 m,占比30%,Ⅴ級圍巖3 030 m,占比70%。
淺埋段河流溝谷,埋深3~15 m,設(shè)計為Ⅵ級圍巖,隧道洞身通過地層主要為粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)沙、粉土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土等。
該段為孔隙-裂隙潛水中等富水區(qū),接受大氣降水和河內(nèi)地表水的側(cè)向補給,水量豐富,地下水位埋深約2~8 m,高于洞頂約7 m。河床地表常年流水,(河流)最大流量4 600 m3/d。
茵香河淺埋段隧道埋深8.3~16.0 m,洞身上部主要為粗圓礫土、漂石(粒徑0.3~1.5 m),中下臺階主要為粗圓礫土及粉質(zhì)黏土、砂層(厚度1.2~7.6 m),圍巖自穩(wěn)性較差。
張家溝段圍巖等級Ⅵ級,地層類型為復(fù)合型。上部以黏質(zhì)黃土為主;拱腰部夾有粗砂層,厚約1.0 m;中下部以粗砂、細(xì)圓礫土為主,夾粉質(zhì)黏土薄層;圍巖自穩(wěn)能力較弱。
下穿河流淺埋段地層分布復(fù)雜多變,呈現(xiàn)為粗圓礫、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂與黃土交替分布,地層特性見圖1。
(1)安全風(fēng)險。隧道下穿多處淺埋河溝谷,地層復(fù)雜多樣,地表水與地下水發(fā)育程度高,強富水性區(qū)域分布較多,地層滲透性強,穩(wěn)定性差,施工中容易發(fā)生塌方、大變形、突水(泥)等風(fēng)險事件,安全風(fēng)險性極高。
(2)工期風(fēng)險。隧道施工難度極大,工法復(fù)雜,工效低,超前支護措施多,安全措施嚴(yán)格,施工進展緩慢,工期風(fēng)險大。
結(jié)合下穿河流段圍巖地質(zhì)的復(fù)雜性,采用三維綜合注漿加固技術(shù)進行預(yù)加固,保證軟弱圍巖地層的注漿改良效果。在確保安全條件下,將隧道原設(shè)計的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖優(yōu)化為三臺階臨時仰拱法。
圖1 地層特性
第1維度:洞內(nèi)掌子面拱部管棚+小導(dǎo)管+二重管后退式深孔注漿加固。地層適應(yīng)性:洞身上部以細(xì)圓礫、粗圓礫土及砂層為主,采用二重管后退式深孔注漿,淺埋段拱部增加管棚和小導(dǎo)管支護措施[12-13]。
第2維度:拱墻小導(dǎo)管注漿加固。地層適應(yīng)性:洞內(nèi)(拱墻)局部出現(xiàn)富水砂礫石地層,局部采用拱墻小導(dǎo)管注漿。
第3維度:地表旋噴樁+袖閥管垂直注漿加固。地層適應(yīng)性:淺埋河谷地表采用袖閥管(旋噴樁)注漿。
在石鼓山隧道下穿淺埋河溝谷施工過程中,針對復(fù)雜多樣的地層特性,實施動態(tài)設(shè)計:首先施作地表預(yù)加固措施,即第3維度注漿;經(jīng)段落注漿評估,針對地表袖閥管(旋噴樁)注漿加固薄弱處(盲區(qū)),結(jié)合洞內(nèi)掌子面呈現(xiàn)的不同地層特性,再分別采取第1維度、第2維度或2個維度綜合注漿等支護措施維護掌子面穩(wěn)定。
淺埋河谷段采用多種注漿技術(shù)有機結(jié)合,通過綜合預(yù)加固形成較為穩(wěn)固的注漿加固圈,可較為有效地切斷地表水滲流路徑,降低發(fā)生黃土地層垂直節(jié)理、裂隙發(fā)育與擴展的風(fēng)險,更好地實現(xiàn)隧道圍巖從“圍巖軟弱、自穩(wěn)能力極差,施工風(fēng)險極高”向“圍巖自穩(wěn)能力增強,施工風(fēng)險中低”的性態(tài)轉(zhuǎn)變,提高隧道圍巖自承能力,達到下穿河流淺埋段復(fù)雜多樣地層改性加固的效果。
3.1.1 第1維度注漿預(yù)加固
第1維度注漿預(yù)加固技術(shù):洞內(nèi)掌子面拱部管棚+小導(dǎo)管+二重管后退式深孔注漿加固。
(1)二重管后退式注漿加固。隧道下穿河流淺埋段,洞內(nèi)拱部采用180°二重管注漿加固措施。注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m,注漿結(jié)束壓強4~6 MPa,擴散半徑1.5 m,注漿孔51個;以普通硅酸鹽水泥水玻璃雙液漿為主,單液漿為輔;單漿液配合比δW∶δC=0.8∶1.0;雙液漿配合比δW∶δC=0.8∶1.0,δC∶δS=l∶1;水泥采用普通硅酸鹽水泥P.0 42.5,水玻璃濃度45°Bé(見表1)。注漿鉆孔縱斷面布置示意見圖2。
表1 洞內(nèi)二重管注漿參數(shù)
(2)管棚+小導(dǎo)管注漿加固。拱部144°范圍設(shè)φ89 mm管棚+φ42 mm超前小導(dǎo)管注漿進行超前支護,φ89 mm管棚長9 m、環(huán)向間距60 cm,φ42 mm超前小導(dǎo)管長4.5 m、環(huán)向間距60 cm。管棚+小導(dǎo)管超前支護斷面布置示意見圖3。
圖2 注漿鉆孔縱斷面布置示意圖
圖3 管棚+小導(dǎo)管超前支護斷面布置示意圖
3.1.2 第2維度注漿預(yù)加固
富水砂礫石地層段隧道拱墻系統(tǒng)錨桿調(diào)整為φ42 mm小導(dǎo)管進行徑向注漿止水。初支施作后,及時進行徑向注漿加固,加固范圍為開挖輪廓線外4 m,鉆孔縱向間距2.2 m,環(huán)向間距1.4 m,梅花形布置。
3.1.3 第3維度注漿預(yù)加固
(1)地表袖閥管垂直注漿加固。茵香河淺埋河谷段(小里程方向)60 m,地表采用袖閥管分段注漿工藝,防滲堵漏,加固地層。每10 m為1個注漿評估段。袖閥管注漿共計19排,464個孔,孔深22~34 m,注漿孔采用等邊三角形布孔形式,對中間距1.5 m,縱向排距1.5 m,橫向排距1.3 m。茵香河淺埋段地表加固平面示意見圖4,袖閥管加固橫斷面示意見圖5,袖閥管注漿參數(shù)見表2,袖閥管注漿量見表3。
圖4 茵香河淺埋段地表加固平面示意圖
圖5 袖閥管加固橫斷面示意圖
表2 袖閥管注漿參數(shù)
表3 袖閥管注漿量
(2)地表旋噴樁注漿加固。淺埋河谷段(大里程方向)60 m,地表采用高壓旋噴樁工藝,進行加固,形成滯水帷幕。旋噴樁橫斷面示意見圖6。
圖6 旋噴樁橫斷面示意圖
旋噴樁設(shè)計參數(shù)為:開挖輪廓線外1.1 m,樁徑Ф800 mm,樁長25~30 m,最外側(cè)兩排旋噴樁為咬合樁,縱向間距0.7 m、橫向間距0.6 m,中部樁間距按1.2 m×1.2 m,梅花形布置,單液漿,注漿壓強大于20 MPa。旋噴樁施工主要技術(shù)參數(shù)見表4。
表4 旋噴樁施工主要技術(shù)參數(shù)
淺埋河谷地層雜亂,工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜,對旋噴樁加固區(qū)域進行探索評估,評估效果不滿足設(shè)計要求,采用袖閥管注漿進行補強。
通過采用P-Q-T曲線、檢查孔成孔率、洞內(nèi)注漿效果、掌子面出水變化等評定方法和標(biāo)準(zhǔn),對隧道下穿淺埋河谷采用的三維綜合注漿加固技術(shù)有效性進行分析。
(1)P-Q-T曲線分析。通過分析注漿壓強、注漿速度等數(shù)據(jù)信息,得出注漿壓強隨著注漿時間不斷變化,且總體呈上升趨勢;注漿速度則隨注漿時間不斷降低,總體為下降趨勢。當(dāng)注漿壓強達到設(shè)計壓強,注漿速度也同步降低至設(shè)計數(shù)值時,注漿效果滿足要求。
(2)檢查孔成孔率分析。每個段落設(shè)不少于3個檢查孔,取芯數(shù)量不少于注漿孔數(shù)的2%,取芯率不小于70%,平均取芯率不小于85%。通過對取芯孔進行檢查,驗證是否滿足設(shè)計要求。注漿芯樣見圖7。
(3)洞內(nèi)注漿效果見圖8。洞內(nèi)注漿地段開挖揭示結(jié)果表明,漿脈明晰,地層漿液擴散明顯,漿液填充砂礫土層顆粒間的空隙,與土層固結(jié)為一體,地層得到有效改良,保證圍巖穩(wěn)定。
圖7 注漿芯樣
圖8 洞內(nèi)注漿效果
(4)掌子面出水變化。每段設(shè)1~3個水平探孔,探測水量,單孔出水量<2 L/(m·min)。
(5)施工過程中,淺埋段分為若干個加固段,動態(tài)評估每個段落的加固效果,綜合評價掌子面安全情況,依據(jù)掌子面穩(wěn)定性,確定下道工序施工。
隧道下穿淺埋河谷段的拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,以DK639+930、DK639+940監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為例,拱頂下沉曲線演化形態(tài)主要分為2個階段,即上升階段與趨于穩(wěn)定階段,拱頂下沉曲線初期上升,后期逐漸趨于穩(wěn)定,屬于“穩(wěn)定性”變形。
拱頂累計下沉量最大值約為40 mm,下沉速度最大值約為4 mm/d,曲線“突跳”頻度較低,采用初期支護+三維綜合注漿加固技術(shù),能夠有效控制圍巖變形,保證圍巖穩(wěn)定。拱頂下沉曲線見圖9。
圖9 拱頂下沉曲線
采用三維綜合注漿加固技術(shù)對下穿河流淺埋復(fù)合地層進行施工,總結(jié)3個維度注漿預(yù)加固技術(shù)及其地層適應(yīng)性,形成下穿河流淺埋復(fù)合地層的隧道圍巖穩(wěn)定性維護支護措施,及其配套的開挖與支護施工技術(shù),得到以下結(jié)論:
(1)地表與洞內(nèi)多種措施相組合,預(yù)加固后,實現(xiàn)隧洞周邊多維度土層完整性、強度及自承能力的提高,為三臺階開挖工法的實施提供了有效加固圈。
(2)在保證安全的前提下,雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖工法優(yōu)化為三臺階臨時仰拱,有效縮短了拱墻初期支護落底時間,達到了洞內(nèi)初期支護快速封閉成環(huán)的目的,施工機械化程度提高,掘進速度加快,施工工效提升,創(chuàng)造了Ⅵ級圍巖大斷面隧道單月開挖進尺40 m的紀(jì)錄,與設(shè)計工法相比,施工進度提高了1倍以上,同時降低了工程投資。
(3)通過三維綜合注漿預(yù)加固,圍巖穩(wěn)定性增強,隧道變形處于允許范圍內(nèi),安全順利通過淺埋溝谷,實現(xiàn)“快速、安全、高效”的施工目標(biāo),為類似工況隧道圍巖變形控制與穩(wěn)定性維護提供了較為可靠的借鑒依據(jù)。