高速铁路隧道软弱围岩地段进洞方案比选与实施方案

范荣

【摘 要】 本文通过工程实例，对隧道软弱围岩地段进洞方案在工艺原理、地形地貌及地质条件、施工难易程度、围岩加固效果、沉降稳定及安全性等方面进行了较为详细的对比分析，并简要介绍了所采用的进洞方案施工方法及施工工艺，供类似工程参考。

【关键词】 高速铁路；隧道；软弱围岩；进洞方案；比选与实施

1 前言

高速铁路隧道必须根据进洞地形地貌及地质条件、施工难易程度、围岩加固效果等进行综合分析，确定安全性强、沉降小、工艺方法和施工质量易控制的软弱围岩地段进洞方案，才能确保隧道施工质量和安全进洞要求。

2 工程概况

京福铁路客运专线安徽段金锅岭隧道位于安徽省黄山地区歙县北侧约6km，隧道进口里程为DK285+093.8，出口里程为DK288+280，隧道全长3186.2m，其中Ⅱ级围岩680m（占21.34%），Ⅲ级围岩487m（占15.28%），Ⅳ级围岩560m（占17.58%），Ⅴ级围岩1459.2m（占45.80%）。最大埋深约148.5m，线路所经地区地貌主要为剥蚀低山丘陵区，山势延绵，起伏较大，植被发育。隧道设计为单洞双线隧道，进口段位于曲线上，出口位于直线上，全隧道单坡，坡度为12‰，隧道按喷锚构筑法设计、施工，初期支护为采用锚、喷、网和钢架，根据不同的围岩情况采用不同的组合，二次衬砌采用耐久性抗腐蚀砼，防水等级为一级。由于金锅岭Ⅳ、Ⅴ级围岩占隧道总量的63.38%，围岩破碎，为工期控制性工程。

金锅岭隧道出口段DK288+251～DK288+221段地表Qel+dl粉质黏土，下伏晚侏罗纪γ53（1）强风化侵入花岗岩呈碎块状，且存在严重偏压，地下水为孔隙潜水和基岩裂隙水，较发育。洞口段围岩及埋深情况见图1所示。

3 拟采用的进洞方案比选

金锅岭隧道出口拟采用水平定向旋喷桩、洞口长管棚进洞方案，现对两种进洞方案进行对比分析。

（1）工艺原理对比分析

洞口长管棚：在洞口Ⅴ级及以下围岩，无自稳能力、地表存在重要构筑物或者地表沉降要求高的地段，拱顶支护可以施作洞口段长管棚。洞口段长管棚与导向墙配合使用，在导向墙施作完毕后，沿隧道正线方向打设一环洞口段长管棚并进行注浆，对洞口段围岩进行加固，从而保证隧道安全进洞。

水平定向旋喷桩：在富水软弱松散土层、淤泥、淤泥质土、砂质地层塌方等地段，拱顶支护可以采用水平定向旋喷桩。采用水平定向旋喷钻机打设预导孔，预导孔打设到设计长度后旋转回撤钻杆，在回撤钻杆的同时，将配制好的水泥浆液通过钻杆喷射到土体中。桩体之间相互啮合，在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体，使掌子面的稳定性得到提高。

从工艺原来来看两种进洞方案均可用于自稳能力较差地段。

（2）地形地貌及地质条件对比分析

金锅岭隧道出口进洞围岩破碎且线路右侧存在严重的偏压，若施作洞口长管棚不仅使洞口拱顶全风化花岗岩板结成整体并形成梁效应有效增强了围岩的自身稳定性以及抗剪力，保证隧道的进洞安全；若施作水平定向旋喷桩可以使洞口拱顶段围岩板结并相互啮合，但抗剪能力明显不如长管棚施工。

从以上分析来看，存在严重的偏压且围岩破碎的隧道口优选长管棚进洞。

（3）施工难易程度对比分析

在全风化花岗岩地段，施作洞口长管棚需要15d，而施作水平定向旋喷桩需要30d。水平定向旋喷桩施工工期长主要原因：a、受围岩实际情况影响较大，在碎块状岩石较多的地段，水平旋喷钻机难以掘进；b、埋深较浅，最浅处埋深不足2m，为了防止漏浆，可能需要在埋深较浅的一侧进行加固。

由于金锅岭隧道为工期控制性工程，选择洞口长管棚明显优于水平定向旋喷桩。

（4）围岩注浆加固效果对比分析

洞口长管棚：a、浆液在岩体内扩散受岩体节理和层理等影响，扩散成脉状，扩散和加固范围不均匀； b、由于注浆后有一定的自稳能力，水流冲刷不易造成大规模的突水突泥。

水平定向旋喷桩：a、浆液通过钻杆与土体强制搅拌，扩散和加固范围均匀；b、虽然在钻口附近啮合较好，但是在钻机钻入后由于存在碎块状的岩块，不可避免的会出现钻机打入角度误差较大的情况，这样就导致了旋喷桩之间的啮合力不满足要求，进而影响了该处围岩的自稳能力。

从加固效果来看，若选用注浆经验丰富的队伍可以保证注浆质量，采用长管棚施工优于水平定向旋喷桩施工。

（5）沉降稳定性对比分析

长管棚通过长管棚：通过长管棚对周边围岩进行注浆加固提高了围岩自身的强度；由于长管棚布置在前面围岩以及导向墙的型钢上，形成了梁效应，并且有效的分担了拱部及边墙围岩的应力。从围岩受力降低以及围岩自身强度提高两个方面大大降低了隧道拱顶以及边墙的沉降变形量。

水平定向旋喷桩提高了围岩自身的强度，可以降低隧道的沉降变形量。

当洞口段围岩完成初期支护时：由于长管棚对围岩受力进行了分担，围岩自身应力并未全部作用于初支，而施工水平定向旋喷桩时受力并未降低，围岩自身作用力通过水平定向旋喷桩仍将全部作用于初支，因此从沉降稳定性来看，选择长管棚优于水平定向旋喷桩。

（6）安全性对比分析

从围岩注浆加固效果对比分析以及沉降稳定性对比分析来看，选择洞口长管棚施工明显优于水平定向旋喷桩。

（7）成本对比分析

经过估算，导向墙施工约为2.2万元，长管棚施工约30.6万元，合计约32.8万元。

经过估算，水平定向旋喷桩施工约为25.7万元。

从成本对比分析来看，优选水平定向旋喷桩。

结论：通过方案比选我们可以看出，虽然长管棚施工也存在一定的缺点，比如需要施作导向墙、价格略高，但是对于晚侏罗纪γ53（1）强风化侵入花岗岩呈碎块状，地下水较发育，且偏压严重的地段，相对于水平定向旋喷桩施工工期、注浆加固效果以及控制沉降等方面具有更加明显的优势，故在此处按照洞口段长管棚施工。

4 长管棚进洞施工方法及工艺

（1）设计参数

导向墙采用C20混凝土，截面尺寸为1m×1m，布置在拱部140°范围，环向长度约19.5m，内设两榀Ⅰ18轻型工字钢架，钢架外缘设Φ140壁厚5mm长1.4m的导向钢管，环向间距为40cm共47根，钢管与钢架焊接。管棚从导向钢管内穿过，采用Φ108壁厚6m热轧无缝钢管，节长4～6m，每孔的总长度为30m，环向间距为40cm共47根，长管棚注浆采用1：1水泥浆液，注浆压力0.5～2.0MPa。导向钢管布置如图2所示，长管棚布置如（图3）所示：

（2）机械设备配置

洞口段长管棚施工需要的主要机械设备：XY-2PCG地质钻机两台，L-22/7空压机两台，BW-250/50型注浆泵两台，630KVA变压器一个，全转仪一台，水准仪一台。

（3）施工工期

采用两台地质钻机同时施工，从开始钻孔到最后注浆完毕共用时15天。

（4）施工方法

施工时的顺序主要为：放样导向墙设置轮廓线→设置长管棚导向墙 →施钻→顶管→止浆墙施作→注浆。

（5）长管棚应用实际效果

a、优化了注浆设计

在导向墙施作完毕后首先在1#孔处进行了钻孔，同时对钻机钻进时的钻进速度、冲洗液颜色和流量变化、卡钻里程、突进里程、冲击器声音的变化进行了记录，并对记录进行分析，预测前方地质情况，结果发现钻孔时钻进存在卡钻，冲洗液颜色为灰色且夹杂少量花岗岩石粒，钻孔内有水渗出但流量较小等情况，预测前方30m的地质情况为：以强风化和全风化的花岗岩为主，岩体破碎，地下水为孔隙潜水和基岩裂隙水，较发育。

在现场进行注浆之前我們进行了注浆试验，为了能满足扩散半径的要求，我们分别取了粘土层试样、断层破碎带试样以及严重风化试样进行了注浆试验。通过试验，我们获取了施工所需要的注浆参数，具体参数见（表1）：

根据围岩的实际情况我们对注浆量进行了优化，由表2可以看出单根钢管注浆量在严重风化带处要比断层破碎带少0.55m3比粘土层少1.7m3。因此预测出围岩实际情况为严重风化带将大大降低注浆量，节约成本。

b、注浆效果

对检查孔进行了孔内摄像，从摄像资料可以明显看到前方破碎岩层被浆液充填，自稳能力较强。检查孔内成像图片如图4所示：

注浆完毕后，在开挖轮廓线附近进行了取芯，芯样呈短柱状，破碎岩层已经被水泥浆液固结，浆液充填饱满，加固效果明显。

金锅岭出口段采用洞口段超前长管棚，能够满足安全开挖的要求。

5、结束语

对于类似地表粉质黏土自稳能力较差，下伏强风化花岗岩呈碎块状，存在严重偏压，且地下水较发育的隧道，进洞方案的选择直接关系到安全进洞、工期要求、效益和环保等。通过金锅岭隧道出口长管棚进洞的成功实施，我们深刻认识到在处理类似问题时，首先要对各种方案进行详细的分析和对比，只有确定合理的施工方案，才能“安全优质高效”的完成各项施工。