富水浅覆不均匀地层大断面隧道快速施工技术研究

苏立华

(中铁三局 广珠铁路四标段指挥部，广东 江门 529020)

随着我国建设的迅速发展，隧道往往需要通过各种地形、地质条件复杂的地区。在富水、浅埋、软弱围岩等条件下进行隧道施工，必须对围岩预加固以确保施工安全[1]。隧道地层预加固的方法较多，一般有锚管、小导管注浆、地表注浆、管棚、水平旋喷、机械预切槽、预衬砌等手段。各种方法有各自的优缺点和适用条件，但是总体上讲前三种手段应用较多。比如超前小导管注浆预加固支护技术，在夹活岩特长隧道工程得到成功应用[2-3]。另外管棚预加固应用也不少[4-5]，水平旋喷预加固应用相对较少，但是随着在富水、软弱等复杂地层条件下修建的隧道越来越多，水平旋喷预加固方法应用也逐渐增多。比如白聚敏，路德富，彭少杰，李显峰等结合具体的工程实例，针对各工程的特殊性，提出水平旋喷加固手段，并成功应用[6-9]。机械预切槽及预衬砌方法在我国应用很少。

江门隧道是广珠铁路六大控制性工程之一，本文在该隧道下穿玉龙湖泄洪道段水平旋喷预加固方法成功应用的基础上，对富水浅埋不均匀地层大断面隧道快速施工技术进行总结，可供类似工程参考。

1 工程概况

江门隧道DK111+115—DK111+210段下穿玉龙湖泄洪道，如平面图1所示。隧道洞身浅埋，上部为全风化花岗岩，下部基岩为花岗岩，地表水发育，设计为Ⅵ级围岩。从上往下地层依次为:①素填土，成份由黏性土及细砂组成;②全风化花岗岩，粗粒结构，呈坚硬砂土状，岩质软，手可捏碎，泡水易崩解;③强风化花岗岩，褐灰色，手可掰断;④弱风化花岗岩，块状构造，裂隙较发育。隧道在该段主要穿越全风化和强风化花岗岩地层，隧道纵向剖面见图2。

图1 江门隧道下穿泄洪道平面示意

图2 江门隧道下穿泄洪道纵向剖面

隧道下穿玉龙湖泄洪道VI级围岩段开挖轮廓高约11.7 m，宽约12 m，原设计在管棚 +全断面注浆前提下采用双侧壁导坑法开挖。拱墙和仰拱均设置27 cm厚C25喷射混凝土，两侧边墙设置3.5 m长φ22 mm系统锚杆，间距100 cm×100 cm;拱墙设置φ8 mm钢筋网，网格间距15 cm×15 cm;全环设置I22工字钢，0.5 m/榀。二次衬砌拱墙和仰拱均采用C35钢筋混凝土，其中拱墙50 cm厚，仰拱60 cm厚，隧道断面如图 3 所示[10]。

图3 Ⅵ级围岩断面支护示意(单位:cm)

2 地层预加固

针对隧道下穿泄洪道段上述特点，施工易引起塌方，风险极大，因此必须对地层进行预加固，预加固从地表和洞内同时进行。

2.1 地表措施

为确保隧道施工安全，在地表泄洪道内，隧道中线两侧各25 m(即全长50 m)范围内架设φ50 mm钢管，横纵间距5 m，交织成网状。交叉处用铁丝绑扎，钢管间搭接50 cm采用绑扎形式。在钢管网上铺设防水板，泄洪道侧壁内防水板高度超出历史水位1 m，确保施工过程中，水源顺畅通过隧道顶部，水不会大量渗透进入隧道而造成透水事故。隧道万一塌方，该措施可提供有利的应急条件。

2.2 洞内措施

2.2.1 预加固方案选择

江门隧道DK111+115—DK111+210段同时存在富水、浅埋、软弱不均地层、大断面等不利于隧道围岩稳定的特征。因此，在该段进行隧道设计和施工难度很大。由于隧道上方玉龙湖泄洪通道的水源补给充足，无法采取降水措施，因此地层预加固中必须选择堵水效果良好的方案才能保证隧道安全快速施工。

花岗岩全风化层为本地区地下含水层，开挖遇水崩解呈泥状。且隧道埋深超浅，采用传统矿山法的超前小导管或大管棚注入的浆液难以均匀扩散。若加大注浆压力或采用劈裂注浆，浆液常呈片状、脉状扩散，在隧道施工期内难以将围岩固结成整体形成封闭的止水帷幕。在防止隧道坍塌方面，都很难达到预期效果。同时大管棚施工因饱和水影响，注浆达不到理想效果，管棚间不能咬合。因此，选择水平旋喷作为地层预加固方案。

2.2.2 预加固方案的实施

自起拱线起轮廓线外施作一圈水平旋喷桩。周边旋喷加固体的直径为500 mm，孔深30 m，环向间距0.35 m，外插角6°～8°，相邻加固体咬合厚度＞10 cm。同时为克服水平旋喷抗剪强度不高的缺点，采用旋喷+管棚进行预支护，如图4所示。施工中共施作旋喷桩62根，旋喷注浆压力35～40 MPa。管棚打设共8根，长25 m，管径 φ108 mm，管棚注浆压力约5 MPa。

图4 水平旋喷加固设计

在如此浅覆地层中进行水平旋喷预加固，存在较大的施工难度，特别是外插角控制精度要求很高。要确保施工质量，必须选择专业合格的施工队伍。该段隧道上部全风化花岗岩为粗粒结构，呈坚硬砂土状，旋喷预加固后，桩体强度很高，止水效果也很好。

3 现场措施及效果

3.1 现场措施

对地层进行预加固之后，根据现场观测及监测数据反馈，地层得到有效加固，止水效果良好。采用台阶法进行快速施工，开挖步骤如图4所示。首先开挖上台阶①部，预留核心土，施作上台阶初期支护;依次开挖中台②、③部并支护;开挖④部后错台开挖⑤、⑥部并支护;开挖⑦部，铺设垫层使初期支护成环，及时回填仰拱。

为保证隧道施工质量和安全，降低施工风险，采用台阶法开挖的同时，现场从以下几个方面进行控制与管理:

1)实行短循环进尺，上台阶软岩每次控制在0.5 m，加强上台阶锁脚锚管，严格控制锚管施工质量，保证锁脚锚杆打设深度及角度。

2)为保持旋喷桩止水效果，减少对预加固地层及围岩不必要的扰动，取消超前小导管。且施工中严格控制超挖量。

3)下部硬岩爆破时合理布置爆孔位置，控制装药量以减少对已施作支护及围岩的扰动，降低施工风险。

4)及时施作支护并保证其施工质量，在设计支护刚度的基础上，严格控制初支钢拱架间距及喷射混凝土质量;缩短支护成环周期，保证初期支护及时成环。

5)妥善处理地下水，在有效堵水的前提下，对所剩少量渗水进行合理有效的排放。合理设置抽水机的台数及密度，并对其及时维护，确保其高效工作，避免工作面积水过多影响施工。

6)用电设备及作业机械，首先注意用电安全，其次加强设备的检查及维护，以免出现故障影响施工。

7)加强监控，根据规范要求对隧道沉降收敛进行监测。增设监测断面及测点，加大监测频率，对地表及建筑物进行及时监测。针对该地段特殊情况，加强掌子面稳定性的监测。

8)加强施工管理，对工人进行岗前培训，加强其安全意识，减小人员伤亡风险。对各工序的施工质量进行检查，及时发现并改正问题;合理配制机械装备，做到经济有效;合理高效安排各工序的衔接，避免资源浪费;制定合理有效的应急议案，一旦风险事故发生，可立即采取应急措施，将损失减到最小。

3.2 效果分析

现场采用水平旋喷+管棚注浆进行预加固，并结合三台阶法进行开挖，没有出现任何事故，确保了施工安全。水平旋喷桩大大提高了围岩稳定性，避免了全风化花岗岩遇水崩解引起滑塌的危险。根据现场观察止水效果较好，洞内渗水较小，初支施作后仅局部出现渗水，且水量很少。在有效预加固的基础上，得以采用三台阶法开挖，从而加快了施工进度。在如此复杂的条件下，开挖进度达0.6 m/d。隧道于2011年2月顺利通过泄洪道地段。

综上可知，该工程中正确选择预加固方案，并有效实施，对地层进行了有效加固，达到了止水目的。结合江门隧道下穿泄洪道段的富水、超浅埋、地层不均、断面大等特点，总结现有的技术措施，采用台阶法开挖，加快了施工进度，最终实现了安全、经济、高效的目标，是水平旋喷预加固技术在富水浅覆不均匀地层大断面隧道的成功应用。

4 结论

在江门隧道下穿玉龙湖泄洪道段成功实例的基础上，可得出以下结论:

1)为保证富水、浅覆、不均匀地层大断面隧道安全、快速施工，必须采取有效的预加固措施。水平旋喷具备改良和加固土层、止水，有利于控制地层沉降，减小对地层扰动等效果，是该条件下保证隧道安全快速施工的最优预加固方案。

2)采用台阶法施工时，应该采取控制上台阶一次开挖进尺(控制在0.5 m)、加强锁脚锚管、严禁超挖、减少对围岩不必要的扰动、初支快速成环、二次衬砌紧跟掌子面等措施，确保施工安全及质量。

3)在对地层进行有效预加固前提下采用台阶法施工，加快了施工进度，可供类似工程借鉴。

[1]孔恒.城市地下工程浅埋暗挖地层预加固理论与实践[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[2]金刚，龚诗淇，查宏波，等.超前小导管注浆预加固在夹活岩隧道中的应用[J].公路交通科技，2008(4):132-133.

[3]黄华，张永厚.超前加固支护技术在改建铁路隧道洞门施工中的应用[J].铁道建筑，2010(4):48-49.

[4]李正耀.长大管棚在涵洞穿越既有线施工中的应用[J].铁道建筑，2010(5):56-58.

[5]唐朝松.大管棚超前支护环形开挖预留核心土三台阶隧道施工方法[J].铁道建筑，2009(9):46-49.

[6]白聚敏.软流塑地层暗挖隧道的水平旋喷注浆[J].隧道建设，2008，28(4):498-500.

[7]路德富.水平高压旋喷注浆技术在城市浅埋隧道预支护中的应用[J].探矿工程，2008(2):72-74.

[8]彭少杰.水平旋喷加固体的成桩机理与直径分析研究[J].地下工程与隧道，2008(3):42-44.

[9]李显峰.水平旋喷桩在浅埋暗挖隧道工程中的应用研究[J].市政技术，2008，26(4):323-325.

[10]中铁第四勘察设计院集团有限公司.江门隧道暗挖段勘察设计报告[R].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2008.