富水砂性回填土中特大跨隧道设计与施工

李建林 吴金刚 马杰

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

富水砂层砂粒含量大，孔隙比大，含水量大，具有流动性大、承载力小、自稳性差等特点，砂层中开挖隧道相当困难，尤其是暗挖隧道沉降控制。隧道上覆土层在自然状态下处于应力平衡的稳定状态，但在隧道施工中，地层损失和地下水位的下降都会导致土层的变形和失稳。隧道浅埋暗挖施工的重点和难点就是水的治理，若能有效解决水的问题，隧道施工即成功了一半。

作为城市道路重要组成部分的四车道城市隧道，特别是超大跨软弱围岩段城市隧道，国内外的理论研究和工程实践尚不成熟，国内有关特大跨度隧道的设计与施工还处在经验积累阶段。相对于两、三车道隧道而言，四车道隧道多采取扁平的断面形式，在力学上有其独有的特征：(1)开挖后的围岩应力集中的程度更大；(2)隧道底脚处应力集中过大，必须有较高的地基承载力；(3)拱顶难以稳定；(4)有较大的松弛地压；(5)支护结构的承载力相对较小。

在富水砂性回填土层中修建双洞八车道隧道，尚无可借鉴的工程案例。本文依托石清大道一期羊台山隧道采用动态设计和信息化施工(在施工洞口时地质揭示与设计不一致，针对新揭示的地质重新进行设计)，有针对性地采取了富水砂性回填土层中特大跨隧道的施工方法和辅助措施，保证了隧道施工的安全性和可靠性。

图1 工程平面位置Fig.1 Engineering plane position

1 工程概况

石清大道一期道路工程由石岩段和龙华段组成，道路全长约7.9km。其中，石岩段起于宝石路(二期)，沿机荷高速公路北侧由西向东布线，终点接规划的光侨布龙连接线，长约5.1km；龙华段起点与龙观路相接，终点接五和大道，长约2.8km。

1.1 隧道概况

全线设双洞八车道隧道1 座—羊台山隧道，隧道全长385m，主洞建筑限界宽度16.75m，高度5.0m；隧道内轮廓宽度18.1m，毛洞开挖跨度达20.92m。隧道内轮廓在满足建筑限界(图2)、运营设备安装空间、方便维修保养等前提下，力求使净空断面利用率高，结构受力合理，采用受力条件好的三心圆形式(图3)。

图2 隧道建筑限界Fig.2 Tunnel construction clearance

图3 隧道内轮廓设计Fig.3 Tunnel cross-section design

本次研究范围为左线东洞口ZK3 +448～ZK3+560 区段，全长 112m，具体见图4。

图4 左线地质纵断面Fig.4 Geologic profile of left

左线东洞口ZK3 +448～ZK3 +513 区段为暗挖段，全长 65m，围岩级别为Ⅵ级，施工采用CRD 工法，具体施工工序见图5。

图5 CRD 施工工序Fig.5 Cumulative procedure of CRD

1.2 水文地质条件

2015年12月，施工单位完成洞口开挖及仰坡处理。明洞开挖现场显示，明暗分界(ZK3 +513)处基底、拱顶为素填土层。

左洞(K3 +513)开挖进洞过程中出现初支变形过大、掌子面土体塌落、地基加固成孔困难等问题。

(1)揭示地质情况：主要为砂质回填土、地下水丰富，稳定性差；

(2)地基加固：注浆小导管成孔困难，由于坍孔现象严重，小导管安设深度不足；

(3)初支变形过大：侧壁导洞上台阶开挖后，累计沉降6cm，水平收敛9cm，且临时横撑变形过大；下台阶开挖后，变形速率加剧，为控制变形，回填下台阶；开挖下台阶时，掌子面富水，出现局部土体塌落。

与原详勘报告不符，因此进行补勘。地质补勘资料显示，ZK3 +478～ ZK3 +513 段，隧道大部分断面位于素填土层，基底基岩面不均匀，围岩级别为Ⅵ级；ZK3 +448～ ZK3 +478 段，隧道基底位于强～微风化岩层、拱墙多为素填土层，围岩级别为Ⅵ级。

素填土(地层编号①1)：灰黄、褐黄、灰黑色，稍湿，松散- 稍密，主要由黏性土组成，夹少量碎块石组成，部分地段碎块石含量高，块径 3cm～10cm，最大可达20cm 以上。硬质杂质含量大于25%。密实度及均匀性差，力学强度低。该层进行标准贯入试验35 次，N范围值为 6～22 击，平均 13 击，变异系数 0.378；进行重型动力触探23.4m，N63.5 范围值为1～13 击，平均4.1 击，变异系数0.412。原位测试结果表明，该层无论是在水平方向还是在垂直方向均具有不均匀性。层厚 9.50m～31.50m，平均层厚19.74m。

1.3 富水砂层影响分析

地下水流动对土体产生渗透力J＝γwi，其中γw为水的重度，i为水力坡度。当向上的渗透力克服向下的重力，粒间的有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂现象。

富水地层含水量高，含水量的增高将使土的抗剪强度降低，降低摩阻力和粘聚力。破碎围岩的渗透系数大，当渗透力大于土体的抗剪强度τ＝c+σtanφ(其中c为粘聚力，σ为正应力，φ为内摩擦角)时，土体破坏。其中渗透力的大小取决于水力坡度，而抗剪强度取决于σ、c、φ值。

可见，流砂现象与渗透力的大小，以及土的颗粒级配、密度和透水性等有关。针对此种现象，处理方法主要有两类：一是临界水力坡度法，即保证施工时水力坡度不超过砂层的临界水力坡度；二是莫尔-库仑法，进一步分为砂层固结法(c法)和降水井法(φ法)。c法通常采用注浆、高压旋喷等方法对砂层进行固结，改变透水性；φ法采用降水井对砂层进行疏干后，使砂层内摩擦力增大。根据有效应力原理σ＝σ′+u。疏干排水后u减小，有效应力σ′增大，砂层的有效抗剪强度就增大。

综上所述，解决富水砂性回填土强度及稳定性问题，核心是提高土体的抗剪强度指标，即提高c值和φ值。

2 设计方案

结合现场与地质补勘资料，对ZK3 +448～ZK3 +513 段(原设计Ⅴ级围岩暗挖段)，进行了暗挖方案、明挖方案、明暗挖结合方案等三种方案对比，并最终确定采用暗挖方案，暗挖方法仍采用CRD 法(图5)，同时采取的辅助措施包括降水井、地表注浆加固、地基加固、拱脚加固及侧向抗滑桩加固。

2.1 降水措施

当前暗挖隧道解决水的问题主要是采取地面降水和洞内止水两种，两种方法各有优缺点。洞内止水成本高、对周边建筑物影响小、不受周边环境限制；地面降水费用低、对周边建筑物影响大、受周边环境制约大、效果明显。

本工程周边无重要的建筑物，故采用地面降水方案，即降水井法(φ法)，通过降低地下水对砂层进行疏干后，使砂层内摩擦力增大，同时通过降低空隙水压力，增大砂层的有效抗剪强度。在左线 ZK3 +448～ZK3 +491 暗挖区段，隧道两侧布置降水井7 处(图6)，纵向间距15m～17m，降水井打设深度为隧道底以下2m，降水时保证水位在隧道底(高程95.0)以下。

图6 降水井布置平面Fig.6 Layout plan of dewatering well

2.2 地表注浆

暗挖隧道进洞一直是施工中最易发生事故的风险点之一，本工程地层为回填砂性土，土中含水，更是为工程施工增加了风险，为了有效降低施工风险，增加暗挖进洞安全性和可靠性，本工程通过采取地面注浆的方式改善土体的抗剪能力和抗渗性(c法)。左线 ZK3 +491～ ZK3 +513 暗挖区段位于仰坡下方，明洞施工完成后，对暗洞段上方土体卸荷，场平后进行洞外地表注浆加固(图7)，加固参数如下：结构左、右两侧约3m，洞顶 6m 至洞顶以下 13m，φ76PVC 袖阀管，@200cm×200cm梅花形布置。

图7 地表注浆Fig.7 Surface grouting

2.3 地基加固及拱脚加固

左线ZK3 +478～ZK3 +513 暗挖区段原土层地基承载力不满足设计要求，为了保证结构地基承载力满足要求，本工程采用高压旋喷桩加固地基土(图8)，桩径 60cm，1m×1m 正方形布置，桩端进入岩层不小于0.5m；采用双管旋喷，水泥浆配比及注浆参数根据现场试验确定；施工完成后地基承载力要求不小于250kPa。

图8 地基加固Fig.8 Foundation reinforcement

2.4 侧向抗滑桩加固

左线 ZK3 +478～ ZK3 +513 暗挖区段，回填砂层卸载完成后，隧道洞身范围土层与两侧土层形成较大高差，施工期间容易产生土体滑动，为了保证洞身两侧地层稳定性，本工程在洞身两侧范围打设抗滑桩保证地层的稳定性。抗滑桩桩径150cm，纵横间距3m，距隧道结构外边缘3.75m，见图9。

图9 抗滑桩加固Fig.9 Anti-slide pile reinforcement

3 现场施工及监测

图10为第三方监控量测单位针对CRD 工法施工时左上导洞测点布置横断面图，其中ZK3 +448～ZK3 + 478 区段拱顶允许沉降最大值为18cm，ZK3 +478～ ZK3 +513 区段拱顶允许沉降最大值为25cm。

图10 左上导洞测点布置横断面Fig.10 Cross-sectional diagram of survey point layout for upper guide tunnel

截止至2019年2月隧道主体结构全部完工，根据第三方监控量测单位提供监测报告显示，监测结果基本收敛，隧道水平收敛最大值为ZK3 +460 断面处达到7mm(图11)；隧道拱顶沉降最大值为ZK3 +465 断面处达到28mm(图12)。

图11 隧道水平累计收敛Fig.11 Cumulative convergence of tunnel horizontal

图12 隧道拱顶累计沉降Fig.12 Cumulative settlement of tunnel vault

图13为东洞口段施工期间及施工完成现场，从实际结果可知隧道加固效果明显，通过采取暗挖方式结合以上辅助措施，富水砂性回填土中施工特大跨度隧道顺利完成。

图13 施工现场Fig.13 Site construction

4 结论

本工程实践证明，在富水砂性地层中修建暗挖特大跨隧道时，采用合适的施工方法(如CRD法)，并辅以可靠的施工辅助措施，可较为安全地完成暗挖隧道的施工。

通过本文分析，可得出如下几个结论：

(1)富水砂性回填土加固核心是提高土体的抗剪强度指标，即提高c值和φ值，采取的施工辅助措施需有效改善土体的抗剪能力；

(2)富水砂性回填土中施工暗挖隧道，可靠的辅助措施包括降水井、地表注浆加固、地基加固、拱脚加固及侧向抗滑桩加固，具体可根据实际情况采取相应措施。