大西客运专线上白隧道穿越粉细砂层超前支护方案探讨

侯军红，曾 青

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 隧道概况

上白隧道设计为单洞双线隧道，线间距为5 m。隧道进口里程改 DK594+747，出口里程改DK596+464，全长1 717 m。

隧道位于直线上，隧道内设单面坡，自进口至出口为14.5‰的上坡，隧道最大埋深126.22 m。

隧道所属地区，黄土台塬地貌，冲沟发育，地形起伏较大。山体绵延起伏，大部分被黄土覆盖，沟谷深切较大，多呈“U”及“V”字形，地表多为耕地及林地。

2 现场施工揭示的地质情况

隧道进口于2010年6月8日实现进洞施工，7月23日拱部开始出现干燥粉细砂层，掌子面涌砂严重，施工进展极为缓慢。

隧道洞身穿越砂层为第四系上更新统和中更新统砂层，该砂层位于新老黄土中，以夹层形式出现，厚度不均，在隧道不同部位均能遇到。该段砂层有四个特点:(1)以浅黄褐色粉细砂、细砂为主，颗粒粒径主要集中在0.075～0.25 mm区间，约占总重的80% ～93%，颗粒较均匀，颗粒级配差;(2)干燥，天然含水率仅为2% ～4%;(3)密实状态;(4)黏聚力低，原样经多次取样困难，利用扰样进行夯实制样，黏聚力0～2 kPa，内摩擦角为30°～32°。此类砂层灵敏度高，触变性强，在施工过程中，造成扰动，极易引起漏砂及涌砂。

3 事由经过简述

针对上白隧道砂层开挖困难，多次发生拱部漏砂、掌子面涌砂、进度缓慢的情况，研究提出了密排小导管注浆方案、洞内超前深孔注浆预加固方案以及水平旋喷桩方案。

3.1 密排小导管注浆方案

3.1.1 目的

隧道开挖线外通过带插板小导管注浆和调整施工工法以解决掘进过程中的流砂和坍塌问题，确保施工安全，提高施工质量、加快施工进度、降低施工造价。

为了解决空隙小、渗透条件差的粉细砂地层，通过选择可注性注浆材料和合理小导管施工技术提高围岩的自稳能力，保持开挖面稳定、防止掉拱和结构过量沉降。

3.1.2 加固设计方案(图1、图2)

对拱部及掌子面开挖时出现的粉细砂层，为了达到有效的控制流砂或坍塌等须在开挖线外180°范围采用超前带插板小导管注浆支护，达到超前支护、格栅与砂质地层密贴和受力要求;小导管长2.5 m、上焊接10 cm、宽1.0 m长的钢板，小导管环向间距10 cm、纵向间距0.6 m，管上预留注浆口;注浆材料及工艺根据试验情况确定。

为确保开挖时掌子面砂层稳固，上台阶掌子面增设超前小导管注浆;每循环掌子面开挖完成后，立即喷射混凝土，厚度5 cm，对掌子面进行封闭。

为便于施作超前插板小导管，拱架采用格栅钢架，格栅主筋采用φ25钢筋，钢架间距0.6 m。

施工方法采用上台阶双隔壁导坑施工，中、下台阶采用台阶法施工。

开挖时必须采取自上而下分部进行。采用带插板的钢管、加强超前注浆加固地层。先护后挖，密闭支撑，边挖边封闭，遇缝必堵，严防砂粒从支撑缝隙中逸出。

图1 密排带钢板小导管支护横断面设计(单位:cm)

在小导管管壁上每隔100 mm交错钻眼，眼孔直径6～8 mm，管外端剩余1 m不钻孔，小导管长度为2.5 m/根，每榀格栅打设。

小导管打设时沿已施作末数第二榀格栅内侧内环钢筋边缘、穿越已施作末数第一榀格栅中打入，小导管外插角度控制在20°左右，施工根据格栅斜筋位置调整钢板角度，这样为下一循环开挖确保开挖面不漏砂、有效保证开挖面的稳定。

施工中为了防止漏砂打入带插板小导管，初期支护喷射混凝土需分3次施作，第一次开挖后及时素喷4 cm厚混凝土、第二次喷射如图2所示三角形部分混凝土，打设小导管后喷射第3次混凝土。

图2 密排小导管方案示意

施工中为保证拱脚部位砂体稳定，加密拱脚部位小导管间距，可形成拱脚部位插板钢板搭接，提高基底承载力，防止结构过量沉降和掉拱的发生。

3.2 洞内超前深孔注浆预加固方案(图3、图4)

本方案是在隧道上半断面采用超前预注浆，以对开挖面及轮廓线外3 m范围内土体进行加固，防止砂层涌出，以确保施工安全。半断面超前预注浆孔环径向间距100 cm×90 cm。注浆采用φ90 mm分段前进式注浆，前进式注浆分段长度一般为5 m左右，施工中可根据现场注浆情况作适当调整。为了保证注浆效果，采取3序施工，分别在12 m，21 m位置增加补孔断面。

注浆材料选用水泥浆及水泥水玻璃浆或其他浆液，注浆压力2.0～3.0 MPa，施工中根据现场试验调整合适的注浆压力、注浆填充率等注浆参数。为确保施工安全，注浆结束后必须进行钻孔检查，检查孔数量应达到总注浆孔数的10%以上，并满足规范要求。浆液必须凝结达到设计强度，并取样验证确认后，方可进行下一步工作。

图3 超前半断面预注浆纵断面示意(单位:cm)

图4 超前半断面预注浆开孔布置示意(单位:cm)

待浆液凝结且达到应有强度以后，采用小导管超前支护，小导管采用φ42 mm、t-3.5 mm热轧钢管，长度3.5 m，环向30 cm，纵向间距1.8 m，施工外插角5°～10°。

隧道采用三台阶临时仰拱法。

3.3 水平旋喷桩方案(图5、图6)

图5 水平旋喷桩加固示意(横断面)(单位:cm)

图6 水平旋喷桩加固示意(纵断面)(单位:cm)

3.3.1 目的

为了确保施工安全，在粉细砂地层施工前拱部及边墙开挖线外形成单层加固体，以咬合水平旋喷桩加固为主，必要时辅以小导管注浆。

(1)在隧道开挖前，于掌子面前方构筑拱形刚性体，减轻传到掌子面和支护上的荷载，控制开挖引起的变形和拱部、掌子面流沙坍塌;

(2)旋喷使地层变成高强度的改良体，支撑上部荷载，控制不良地层的坍塌现象;

(3)使用专门的机械设备和高压喷射装置，且能够控制喷射压力，使桩体强度能够满足设计要求。

3.3.2 加固设计方案

水平旋喷桩布置暂按隧道断面180°范围内，长度暂定为15 m，桩径暂定为600 mm，桩间距暂为400 mm，设计外插角度暂定为3% ～5%(要分孔计算每根桩的偏角和仰角，利用三维坐标，成孔定位达到精确)，每循环搭接3 m;成桩体达到的抗压强度为0.5～8.0 MPa。

掌子面为确保稳定需设置旋喷桩加固粉细砂地层，掌子面水平旋喷桩按水平方向打设，长度为15 m;一般按隧道断面等腰三角形布置，主要布置在上台阶位置。

按照“先周边，后掌子面”顺序进行旋喷桩施工，周边按照每次间隔1个，孔位从下到上或左、右交替进行(跳跃式成桩，两边强度平衡，可以减少因钻杆偏移造成桩间咬合率低的问题)。

4 方案比较

结合现场方案的试验性施工，各方案比较见表1。

表1 方案分析对比

5 推荐意见及建议

5.1 推荐意见

从表1看出，密排小导管注浆虽然有施工工艺相对简单成熟、施工机具简单、施工费用较低的优点，但是基于目前的技术水平、设备状况，所采用的低压浅孔密排小导管注浆难以对上白隧道的干燥粉细砂地层起到固结的作用，存在较大安全风险，洞内超前深孔注浆施工费用较高，进度缓慢。因此建议推荐采用能有效控制漏砂、涌砂的洞内超前水平旋喷桩方案。

5.2 建议

结合现场试验，建议进一步改进设备，加强施工组织管理，提高施工工效，结合现场试验及国内相关经验，建议超前支护参数及施工方法如下。

针对上白隧道砂层部位采用超前水平旋喷桩方案堵漏，结合现场试验，旋喷桩长度宜为15 m左右，桩径600 mm，桩间距为400 mm，设计外插角度暂定为3%～5%，每循环搭接3 m;成桩体达到的抗压强度5.0～8.0 MPa;为提高水平旋喷桩抗剪强度，全断面或者拱部位于砂层地段采用拱部120°水平旋喷桩内插φ89钢管进行预加固，φ89钢管环向间距80 cm。掌子面为确保稳定需设置超前预加固桩加固粉细砂地层，掌子面超前预加固桩按水平方向打设，一般按隧道断面等腰三角形布置，间距2 m×2 m，砂层断面内布设。

［1］铁路工程设计技术手册·隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［2］TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］TZ204—2008 铁路隧道施工指南［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［4］TB10121—2007 铁路隧道监控量测技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［5］朱永全，宋香玉.隧道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

［6］关宝树.隧道力学概论［M］.成都:西南交通大学出版社，1993.

［7］关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:中国交通出版社，2003.

［8］陈五二.粉细砂地层隧道水平旋喷桩支护技术［J］.铁道标准设计，2011(S):136-137.

［9］蒲正林.深孔高压注浆法在大西客运专线上白隧道穿越砂层中的应用［J］.铁道标准设计，2011(S):138-140.

［10］刘志刚，赵勇.隧道施工地质技术［M］.北京:中国铁道出版社，2001.

［11］铁路工程地质勘察规范［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［12］张民庆，彭峰.地下工程注浆技术［M］.北京:地质出版社，2008.