隧道洞口崩坡积碎石土层地基处理方案分析研究

李元元

（四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川 康定 626001）

隧道洞口崩坡积碎石土层地基处理方案分析研究

李元元

（四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川 康定 626001）

根据长河坝隧道出口地形、地质条件和存在的隐患，主要需解决的问题是隧道出口堆积体段地基沉降、不均匀沉降、偏压变形、库水侵蚀软化地基的问题。文中参考地基处理类似的工程案例，提出加筋帷幕墙补强处治方案和钢管桩顶撑处治方案2种方案，并进行了比较研究。

堆积土层；地基沉降；加筋帷幕墙；隧道洞口

1 工程概况

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内大渡河上游干流上，为大渡河干流河段梯级开发规划的第十梯级电站，是以发电为主、兼有防洪等综合利用效益的特大型水利水电枢纽工程。电站装机容量2 400 MW，水库正常蓄水位1 690 m。

省道S211复建公路长河坝隧道长4 177 m，从水电站枢纽区下游顺坡进洞，在水电站枢纽区上游响水沟右侧坡出洞，洞内设置1处大半径曲线绕过水电站枢纽建筑，其余洞段均为直线。

2 工程地质

长河坝隧道出口段连接响水沟大桥，线路以下地面为草灌覆盖，沟底局部基岩出露，表层为崩坡积碎石堆积土层；线路以上地面为树林植被覆盖，线路右侧地表局部可见岩石出露，线路左侧为厚层崩坡积碎石堆积土层，长河坝隧道K17+835—+938段隧道路面以下为崩坡积碎石堆积土层，最厚约20 m。崩坡积碎石堆积土层在隧道纵断面上呈三角形分布，并在隧道洞身进入花岗岩地层而消失。下伏基岩为一套晋宁期—澄江期的侵入岩，花岗岩是工程区的主体岩石，花岗岩体内含有深灰色辉长岩捕虏体，岩体间呈焊接式接触关系，以浅灰色～灰白色花岗岩及石英闪长岩为主。

3 存在的主要隐患

长河坝水电站水库正常蓄水位1 690 m，长河坝隧道出口洞门设计高程为1 702.285 m，原勘探资料显示，洞口处碎石土堆积土覆盖层的底部标高为1 688.39 m。考虑水库蓄水后库水的毛细现象、波浪作用等因素的综合影响，1 693 m高程以下基本为库水影响区，即洞口段崩坡积碎石土层的中下部均侵泡在库水位以下。在水库蓄水和泄水的过程中，库水位升降将直接引起长河坝隧道出口段隧道底部的坡堆积体的干湿状态交替，降低土体力学参数；水位升降也将致使坡堆积水位势的变化，也加大了水力渗透的渗流力和水力冲刷作用；堆积体结构易于使隧底沉降量加大，且由于隧底基岩面呈斜倾构造，隧洞两侧拱脚易发生不均匀沉降，水库蓄水后隧道底部土体沉降变形极可能对隧道洞身造成变形破坏。

1）隧道不均匀沉降变形

隧道出口右侧堆积体厚度较薄，左侧较厚，基岩面为由右侧向左侧倾斜的表面特征，因而隧道拱脚两侧堆积体厚度左厚右薄，隧道左右两侧沉降量不等，存在不均匀沉降，易使隧道洞身结构发生纵向变形；隧道洞身在K17+835处可见基岩，而洞口K17+935附近堆积体厚度约20 m，隧道出口段堆积体纵向分布厚度不均，沉降量不等，也存在不均匀沉降，易使隧道洞身结构发生横向变形，严重者将出现贯通洞身结构的多条环向变形开裂。上述两方向的不均匀变形可能促使洞身发生较严重的不均匀变形开裂，影响隧道的正常运营。

2）隧道偏压变形

由于隧道左右侧地质条件不一，受力不对称，存在左右侧偏压变形，洞身将承受不均匀拉剪变形。

3）库水侵蚀和侵泡软化隧道底地基

水库蓄水后将基本维持库水位运行，隧道底地基将长期受库水侵蚀，水位以下堆积体在库水侵泡下存在不同程度的软化作用，对隧道地基造成危害，促使隧道洞体及围岩发生应力调整，部分段落隧道洞身可能存在变形破坏。

4 处治方案

根据长河坝隧道出口地形、地质条件和存在的隐患，主要需解决的问题是隧道出口堆积体段地基沉降、不均匀沉降、偏压变形、库水侵蚀软化地基的问题。参考地基处理类似的工程案例，提出加筋帷幕墙补强处治方案和钢管桩顶撑处治方案（Φ108 mm×5 mm）2种方案进行比较研究。加筋帷幕墙补强处治方案需在处理范围内选择有代表性的地层做设计方案适宜性验证试验，提交试验报告，根据试验报告修改施工参数，以达到最佳处治效果。

4.1 加筋帷幕墙补强处治方案

加筋帷幕墙补强处治方案（见图1）通过对隧道两侧拱脚及仰拱下设置注浆孔内置外径Φ89 mm壁厚4.75 mm的花管，结合土体注浆形成的帷幕墙对地基进行加固，由注浆花管和注浆固结后的土体形成复合基础共同承担隧道拱脚传来的荷载，以补偿隧道地基地层承载力较低的性能，提高隧道拱脚、仰拱和微型桩及帷幕墙共同承载和变形协调的能力。

钻孔加筋注浆后，加固固结后的土体和钻孔内置的钢管共同承受上部荷载的作用力，形成复合桩基基础。此外，隧道仰拱下地层由于受两侧注浆加筋帷幕墙的变形约束，从隧底作用整体看，仰拱、拱脚、两侧加筋帷幕墙、仰拱下注浆加筋微型桩及注浆土体已形成复合基础，共同承受隧道的上部荷载。复合地基承载力计算如下：

式中：ψ——桩身稳定系数；fy——钢管材料设计强度；As——钢管材料截面面积；ψc——土体承载系数；fc——土体设计强度；Ac——土体面积。

钻孔注浆量按以下公式计算：

式中：r——注浆有效渗透半径；h——注浆厚度；n——土体的孔隙率；α——浆液有效灌注系数；β——浆液损失率；nα（1+β）——不同土体的灌注充填率。

在K17+835—K17+935.5段隧道洞内两侧拱脚地面按间排距50 cm各设2排Φ110 mm注浆孔，梅花型布置，分段注浆固结，形成两条沿隧道纵向的加筋帷幕墙，加筋帷幕墙中Φ110 mm注浆孔深入基岩0.5 m，孔内置入外径Φ89 mm壁厚4.75 mm的注浆花管，注浆固结后对隧道拱脚进行强力支撑。在隧道中轴线两侧2 m各设一道Φ110 mm钻孔，间距1 m，孔内置入外径Φ89 mm壁厚4.75 mm的注浆花管，花管进入基岩0.5 m，注浆固结后对隧道仰拱进行有效支撑。施工前，两加筋帷幕墙间堆积体通过隧道施工期间通行的载重车辆的长时间碾压，并在施做隧道仰拱时进行地基碾压处理，尽量减少变形沉降、不均匀沉降和不均匀变形，来达到减少地基变形的目的。同时，在隧道出口处两侧拱脚处各设一根C30钢筋混凝土挖孔桩，顶撑隧道洞门。

加筋帷幕墙补强处治方案的主要施工控制参数是注浆压力和注浆量，酌情采用单参数或双参数控制，注浆量可以选按每延米钻孔注浆量或总注浆量控制，注浆压力应根据帷幕墙注浆试验情况和浆液有效扩散半径确定。注浆及加筋补强质量和效果检验可参照地基处理规范规定进行，必要时采用现场荷载试验，主要检验隧道两侧拱脚下加筋及注浆处理后地基的承载和变形性能，仰拱下加筋及注浆处理后地基的检验试验可参照执行。主要工程数量：Φ110 mm钻孔9 064 m，外径Φ89 mm壁厚4.75 mm花管9 064 m（不计损耗及接头重叠部分），M20水泥砂浆2 136 m3，C30钢筋混凝土挖孔桩300 m3。

图1 加筋帷幕墙补强处治方案详图

此处治方案的优点是直接注浆固结处理影响隧道病害的部分堆积体，改善隧底以下和拱脚处堆积体的物理力学性质和水理性能，钻孔内置的外径Φ89 mm壁厚4.75 mm的花管经注浆固结后形成的微型桩帷幕墙，极大地加强了拱脚的支撑能力。同时，仰拱下地层由于受两侧帷幕墙的位移约束，使隧道坐落在由仰拱、加筋帷幕墙及其中间的注浆加筋微型桩、注浆固结土体组合形成的复合基础上，增强了隧道底部结构的整体性，可尽量减少堆积体沉降、不均匀沉降，施工设备轻巧，占地少，移动方便，不影响隧道正常施工和洞内交通运输，工程量较少。缺点是由于土体的空隙和孔隙、裂隙、可能存在的空洞等情况不明，土体的灌注性能存在变数，浆液有效渗透半径和不同土体的灌注填充率可能变化较大，注浆浆液流失率可能较大，无效注浆量可能较多，隐蔽工程质量监督和检查难度大，存在注浆超注等不确定因素，易造成隐性工程造价升高，使工程造价增加。

4.2 钢管桩顶撑处治方案

钢管桩顶撑处治方案（见图2）是直接通过在隧道两侧拱脚及底拱下采用微型钢管桩对隧道承受的荷载进行顶撑，限制隧道变形沉降。拱脚和仰拱下设置钢管桩顶撑后，形成微型钢管桩基基础。

在K17+835—K17+935.5段隧道洞内两侧拱脚地面按50 cm间排距各设2排Φ108 mm×5 mm微型钢管桩，钻孔孔径Φ130 mm，钻孔深入基岩6 m，钢管外侧设镀锌喷层和环氧涂层防腐体系，管外内均采用M25水泥砂浆封填，对隧道拱脚进行支撑。在隧道中轴线两侧2 m按1 m间距各设1排外径Φ108 mm×5 mm的微型钢管桩，钻孔孔径Φ130 mm，钻孔进入基岩6 m，钢管外侧设镀锌喷层和环氧涂层防腐体系，管内外均采用M25水泥砂浆封填，形成对仰拱的顶撑。同时，在隧道出口处两侧拱脚处各设一根C30钢筋混凝土挖孔桩，顶撑隧道洞门。

钢管桩顶撑处治方案的主要施工控制参数是单桩承载力，可参照地基处理规范规定进行检验。钢管桩顶撑主要工程数量：Φ130 mm钻孔14 734 m，外径Φ108 mm壁厚5 mm钢管14 734 m（含防腐涂层,不计损耗及接头重叠部分长度），M25水泥砂浆293.4 m3（孔内理论灌注混凝土量及其50%损耗），C20混凝土315 m3（后期拱脚及仰拱下可能脱空的回填量），C30钢筋混凝土挖孔桩300 m3。

图2 钢管桩顶撑处治方案图

此处治方案的优点是加固对象和受力体系明确，不确定因素少，工程量易控制，工程总价浮动小，施工设备轻巧，占地少，移动方便，前期施工不影响隧道正常施工和洞内交通运输。缺点是工程投资大，拱脚处双排钢管桩施工较困难，水库蓄水后，隧道底部可能脱空，需在公路运营期对隧道底部进行注浆填塞，影响后期交通。

4.3 现场试验情况

此工程原拟采用加筋帷幕墙补强处治方案，并已进行了处治方案适宜性现场试验，要求采用钻孔取芯检查试验效果。经现场查看钻孔所取的岩芯，认为所钻取的岩芯尚较完整，注浆后土体的粘结强度、承载性能较好，经实验检查，注浆后土体孔隙的充填基本达到设计方案的要求。

5 方案比较分析

加筋帷幕墙补强处治方案、钢管桩顶撑处治方案（Φ108 mm×5 mm）两种处治方案技术上均可行，对隧道施工交通影响均较小；从处治效果上看，加筋帷幕墙补强处治方案能改善土体的物理力学参数，处治效果最好，钢管桩顶撑处治方案未改善土体的物理力学参数，在水库蓄水形成沉降变形后，隧底部可能脱空，后期需对隧道底部进行注浆填塞，影响隧道运营期交通；从施工实施角度看，加筋帷幕墙补强处治方案和钢管桩顶撑处治方案拱脚处双排桩施工困难；从方案可计算的工程数量分析，加筋帷幕墙补强处治方案投资较少，钢管桩顶撑处治方案投资较大。两方案比较见表1。

6 结语

通过上述两种处置方案的分析比较，在技术、交通影响、不确定性、隐性投资、经济性、处治效果、施工便利性和投资等方面的综合分析比较，加筋帷幕墙补强处治方案相对较优，结合加筋帷幕墙补强处治方案能较好解决蓄水后隧道地基变形问题、不影响隧道运营期交通、前期试验阶段已进行了相应材料准备等方面因数，建议采用加筋帷幕墙补强处治方案，该方案的比较分析对类似地质条件工程的设计施工也有借鉴意义。

Comparative study on foundation treatment schemes about colluvial gravel soil layer of avalanche slope in tunnel portal

LI Yuan-yuan

According to the terrain,geological conditions and the existing hidden defects in the tunnel portal of the Changhe dam,the some main problems should be solved,include the foundation settlement,the nonuniform settlement,the bias deformation and the foundation softening under the reservoir water erosion of accumulation body in tunnel portal.Based on the ground treatment of the similar projects,the paper puts forward and compares the two treatment methods of the reinforced curtain wall reinforcement and the steel pipe top bracing.

colluvial layer;foundation settlement;reinforced curtain wall;tunnel portal

TV672+.1

A

1002－0624（2014）06－0001－03

表1 主要处治方案比较表

2013-12-13