风积沙围岩隧道施工新技术研究

王朝杰

（河北省交通规划设计院，河北 石家庄050011）

1 工程概况

某高速公路分离式特长隧道，隧道右幅K176+890～K181+300，长4 410m，左幅L4K176+824～L4K181+270，长4 446m。隧道地处冀西北山地区，属坝上坝下过渡型山区，区内地形起伏。区域最大冻土深度为1.6m。隧道出口位于山体斜坡，自然斜坡西南倾，坡度为6°左右，表层风积砂覆盖，下伏角砾、碎石，层厚5.0～32.0m，风积砂工程性质较差，边坡稳定性较差。

2 工程及水文地质

该隧道出口根据地面调查、钻探、物探勘察成果，各地层根据岩性特点、成因时代及风化程度自上而下依次为：（1）粉土层：黄灰色，中密，稍湿，土质不均，切面粗糙，含植物根系；（2）粉砂：褐黄色，中密，潮湿，砂质较纯，主要成分以石英长石为主，磨圆度较好，含少量粉粒；（3）中砂层：褐黄色，密实，湿，砂质不纯净，主要成分以石英长石为主，含少量圆砾。在勘探深度范围内，未见到地下水。

受地形条件及路线总体平纵线形限制，该隧道埋深较浅，隧道出口洞顶覆盖层及洞身大部分为风积粉细沙地层，其粒度成分以细砂（0.075～0.25mm）为主，极细砂（0.01～0.075mm）次之，中砂（0.25～0.25）较少，不均匀系数Cu=3.4，沙层重度17.2kN/m3，变形模量20.6MPa，泊松比0.4，内摩擦角29°，黏聚力极低。综合风积沙地层工程地质特征，因颗粒单一，黏聚力低，级配不良，压缩性小，稳定性差，开挖易坍塌，施工难度很大。

3 施工技术难点

（1）出口处风积砂段隧道埋深约5～25m，地处风积沙地层，采用浅埋暗挖法施工时应严格控制初期支护拱顶下沉变形，密切监视地表沉降，确保施工期间拱顶及掌子面安全。

（2）风积沙围岩具有颗粒单一，粘聚力低，抗剪强度较低等特质，开挖极易坍塌，因此，洞室开挖时必须采取强支护措施来保证施工安全。

（3）该隧道穿越风积砂段长度较长，采用水平旋喷桩施工时左右幅需各打设6环，每环之间的搭接位置与该位置初期支护钢架冲突，水平旋喷桩的仰角选取亦是水平旋喷桩施工的关键技术。

（4）浅埋暗挖隧道施工工序多，初期支护接头截面亦较多，故必须处理好初期支护形成过程中受力体系转换时带来的不利影响，保证钢拱架焊接质量和初期支护结构的稳定性，防止地表过大沉降。

4 风积沙地层围岩压力分析

新奥法利用喷射混凝土、锚杆、钢筋网等柔性支护手段，根据围岩监测结果适时支护，充分发挥围岩自身的承载能力，是一种把设计、施工和监测相结合的科学的隧道建筑方法。新奥法的核心是根据围岩的性质允许围岩有一定的变形，以减少作用在支护结构上的围岩压力，提高工作效率。风积沙与一般岩石地层不同，其围岩自稳时间短，开挖后若不支护会立即产生坍塌，若围岩自稳时间比支护施工时间短，支护结构要承受较大松散围岩压力，在这种地层中合适的支护时间已无意义，须采用合理的预加固措施，提前加固风积沙地层，增强围岩稳定性，且开挖后立即支护，才能保证施工安全。

5 施工方案比选

隧道施工中，开挖方法是影响围岩稳定的重要因素。因此在选择开挖方法时，应对隧道断面大小、围岩的工程地质、水文地质条件、支护条件、工期要求、经济造价等相关因素进行综合分析，采用合适的开挖方法。目前我国浅埋暗挖隧道施工多采用CRD 法、台阶预留核心土法等，下面对各种方法进行比选。

（1）CRD法

CRD法（见图1）在控制地表沉降方面效果显著，但其施工工序复杂，限制了大型机械使用，工作效率低，工艺转换难度大，造价高，施工进度缓慢，大量拆除工作限制了二衬跟进时间。考虑风积沙围岩自稳能力差，松散围岩压力较一般隧道大的多，二衬是主要承载体，其跟进的快慢是保证施工成败的关键因素，故CRD 工法不适合风积沙地层。

图1 CRD法

（2）台阶留核心土法

该方法（见图2）是该隧道初期施工中采用的方法。根据现场施工情况来看，当挖到第二台阶时，即洞身最大跨度处由于初期支护不能及时封闭成环，拱顶沉降较大，钢拱架变形大，初喷混凝土出现个别裂缝，随着第三、第四台阶的开挖，临空面增大，局部拱脚变形侵占了隧道净空，不得不进行换拱处理。

图2 四台阶留核心土法

（3）三台阶临时仰拱法

为克服台阶留核心土法的不足，控制拱顶变形，保证初期支护稳定性，施工中改为三台阶临时仰拱法。将整个洞身断面分为三个台阶，在第二台阶位置设置临时仰拱，封闭初期支护，并根据现场监控量测资料，适当增加临时竖撑控制初期支护拱顶下沉。该方法成功穿越了风积沙段，保证了工程质量，取得了良好的技术经济效益。该方法的施工现场如图3、图4 所示。

图3 临时仰拱现场施工图

图4 临时竖撑现场施工图

6 施工工艺

6.1 水平旋喷桩超前预支护

风积沙围岩的粘聚力低，自稳时间短，天然状态下无法开挖，须采用超前预支护体系加固沙层，为后续施工提供足够的空间和时间。经现场实践对比，密排超前小导管和自进式大管棚固沙效果较差，施工开挖过程中产生较严重的露沙现象，而水平旋喷桩以其特有的加固搅拌方法取得了良好的固沙效果。

水平旋喷桩预支护是在洞内开挖面前方，利用水平旋喷机沿开挖轮廓按间距40cm、长20m 钻孔，钻至设计深度后用高压泵输送高压浆液，钻头边旋转边后退，浆液从钻头处喷嘴中高速射出，射流切割下的沙体与浆液在射流的搅拌作用下混合，最后凝固成直径大于60cm 的旋喷柱体。环向相邻柱体之间相互咬合20cm，在开挖面上方形成整体性较好的旋喷拱架，固结体周围沙层的物理力学性能也有显著改善。开挖后预支护拱就会立即发挥作用，抑制围岩变形，承担沙层压力，保证洞室稳定，防止漏沙、坍塌。

左线风积沙层全长90m，水平旋喷桩共分6个循环施工，前5个循环水平旋喷桩长度为20m，最后1循环水平旋喷桩长度为15m，前后相邻两个循环旋喷桩相互搭接5m。每环55根，左幅水平旋喷桩共计6 325m。

右线风积沙层全长91m，水平旋喷桩共分6个循环施工，前5个循环水平旋喷桩长度为20m，最后1循环水平旋喷桩长度为16m，前后相邻两个循环旋喷桩相互搭接5m。每环55根，右幅水平旋喷桩共计6 380m。第一环水平旋喷桩角度为6%，第二环开始每环角度调整为10%。

水平高压旋喷注浆技术的特点有：

（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；

（2）因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）因采用了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。施工效果见图5、图6。

图5 桩体咬合效果图

图6 旋喷桩试压效果图

6.2 三台阶临时仰拱法施工

隧道风积沙段围岩采用三台阶临时仰拱法开挖，具体施工顺序见图7。

图7 三台阶临时仰拱法施工方案示意图（单位：cm）

（1） 上台阶施工

上台阶需在超前支护体系达到设计强度后进行施工，开挖高度为2.4m，人工配合小型机械施工。施工进尺为50cm，每开挖一个循环，立即素喷10cm 厚C20 早强混凝土，封闭开挖面，安装I22b 工字钢拱架，并采用Φ50 锁脚钢管锁紧钢拱架，每侧拱脚设2根，长度不小于4.5m。每两榀钢拱架间采用Φ22纵向连接钢筋连成整体，环向间距1.0m，挂双层Φ8钢筋网片，网眼间距10cm，预留1个网眼尺寸与下一循环焊接。上台阶施工两侧需始终错开，保证同一断面钢拱架在拱脚处暴露的开挖面仅限于一侧。开挖进尺应穿过掌子面潜在滑移面，控制在5～10m之间。

（2） 中台阶施工

上台阶开挖到设计深度后停止施工，喷混凝土封闭掌子面或采用沙袋等材料堆砌。中台阶施工先开挖两侧土体，预留中间核心土高2.6m，宽4.6m，两侧始终错开，保证同一断面钢拱架交错落底。边墙每次进尺50cm，开挖后及时铺设钢筋网并喷素混凝土封闭开挖面，后迅速施作钢架初期支护。需特别注意上中台阶接茬处，应采用连接钢板和高强螺栓连接，必要时进行三面骑缝焊接。根据现场监测资料显示，在中台阶开挖过程中，初期支护拱顶沉降量会迅速增大，这主要是因为边墙开挖时上台阶拱脚会出现临时悬空现象，为此，在上下级台阶的接头部位，加上钢架之间连接钢板的尺寸，以增加型钢拱架的受力面积，增强其受力的整体性。中台阶开挖跨度大是承上启下的关键步骤，待核心土留置3～5m 长时逐步清除，增设I16临时仰拱，纵向间距50cm，两端与主洞钢拱架焊接牢靠，并应根据监控量测结果及时增设竖撑，控制拱顶变形。

（3）下台阶施工

在中台阶进尺5m 后，停止开挖，喷混凝土封闭掌子面，开挖下台阶土体。下台阶采用掏槽法施工，在满足操作空间的前提下，边墙开挖宽度尽可能窄，以0.5～1.0m 为宜，预留核心土。钢拱架落底时，应增设槽钢垫块，防止拱架产生整体下沉。

（4）仰拱施工

侧墙初期支护施工完成后，要及时左右错位跳挖仰拱，每次循环进尺100cm，进行2 榀钢拱架的施工，底部拱架与边墙拱架接头部位采用高强螺栓连接。拱架安装好后应及时喷射混凝土封闭覆盖，使初期支护尽早闭合成环，形成稳定的受力体系。

（5） 二衬施工

风积沙地层结构松散围岩压力大，初期支护不足以承担全部地层压力，必须尽早施作二次衬砌，防止初期支护因较大变形而开裂剥落。一般情况下二衬模筑长度为10～12m，施工中根据初支收敛变形情况，一次拆除临时仰拱长度控制在5～6m。

7 结语

风积沙地层自稳能力差，施工扰动程度大，若不及时支护则易塌方。在风积沙地层施工中，有效的超前支护是决定隧道能否安全开挖的前提，及时的初期支护是安全施工的有力保证，二次衬砌的施作时间是控制围岩变形的关键因素。贯彻“快挖、快支、快封闭”原则，随挖随支，二衬紧跟，施工结构体系紧凑转换，紧密衔接，及时控制围岩变形，确保洞室稳定。