超浅埋湿陷性黄土隧道变形控制与地基加固施工技术

彭小兵

超浅埋湿陷性黄土隧道变形控制与地基加固施工技术

彭小兵

摘 要：结合宝兰客运专线五星坪隧道出口暗挖段施工，在超浅埋、回填土、湿陷性砂质黄土地层中，暗挖隧底需水泥土挤密桩加固处理，通过双层超长管棚预支护，改进三台阶七步开挖支护工法，在隧底仰拱初期支护内预留挤密桩施工孔位，采用履带式螺旋钻取代电动洛阳铲取土、夯击成桩设备相对大型化等措施，有效控制隧道施工变形，做到安全、快速和优质施工，为类似工程实施提供借鉴。

关键词：超浅埋；湿陷性黄土；隧道；变形控制；地基加固

0 引言

随着郑西、石太、大西客运专线等一批高标准、高速度铁路项目建成投产，黄土隧道的施工方法逐步转化成以三台阶七步开挖法和CRD法为主，并在此基础上形成三台阶临时仰拱法和三台阶临时横撑法等改进型施工工法。

高铁隧道内由于铺设无砟轨道，要求线路有高度的平顺性，基底工后沉降不大于15mm，不同结构物间的差异沉降不大于5mm，只有采取严格、有效的基底加固处理，消除隧底黄土湿陷性，提高基底承载能力，才能满足设计标准。在浅埋湿陷性黄土隧道需进行地基加固处理区段，大多使用CRD工法开挖，采用电动洛阳铲取孔、夯锤分层夯击水泥土分层回填成桩的排土挤密桩工艺完成隧底加固处理，因其施工进度慢、隧道施工与基底处理相互干扰、安全风险突出，类似浅埋湿陷性黄土隧道基底加固处理效果较差，实现设计意图困难。结合宝兰客运专线五星坪隧道出口暗洞基底处理的施工经验，就超浅埋湿陷性黄土隧道变形控制和基底加固处理进行分析。

1 工程概况

五星坪隧道出口位于兰州市七里河区五星坪后街，隧道洞口段100m，埋深2．4～11．3m，洞顶为素填土、杂填土层，厚12～15m；其下15～20m为湿陷性砂质黄土，湿陷系数δs为0．015°～0．07°，具有Ⅳ级（很严重）自重湿陷性；地基承载力140～220kPa，土体含水率为9%～15%。因征迁困难，设计明洞方案调整为暗洞延长76m的超浅埋暗挖进洞方案，洞口段设双层、100m长、φ108mm大管棚超前支护。暗洞进洞136m的地基加固采用水泥土挤密桩。

五星坪隧道出口施工具有以下特点：（1）隧道地质条件差，洞口段为超浅埋地层，洞身以素填土为主，地基承载力较低，受地表经济作物耕种影响，洞内土体含水率偏高，局部呈潮湿状；监测拱顶下沉值30～50cm，收敛2～5cm（扩大）。因此，施工中控制支护结构变形，避免因支护结构变形严重产生隧道坍塌，为本隧道施工的重难点。（2）隧底采用水泥土挤密桩消除地基土的湿陷性，水泥土挤密桩成桩原理为：通过夯击挤密消除黄土的大孔隙进而消除湿陷性，并对地基起一定的加筋作用；夯击产生的振动对周边初期支护影响较大，处理不慎则有可能破坏初期支护，导致隧道出现塌方变形等安全风险。此外，传统挤密桩钻孔取土工艺需用洛阳铲较多，占用洞内作业空间面积较大，对隧道掌子面施工进度存在明显干扰，洞内挤密桩施工安全风险控制和工效提升，为本隧道施工的另一重难点。

2 控制变形施工方法的选择

在超浅埋湿陷性黄土隧道施工中，一般的施工方法有双侧壁导坑法、CRD工法等。这些传统的施工方法在控制隧道变形方面具有较好的效果，但也有一定的局限性，因隧道支护增加内支撑后，限制了大型施工机械的使用，使各分部开挖面循环衔接性差，施工工效低，拆除内支撑时存在一定的安全隐患。

本洞采取三台阶七步开挖法改进型工法，其核心是以开挖弧形导坑为基本模式，分上、中、下三台阶七个开挖面，各部位的开挖支护沿隧道纵向错开、平行推进。针对黄土隧道各道施工工序引起的变形规律，采取针对性控制变形措施，对浅埋黄土隧道施工过程中可能产生塌方编制应对措施。

2.1 上台阶弧形导坑开挖时变形控制措施

针对黄土隧道上台阶弧形导坑开挖时，隧道拱顶沉降变形速率最大，在上台阶保留5～7d，期间拱顶沉降变形量约占累计变形1/4～4/5的规律特点，将拱脚支承厚度由0．35m扩大至0．8～1．2m，对基底土体进行夯实并加垫钢板或预制件，以扩大受力面积，减缓拱顶下沉。

当上台阶拱顶下沉值超预留变形量1/3（15cm）时，在上台阶间隔设置临时横撑，横撑端部与初期支护钢拱架之间螺栓连接，形成上台阶钢拱架支撑封闭结构。当拱顶下沉值超预留变形量1/2（22cm）时，在临时横撑内喷射20cm厚喷射混凝土，形成上台阶临时仰拱，调整后续工序施工，采用单一工序组织作业。

2.2 中、下台阶开挖时变形控制措施

为遏制初期支护变形，将拱脚处及边墙脚的锁脚锚杆数量由原设计4m/根调整为6m/根，并将原设计每处2根调整至每处6根，将原采用的L型钢筋连接调整为钢板连接。

当中台阶施工期间，拱顶下沉速率连续超标或拱部初期支护可见环向裂缝时，加设中台阶临时仰拱，调整下台及隧底等后续工序施工。

2.3 隧底开挖时变形控制措施

隧底每循环开挖1．2～1．8m，隧底初期支护作业面距上台阶掌子面距离15～20m，掌子面开挖至仰拱初期支护成环时间控制在12d内。

2.4 隧道防止塌方措施

采用风循环导向跟管钻进法打入双层大管棚，管棚内注浆压力控制在2MPa。在上台阶两侧拱脚以上0．5～2．0m范围沿相邻两榀支撑钢拱架间各焊接四道Ⅰ16a，拱部设置双层钢筋网片。在上台设置临时横撑或临时仰拱，在中台及下台设置双侧各设6根锁脚锚管加固，必要时设中台阶临时仰拱。缩短每次隧底开挖长度，及时施做隧底初期支护，使初期支护结构及早封闭成环。严格控制掌子面至二次衬砌成环距离控制在55m内。

3 洞内挤密桩施工

本工程湿陷性黄土隧道基底挤密桩加固处理的基本方法：先利用螺旋钻快速排土成孔，再采用冲锤冲击扩大成孔，然后分层填入水泥土冲击成桩。通过成孔和桩体夯实过程中的横向挤压作用，使得桩间土挤密，从而形成复合地基。

3.1 设计指标暗洞进洞136m及洞门14m地基范围采用桩径0．4m、桩长9m、桩间距0．60m×0．75m（纵向×横向）水泥土挤密桩。复合地基处理指标：桩间土消除湿陷性，湿陷性系数不大于0．015；桩间土平均压实系数不小于0．93，最小挤密系数不小于0．88。

3.2 挤密桩人员施工设备配置

人员设备配置情况见表1。

3.3 施工工艺

隧底初期支护封闭成环5～7d，混凝土达到一定强度，隧道拱顶下沉基本稳定，隧底初期支护成型6～10m后，分段组织施工基底挤密桩。每段半幅长度3．6m，约60根。根据基础平面布置图及桩位图，通过坐标确定出每根桩点位，成孔顺序采用隔孔跳打，先完成半幅内横向1．5m、纵向1．2m间距内约30根桩，后采用2台冲锤集中夯击回填水泥土成桩。完成后再组织实施本段半幅内剩余桩基。

（1）钻孔：采用小型360°旋转履带打桩机钻孔，该钻机采用6．0m长螺旋式钻头，钻径0．35m，桩位确定后，安装定位护筒，之后调试钻机位置，钻杆沿导轨方向（竖直向下）旋转钻进，钻至6．0m深后，人工配合抽出钻杆定位销，顶部定位装置连同钻机实心钻杆上升5．0m，再人工配合打入钻杆定位销，将空心钻杆和实心钻杆接长成一整体，后继续旋转钻头取土开挖至设计深度，单桩成孔时间约20min。

（2）夯填：先使用打桩机冲锤夯击12～15次，以回音清脆为宜，之后分层夯填1∶10水泥土，回填土松铺厚度80cm，夯击8～10次，压实厚度30cm且锤击回音清脆为宜，夯锤落距大于2．0m，单孔夯填成孔需30min。为防止夯击过程震动过大，造成隧道初期支护破坏，施工期间采用爆破振动测速仪对作业面附近初期支护进行监测，实测数值基本在5cm/s以内，当振动速度超过10cm/s，初期支护变形速率超标或呈现明显变形加速及初期支护面裂缝明显增大时，暂停施工或调整工艺参数。

（3）检测：通过取2～8m深度范围桩身土、桩间土以及成桩后桩间土的湿陷性试验，桩间土干容重增加，孔隙比减小，湿陷性已基本消除；桩身土的压实系数为0．98～1．01，桩间土的压实系数为0．94～0．96，符合规范规定要求。水泥土挤密桩成型后经检测桩径51～53cm，桩体挤压后桩径为最初值的1．3倍。

表1 人员设备配置

4 实施效果

本工程首先采用电动洛阳铲进行桩位取孔，共计投入5台电动洛阳铲，由于洞内作业面空间狭小，不能全时占用洞内空间作业，洞内进行作业的仅3台，每日成桩约40根，仅能处理1．2m地基，且处理地基期间掌子面基本处于停工状态，导致平均进度0．6m/d，工效极低。后改用小型360°旋转履带打桩机进行桩位取孔，每天作业20h，成孔55～60个，平均进度1．8m/d，且单台履带式打桩机占用洞内空间不大，桩基处理可以与掌子面开挖支护作业同步实施，平均进度可达1．5～1．8m/d。

5 结论

对大断面超浅埋黄土隧道施工引起的变形特征，采取针对性处理措施，以初期支护结构及早封闭成环为核心，同时注意提高上台及中台阶基底支承面积及承载能力，充分发掘好锁脚锚管抵抗初期支护结构整体下沉的能力，并根据监控数据拱顶下沉值变化情况设置临时横撑或仰拱，采用双层大管棚超前支护、增加两榀拱架间的环向连接刚度、拱部设置双层钢筋网片，等支护预加强措施，采用三台阶七步开挖改进型工法施工是可行的。

提出隧底每次开挖、支护长度宜控制在1．2～1．8m，在相邻两环隧底支撑工字钢之间预埋桩径40cmPVC管作为后期挤密桩施工桩位，每段隧底初期支护完成后拔除PVC管，并将该段该段回填土至填充面，待对应初期支护监测变形稳定后再进行基底桩基处理。该方法使初期支护结构能够尽早分段封闭，并为履带式打桩机等相对大型设备进洞施工提供了可能。

本洞地基挤密桩施工采取电动洛阳铲和打桩机旋挖钻两种排土取孔方式，成孔孔径基本为0．4m，成桩直径0．50～0．52m，唯一不同在于电动洛阳铲每次落下时冲击挤密井壁，而旋挖成孔则利用土体的自稳性。但采用履带式打桩机施工后，挤密桩排土取孔施工过程与隧道开挖支护工序可调整为同步作业，仅在集中夯填孔内水泥土阶段，为防止出现安全事故，仰拱初期支护面至上台阶掌子面暂停作业，施工工效大大提高。

彭小兵：中国中铁四局集团有限公司第七工程公司，高级工程师，安徽 合肥，230022

责任编辑 苑晓蒙

中图分类号：U455

文献标识码：A

文章编号：1672-061X（2015）05-0034-03