陳天明

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司， 北京 100176)

0 引言

我國(guó)是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國(guó)家，其黃土范圍廣泛，涉及山西、陜西、甘肅、內(nèi)蒙古、河南、寧夏、青海等省區(qū)，面積約63萬km2。其中，以黃土高原地區(qū)最為集中，占我國(guó)黃土面積的72.4%，土層厚度一般在50～200 m，最厚處位于甘肅省蘭州市九洲臺(tái)地區(qū)，黃土堆積厚度達(dá)336 m。近年來，隨著國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)的快速發(fā)展與西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，陜西、寧夏、甘肅、青海等涉及高原黃土地區(qū)的鐵路建設(shè)日益廣泛。與此同時(shí)，黃土地區(qū)特殊的水文地質(zhì)條件，也給我國(guó)的鐵路隧道建設(shè)帶來了許多困擾設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)難題，如掌子面涌水涌泥、圍巖掉塊失穩(wěn)、隧基擾動(dòng)后軟化等。

自20世紀(jì)在黃土地區(qū)開展普速鐵路建設(shè)以來，國(guó)內(nèi)對(duì)黃土隧道設(shè)計(jì)與施工開展了多方面的研究，可歸納為以下5個(gè)方面： 1)富水黃土隧道地下水處治技術(shù)[1-2]； 2)鐵路富水黃土隧道的防排水技術(shù)[3-4]； 3)在循環(huán)動(dòng)載作用下，富水黃土隧道隧底軟基受振動(dòng)影響[5-6]； 4)富水黃土隧道加固技術(shù)，如鋼管樁、水泥土擠密樁等[7-13]； 5)富水黃土隧道圍巖土體的滲流與穩(wěn)定性[14-15]。

從以上研究情況可知，對(duì)高鐵富水黃土隧道開展地表降水開挖與隧底軟基加固研究尚屬首次。雖然文獻(xiàn)[16-17]對(duì)隧道地表降水井的設(shè)計(jì)與降水效果進(jìn)行了一些探討，但在富水黃土隧道地表降水按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定涌水量與參照斜井實(shí)際工況預(yù)測(cè)涌水量開展井群設(shè)計(jì)的合理性對(duì)比、隧道拱頂沉降與黃土圍巖含水率的關(guān)系、隧底軟基加固措施及效果驗(yàn)證等方面尚未涉及。在國(guó)內(nèi)西部大開發(fā)與黃土地區(qū)高鐵建設(shè)與日俱增的背景下，本文以銀西高鐵(甘寧段)驛馬一號(hào)隧道為例，對(duì)富水黃土隧道地表降水按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與參照斜井實(shí)際工況確定涌水量2種井群設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，分析井群地表降水的成效及黃土隧道拱頂沉降與圍巖含水率的關(guān)系，并對(duì)隧底軟基加固措施進(jìn)行探索和效果驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 隧道概況

銀西高鐵驛馬一號(hào)隧道為高風(fēng)險(xiǎn)隧道，位于甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)彭原鄉(xiāng)，行走于黃土梁塬溝壑區(qū)。隧道起訖里程為DK254+200～DK259+006.4，全長(zhǎng)4 806.4 m，其中，Ⅴ級(jí)圍巖段4 206.4 m，Ⅵ級(jí)圍巖段600 m。整座隧道位于曲線上，為單面下坡，采用2座雙車道無軌運(yùn)輸坑道輔助施工。1#斜井洞身全長(zhǎng)471 m，與正洞交于DK256+520； 2#橫洞洞身全長(zhǎng)340 m，與正洞交于DK257+400。

1.2 工程與水文地質(zhì)特征

隧道位于董志塬黃土梁塬溝壑區(qū)，表層為10～20 m厚透水的馬蘭期黃土(Q3)，以硬塑為主；下層為150～170 m厚的離石黃土(Q2)，是主要的含水層和地下水運(yùn)移通道，隧道DK255+285～DK256+178、DK256+293～DK257+658段，斜井X0+160～+350、X0+390～+471段和橫洞H0+44～H3+40段穿越該地層，因洞身處于含水層或水位線附近，黃土含水率為18%～40%，液性指數(shù)為-0.397～1.20，以軟塑為主；再下層為40～50 m厚的午城黃土(Q1)，具有相對(duì)隔水作用。

塬區(qū)地下水為第四系松散層孔隙潛水，塬區(qū)中部含水層厚度為60～75 m，向邊緣逐步減小。隧道DK255+290～DK256+220、DK256+300～DK257+580段，探孔深度范圍內(nèi)含水層厚20～40 m。隧道在塬區(qū)的地下水埋深為40～75 m，在梁峁區(qū)埋深大于100 m，在沖溝處埋深為5～20 m。降雨是地下水的唯一補(bǔ)給來源，塬區(qū)年平均降雨量為534 mm，年最大降雨量為817.6 mm。塬邊泉水和人工開采是其主要的排泄方式。隧道所在區(qū)域水文地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 董志塬水文地質(zhì)剖面圖(單位： m)

2 洞內(nèi)排水掘進(jìn)存在的問題

2.1 滲涌水量大、不易疏干

在進(jìn)入1#斜井X0+235～+385段軟塑黃土層施工后，土體含水率逐漸增加，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定黃土含水率為26.4%～33.4%。掌子面由滲水發(fā)展成股狀涌水，隨著隧道埋深及施工長(zhǎng)度的增大，洞內(nèi)滲、涌水量由20 m3/d發(fā)展至600 m3/d，穩(wěn)定水量由20 m3/d發(fā)展至300 m3/d，水量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間在15 d左右。

2.2 軟塑段圍巖穩(wěn)定性差

1#斜井洞身穿過2段軟塑黃土夾層(X0+160～+350、X0+390～+471)，圍巖穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量與施工安全。

斜井底板進(jìn)入軟塑黃土層后，隧基承載力顯著下降，在機(jī)械擾動(dòng)下成稀泥狀，40 cm厚素混凝土底板在重車碾壓下出現(xiàn)碎裂，重型機(jī)械通行困難。

拱部進(jìn)入軟塑黃土層后，掌子面土體分層剝落，拱部小導(dǎo)管下方土層掉落，混凝土噴射時(shí)拱部土體剝落堆積于鋼筋網(wǎng)內(nèi)側(cè)。

洞身進(jìn)入軟塑黃土層后，邊墻出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，混凝土噴射時(shí)邊墻土體剝落堆積于鋼筋網(wǎng)內(nèi)側(cè)，存在初期支護(hù)空鼓與掉拱風(fēng)險(xiǎn)。

在斜井X0+333處施作超前小導(dǎo)管時(shí)，拱部出現(xiàn)掉塊，隨后掌子面滑塌，引發(fā)后方13 m初期支護(hù)坍塌，塌方量約800 m3?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定黃土層含水率達(dá)28.9%。

2.3 掘進(jìn)緩慢、工期滯后

軟塑黃土段隧道采用六部CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掘進(jìn)，其余段落隧道采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工。自2016年9月開工至2017年8月，進(jìn)、出口工區(qū)尚未進(jìn)入軟塑黃土段開挖，正洞累計(jì)掘進(jìn)僅997 m，剩余3 089.4 m；斜井累計(jì)掘進(jìn)390 m，剩余軟塑黃土段81 m。隧道正洞的2 400 m軟塑黃土段為全線控制工期地段。按2017年3月至8月15日期間已施工斜井軟塑黃土段平均20 m/月的掘進(jìn)速度推算，關(guān)鍵線路1#斜井工區(qū)正洞DK256+520～DK257+308段預(yù)計(jì)至2020年底方可貫通，較2020年2月的計(jì)劃貫通時(shí)間滯后約10個(gè)月。隧道施工進(jìn)展情況如圖2所示。

圖2 驛馬一號(hào)隧道施工進(jìn)展情況示意圖

3 降水方案的設(shè)計(jì)及對(duì)比

3.1 降水方案選定

2016年9月開工至2017年10月，1#斜井僅掘進(jìn)420 m，在其軟塑段掘進(jìn)時(shí)平均月進(jìn)尺僅約20 m，且多次發(fā)生涌水、掉塊和坍塌風(fēng)險(xiǎn)。因洞內(nèi)排水法疏干周邊土體時(shí)間長(zhǎng)，施工時(shí)圍巖穩(wěn)定性差，安全風(fēng)險(xiǎn)極高，且掘進(jìn)緩慢，導(dǎo)致施工進(jìn)度嚴(yán)重滯后于計(jì)劃工期。針對(duì)洞內(nèi)排水效果差、施工干擾大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，加快施工進(jìn)度，依據(jù)富水黃土地層遵循排水為主的處理原則，確定采用地表降水法為主穿越軟塑黃土段的施工方案，并展開了地表降水設(shè)計(jì)、研究工作。

3.2 按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的井群設(shè)計(jì)

3.2.1 地質(zhì)參數(shù)的確定

勘探結(jié)果顯示，隧道在不同地貌單元的含水層厚度差異較大，如表1所示?？紤]到設(shè)計(jì)井深位于隧底軟塑層以下15～25 m，設(shè)計(jì)時(shí)概化后的井深范圍內(nèi)含水層厚度按35～45 m計(jì)算。

根據(jù)抽提水試驗(yàn)及周邊民井調(diào)查結(jié)果，計(jì)算出黃土滲透系數(shù)為0.046～0.570 m/d，影響半徑為15～190 m。因探孔受孔徑及出水量偏小影響，計(jì)算出的影響半徑及滲透系數(shù)偏小。參考塬區(qū)以往經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)滲透系數(shù)采用0.5 m/d。

表1 隧道各段落含水層厚度

3.2.2 基坑總涌水量計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)，參照J(rèn)GJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的基坑降水方式，根據(jù)在斜井軟塑段的掘進(jìn)情況，按22 m×25 m的基坑尺寸設(shè)計(jì)隧道管井布置方式。

當(dāng)月進(jìn)尺25 m時(shí)，基坑尺寸為22 m×25 m，按式(1) 計(jì)算得基坑總涌水量約為880 m3/d。

(1)

3.2.3 管井?dāng)?shù)量計(jì)算

井群降水井?dāng)?shù)按n=1.1Q/q計(jì)算。按設(shè)計(jì)單井流量q=100 m3/d與q=150 m3/d，計(jì)算出22 m×25 m基坑需要的降水井?dāng)?shù)量,如表2所示。

表2 22 m×25 m基坑所需的降水井?dāng)?shù)量

建筑基坑水位降深計(jì)算公式見式 (2)。按式(2)驗(yàn)算，基坑內(nèi)各點(diǎn)降深均滿足Si≥Sd(Sd為基坑地下水位的設(shè)計(jì)降深)的設(shè)計(jì)要求。

(2)

式中：Si為基坑內(nèi)任一點(diǎn)的地下水位降深，m；q為設(shè)計(jì)單井流量，m3/d；rij為地下水位降深計(jì)算點(diǎn)i至對(duì)應(yīng)管井(j為對(duì)應(yīng)的管井?dāng)?shù)，j=1,…,n)中心的距離，m。

3.3 參照斜井涌水工況的井群設(shè)計(jì)

3.3.1 參照斜井涌水工況的降水井?dāng)?shù)計(jì)算

按斜井軟塑段實(shí)際掘進(jìn)時(shí)每月約25 m的進(jìn)度與涌水狀況進(jìn)行管井設(shè)計(jì)。隧道進(jìn)入正洞后，掌子面面積將為斜井的3倍左右。根據(jù)斜井掘進(jìn)時(shí)穩(wěn)定后的平均涌水量為232 m3/d，考慮到隧道進(jìn)入正洞后埋深加大，水頭壓力增加，進(jìn)入正洞后掌子面的涌水量按400 m3/d和600 m3/d 2種工況考慮。按單井出水量100 m3/d、150 m3/d 2種情況與降水井?dāng)?shù)n=1.1Q/q，計(jì)算得出月進(jìn)尺25 m時(shí)基坑所需的降水井?dāng)?shù)量如表3所示。

表3 不同掌子面涌水量下隧道基坑所需降水井?dāng)?shù)量

因隧道掌子面單位時(shí)間內(nèi)的涌水量一定，故不同掘進(jìn)速度下所需的管井?dāng)?shù)量基本一致。

3.3.2 基坑中心點(diǎn)水位降深驗(yàn)算

由表3可知，在不同涌水量與不同單井流量下所需的管井?dāng)?shù)量在3～7眼。為選擇合理的井?dāng)?shù)和井徑，以降低施工難度，提高管井排泄效率，根據(jù)降水時(shí)隧道兩側(cè)水井宜均等布置的原則，以隧道中心線為中線，按橫向井距22 m、縱向井距25 m選定4眼較大直徑的管井構(gòu)建基坑降水模型，如圖3所示。

圖3 隧道施工月進(jìn)尺25 m基坑降水井平面布置圖(單位： m)

采用式 (2) 驗(yàn)算22 m×25 m基坑內(nèi)a點(diǎn)的水位降深，結(jié)果如表4所示。

表4 基坑中心a點(diǎn)降深計(jì)算

由表4可知，單井涌水量150 m3/d、縱向間距25 m時(shí)，基坑中心a點(diǎn)水位降深達(dá)22.3 m，可滿足隧道降水深度要求。

3.4 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)際工況下井群設(shè)計(jì)對(duì)比分析

在上述井群設(shè)計(jì)中，分別按照經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與參照斜井實(shí)際工況下的涌水量，計(jì)算正洞在月進(jìn)尺25 m時(shí)的總涌水量，以及在不同單井流量、不同涌水量時(shí)所需的管井?dāng)?shù)。按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算22 m×25 m基坑的總涌水量為880 m3/d，參照斜井實(shí)際工況預(yù)測(cè)22 m×25 m基坑的總涌水量為400 m3/d或600 m3/d。因2種方法確定的基坑總涌水量相差較大，導(dǎo)致按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得出的管井?dāng)?shù)與參照斜井涌水實(shí)況計(jì)算得出的管井?dāng)?shù)相差4～5眼或2～3眼，可見在降水井群設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合實(shí)際工況涌水量或開展局部深井疏干試驗(yàn)后的地層參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是確保設(shè)計(jì)管井?dāng)?shù)與現(xiàn)場(chǎng)降水需要相吻合的關(guān)鍵。此外，實(shí)踐表明： 為方便施工和提高單井流量，設(shè)計(jì)時(shí)管井孔徑不宜過小。

4 降水方案的實(shí)施及效果

4.1 降水方案的實(shí)施

地表降水時(shí)，按隧道掘進(jìn)順序逐段實(shí)施，以免大范圍降水造成地表沉陷等不良影響。設(shè)置時(shí)管井交錯(cuò)布置于隧道輪廓線外側(cè)4 m處，井間距為25 m，井深位于軟塑層以下15～25 m，井管采用φ325 mm×6 mm鋼管，設(shè)計(jì)單井允許出水量大于150 m3/d。在地形起伏及沖溝處，井間距可適當(dāng)調(diào)整。先對(duì)驛馬一號(hào)隧道洞身處于軟塑黃土地層的DK255+880～DK257+596段采用管井降水方案，共設(shè)置降水井135眼，孔深在67～134 m。潛水泵按10～20 m3/h的流量配置，當(dāng)孔深≤100 m時(shí)，揚(yáng)程大于150 m；當(dāng)孔深>100 m時(shí)，揚(yáng)程大于200 m。對(duì)抽水效果不理想(q<10 m3/d)的管井，采用負(fù)壓抽水。

4.2 試驗(yàn)段實(shí)施及其效果分析

為驗(yàn)證地表降水方案的可行性，2017年9月15日在1#斜井與正洞相交里程DK256+520處陸續(xù)開始了試驗(yàn)降水井施工。第1階段，斜井挑頂前，在DK56+510、DK56+535、DK56+560處隧道洞身輪廓線外側(cè)總計(jì)布置了6眼(J1—J6)試驗(yàn)井，實(shí)際完成5眼，J2未能實(shí)施；第2階段，挑頂過程中，又實(shí)施了6眼(J7—J12)試驗(yàn)井，布置如圖4所示。

圖4 1#斜井與正洞DK256+510～+680段降水井平面布置圖

在11眼試驗(yàn)井完成后，均進(jìn)行了試抽試驗(yàn)與正式抽水，具體試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5統(tǒng)計(jì)分析可知，井深較隧底埋深平均深27.64 m。試抽階段，平均降深為42.22 m，平均動(dòng)水位為92.55 m，較隧底埋深平均深13.64 m；正式抽水階段，平均降深為40.65 m，平均動(dòng)水位為90.99 m，較隧底埋深平均深12.08 m。正式抽水階段較試抽階段平均降深減小了1.57 m，主要由群井抽水時(shí)各單井的出水量減少所致。試驗(yàn)表明，按斜井涌水工況預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的群井降水方案，無論是設(shè)計(jì)單井出水量還是水位降深，均能滿足單井日涌水量和隧底降深要求。此外，試抽階段測(cè)定的地層滲透系數(shù)均值為0.23 m/d，影響半徑均值為184.73 m，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)階段的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值較實(shí)際工況存在一定差異。

表5 1#斜井與正洞降水井試抽水與正式抽水試驗(yàn)結(jié)果

5 地表降水主要成效

5.1 水位下降，洞內(nèi)出水量減少

根據(jù)1#斜井與正洞DK256+500～+680段的井群降水試驗(yàn)結(jié)果，各井點(diǎn)靜水位在47～53.3 m，正式抽水階段，經(jīng)過累計(jì)59～192 d的抽水后，平均動(dòng)水位為90.99 m，較隧底埋深平均低12.08 m，孔內(nèi)平均降深達(dá)40.65 m，按式 (2)驗(yàn)算隧道各中心點(diǎn)降深均位于隧道底板以下約5 m。

自2017年9月15日陸續(xù)開始1#斜井與正洞交叉段降水試驗(yàn)，共實(shí)施了11眼管井進(jìn)行集中降水，至2018年5月5日，斜井與正洞交叉段掌子面出水量顯著減少，并從4月1日開始，施工至正洞掌子面時(shí)基本無滲水。降水井工作數(shù)與洞內(nèi)出水量情況如表6所示。

5.2 掌子面黃土性質(zhì)改善，初期支護(hù)沉降減小

自2017年10月22日至2018年5月5日，在1#斜井與正洞DK256+500～+680段試驗(yàn)井降水期間，對(duì)隧道洞內(nèi)日涌水量和掌子面黃土層的液性指數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。圖5為隧道洞內(nèi)日涌水量與掌子面黃土液性指數(shù)間的關(guān)系圖。隨著地表降水量的增加，隧道洞內(nèi)的日涌水量減少，使得掌子面黃土層的液性指數(shù)出現(xiàn)了明顯下降。黃土的塑性狀態(tài)也發(fā)生了一定的變化，局部成為硬塑，改變了隧道洞身及周邊黃土層的性質(zhì)。

表6 降水井工作數(shù)與洞內(nèi)出水量情況

圖5 隧道洞內(nèi)日涌水量與掌子面黃土液性指數(shù)關(guān)系

在1#斜井X0+380～+471段與正洞DK256+500～+680段掘進(jìn)期間，對(duì)降水前后隧道斜井及正洞典型斷面的拱頂沉降情況和掌子面黃土層的含水率進(jìn)行了觀測(cè)，斜井及正洞典型斷面拱頂沉降情況與掌子面黃土含水率關(guān)系如圖6所示。

X0+380、X0+385、X0+400為地表降水井實(shí)施前斷面。

由圖6可知，隨著掌子面黃土含水率的下降，隧道初期支護(hù)拱頂累計(jì)沉降量和變形速率較降水前大幅下降。數(shù)據(jù)表明，地表降水對(duì)減少隧道軟塑黃土圍巖沉降變形效果顯著。

5.3 隧道工期大幅提前

施工時(shí)，對(duì)驛馬一號(hào)隧道洞身處于軟塑黃土地層的DK255+880～DK257+596段采用地表降水方案，共設(shè)置地表降水管井135眼。經(jīng)群井降水后，Ⅴ級(jí)圍巖掘進(jìn)速度由洞內(nèi)排水方案時(shí)的20～30 m/月，提高到了平均50 m/月，快時(shí)達(dá)65 m/月。2019年7月18日實(shí)現(xiàn)全隧貫通，較計(jì)劃貫通時(shí)間2019年12月底提前了5.5個(gè)月，隧道工期大幅提前。

6 隧底軟基加固

6.1 隧底地質(zhì)概況

驛馬一號(hào)隧道DK255+530～DK256+430、DK256+630～DK257+800段位于地下水位以下，開挖揭示地質(zhì)為第四系中更新統(tǒng)(Q2)風(fēng)積黏質(zhì)黃土層，呈軟塑狀，垂直節(jié)理發(fā)育，水敏性強(qiáng)，含水率高達(dá)26%～33%，基底承載力低。在后期運(yùn)營(yíng)中，長(zhǎng)期受地下水徑流和列車動(dòng)載影響，軟塑隧基易產(chǎn)生翻漿、冒泥和局部下沉等病害。為確保運(yùn)營(yíng)安全，施工時(shí)需對(duì)這2段隧基有效深度范圍內(nèi)的軟塑黃土地層予以加固，以提高基底承載力和穩(wěn)定性。

6.2 加固方案選定

2017年12月，對(duì)軟塑隧基開展了鋼管樁和袖閥管注漿加固試驗(yàn)。鋼管樁在軟基鉆進(jìn)過程中轉(zhuǎn)矩大，成樁時(shí)間長(zhǎng)，需與隧道掘進(jìn)交叉作業(yè)，施工干擾大，加固、堵水效果差。袖閥管注漿工序滯后于仰拱填充施工，可實(shí)現(xiàn)注漿與開挖、襯砌平行作業(yè)，施工進(jìn)度不受制約；對(duì)已完工注漿段進(jìn)行效果檢驗(yàn)，隧基承載力滿足設(shè)計(jì)要求，確定選用該方案對(duì)隧基進(jìn)行加固。

施工時(shí)，對(duì)驛馬一號(hào)隧道2段軟塑黃土隧基采用袖閥管注漿加固措施。在仰拱初期支護(hù)施工時(shí)預(yù)留φ133 mm套管，套管頂面低于仰拱填充面50 cm，待注漿完成后再澆筑上層50 cm混凝土。隧基加固范圍為仰拱開挖輪廓線以外4 m，注漿孔按2.25 m×2.25 m等邊三角形布置，漿液擴(kuò)散半徑為1.3 m。隧基加固孔位布置如圖7和圖8所示。

圖7 剛性袖閥管加固隧底橫斷面布置示意圖(單位： cm)

(a) 袖閥管平面布置示意圖 (b) 注漿擴(kuò)散半徑大樣圖

6.3 加固工藝

6.3.1 施工準(zhǔn)備

施工前，做好設(shè)備安裝、調(diào)試和孔位放樣。袖閥管采用6 m長(zhǎng)φ76 mm×3.5 mm無縫鋼管制作，注漿深度范圍內(nèi)，斷面間距75 cm，距地面不小于0.5 m,每斷面均勻布置4個(gè)φ8 mm的注漿孔，底端15 cm加工成尖錐狀。

6.3.2 成孔

為減少水對(duì)隧基的影響，采用風(fēng)動(dòng)潛孔鉆機(jī)成孔，孔位水平偏差≤5 cm，垂直偏差≤l/150(l為樁長(zhǎng))。鉆孔時(shí)做好地質(zhì)描述，以指導(dǎo)下步鉆孔和注漿作業(yè)。鉆至設(shè)計(jì)深度后，通過高壓風(fēng)排渣清孔。

6.3.3 止?jié){

成孔后，將袖閥管安裝至孔底，將套殼料注入管下入孔內(nèi)，注入套殼料(水泥和膨潤(rùn)土混合液)將周邊孔隙封閉。袖閥管外側(cè)注漿孔用φ60 mm閥套雙層包裹，外纏4層防水膠帶固定。在φ20 mm注漿芯管注漿孔上下設(shè)水囊止?jié){塞，注漿腔長(zhǎng)1 m。

6.3.4 注漿

采用φ76 mm×3.5 mm剛性袖閥管按后退式分段注漿工藝對(duì)隧基注漿加固，分段長(zhǎng)度為1～1.5 m。均質(zhì)地層用單囊止?jié){塞注漿，局部存在軟弱地層段，二次注漿時(shí)用雙囊止?jié){塞注漿，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)終止注漿，否則再循環(huán)注漿，每米注漿填充率平均約23%。注漿時(shí)，將加固區(qū)域以50 m為單位分成若干段落，按由外到內(nèi)，跳孔作業(yè)。注漿料為P·O 42.5普通水泥單液漿+HPC外加劑，注漿參數(shù)如表7所示。當(dāng)水泥漿液發(fā)生沉淀、離析時(shí)，應(yīng)進(jìn)行二次攪拌。

6.3.5 封孔

注漿結(jié)束后，及時(shí)清除鋼管內(nèi)的浮漿、虛渣，灌注TGRM特種灌漿料封閉注漿孔，在0.3 MPa水壓試驗(yàn)下不滲漏。φ133 mm套管頂部用鋼板焊接封閉，保證焊縫密實(shí)不滲水。在二次襯砌仰拱混凝土中部位置，每根預(yù)留套管外壁上應(yīng)密封焊接10 mm厚的鋼板止水環(huán)，防止地下水上滲，預(yù)留套管防水構(gòu)造如圖9所示。

表7 袖閥管注漿參數(shù)

圖9 預(yù)埋φ133 mm套管防水結(jié)構(gòu)圖(單位： mm)

6.4 常見問題處理

6.4.1 孔間串漿

孔間串漿通常由單孔注漿量過大、注漿壓力過大、速度過快、孔間距過小等原因引起。首先，可調(diào)整注漿參數(shù)，適當(dāng)降低注漿壓力和注漿速度；其次，可采用間歇注漿或跳孔注漿，并可加大跳孔距離；此外，可采用定量注漿控制單孔注漿量等措施，防止串漿發(fā)生。

6.4.2 注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升

注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升時(shí)，應(yīng)立即采取措施，防止?jié){液繼續(xù)流失造成浪費(fèi)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，主要有漿液濃度過稀、漿液凝結(jié)時(shí)間過長(zhǎng)、注漿方式控制不合理或遇到空腔等。應(yīng)對(duì)措施有間歇注漿、調(diào)整漿液凝結(jié)時(shí)間或處理空腔等。

6.5 加固效果檢測(cè)與驗(yàn)證

6.5.1 鉆芯檢測(cè)

注漿28 d后，對(duì)DK257+620處5 m范圍內(nèi)土體鉆芯取樣檢測(cè)，基底軟塑黃土層物理性能明顯改善，芯樣土體顏色加深，孔隙率減小，呈密實(shí)、硬塑狀，承載力較加固前明顯提高。2～5 m范圍內(nèi)芯樣土體狀況如圖10所示。

6.5.2 含水率測(cè)定與滲水驗(yàn)證

注漿加固28 d后，對(duì)DK257+600～+700段隧基鉆芯取樣土體含水率進(jìn)行了檢測(cè)，較注漿前原狀土含水率降低了7.1%～15.5%，如表8所示。

圖10 DK257+620處鉆芯取樣土體狀況

表8 注漿加固前后隧基土體含水率對(duì)比

檢測(cè)時(shí)，以同為11 cm直徑與4 m孔深的取芯孔與注漿前鉆孔在同一段落做滲水對(duì)比試驗(yàn)，取芯孔與注漿前鉆孔分別靜置3 h后的滲水對(duì)比情況如圖11所示。當(dāng)鉆孔內(nèi)滲水深度達(dá)4 m時(shí)，取芯孔內(nèi)幾乎無滲水，孔周土體穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。

(a) 注漿前 (b) 注漿后

6.5.3 芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

注漿加固后，對(duì)隧基6個(gè)斷面不同取樣深度土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，各點(diǎn)強(qiáng)度及密實(shí)度均較原狀土有了很大提高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由原狀土樣時(shí)的平均0.16 MPa提高到了0.44 MPa。DK257+600～+700段不同深度土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表9所示。數(shù)據(jù)表明，采用袖閥管注漿加固軟塑隧基，提高地基承載力和穩(wěn)定性效果明顯。

表9 注漿后不同深度土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

7 結(jié)論與建議

在銀西高鐵(甘寧段)驛馬一號(hào)隧道施工中，為解決富水軟塑黃土地層帶來的隧道施工難題，對(duì)高鐵富水黃土隧道采用地表降水開挖與隧底軟基注漿加固開展了深入探索，并對(duì)該措施的降水疏干與軟基加固效果進(jìn)行了分析、驗(yàn)證，主要結(jié)論與建議如下。

1)在富水黃土隧道地表降水設(shè)計(jì)時(shí)，按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定的涌水量與按實(shí)際工況預(yù)測(cè)的涌水量常存在較大差異，在設(shè)計(jì)井群降水井?dāng)?shù)時(shí)，結(jié)合實(shí)際工況預(yù)測(cè)的涌水量或開展局部深井疏干試驗(yàn)后的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，是確保設(shè)計(jì)降水井?dāng)?shù)與現(xiàn)場(chǎng)吻合的關(guān)鍵。

2)實(shí)踐表明，對(duì)穿越深厚富水軟塑黃土層隧道開展地表超前降水疏干是可行的，地表降水能提前疏干洞身周邊土體，提高圍巖穩(wěn)定性，便于洞內(nèi)施工作業(yè)，較采用單獨(dú)的洞內(nèi)排水方式疏干洞身周邊土體，更為有效、時(shí)間更短。

3)在富水軟塑黃土隧道中，采用鋼管樁加固隧底軟基，鉆進(jìn)過程轉(zhuǎn)矩大，成樁時(shí)間長(zhǎng)，需與隧道掘進(jìn)交叉作業(yè)，干擾大，加固、堵水效果差。采用袖閥管注漿加固，對(duì)掘進(jìn)施工干擾少，堵水和加固隧底軟基效果更佳。

4)根據(jù)富水黃土隧道所處地層及其含水率的不同，施工時(shí)可對(duì)降水井的位置、數(shù)量、深度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。隧道開挖應(yīng)提前1～2個(gè)月進(jìn)行地表降水，并保證隧道開挖掌子面前6～8眼降水井同時(shí)工作，確保開挖面降水效果達(dá)到最佳，同時(shí)可避免地下水被大面積疏干，造成地層沉降等不良影響。