风积沙地层仁布隧道进洞支护方案研究

王万平,辛讲合,严彬华

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710075)

0 引言

公路工程隧道修筑过程中难免穿越风积沙地层。当隧道穿越覆盖层厚度大、地形复杂的风积沙地段,隧道进洞存在诸多困难,路堑开挖施工破坏生态环境,且极易引起工程滑坡等病害。因此对隧道穿越风积沙地层的研究至关重要[1]。

风积沙结构松散、无黏性、抗剪强度低、透水性好、颗粒粒径小,在外力作用下极易松散产生位移[2]。隧道开挖过程中,风积沙地层失稳快、易坍塌,且施工进度慢,给隧道施工带来极大困难。仇玉良等[3]分析了在风积沙地层中施工时采用的各种超前支护措施的效果。依托蒙华铁路王家湾隧道,王志杰等[4]通过室内试验得到不同预加固方式的参数,结合现场结果对围岩压力的计算进行分析与推导。传统地层注浆加固方式在粉细颗粒的风积沙地层很难达到效果,而风积沙隧道洞口段极易出现塌方现象,针对风积沙地层的隧道加固措施引起大量学者关注,其中超前大管棚具有明显的控制效果。为解决大管棚在这种特殊地层中施工出现的各种问题,高明星[5]结合实际情况对大管棚施工技术进行改进。为进一步研究风积沙地层的塌落形式,刘宁等[6]利用离散元分析软件模拟隧道二台阶开挖时,发现难以形成塌落拱。在无任何加固措施时,开挖后及时施作支护不能抑制围岩变形,因此在风积沙隧道须考虑预加固措施。依托新包神铁路活沙兔隧道工程,赵建龙[7]对该工程穿越风积沙地层提出采用台阶法结合超前小导管注浆措施。在茶格高速公路脱土山隧道穿越风积沙地层中,张官键[8]和马斌[9]提出竖直旋喷桩对地表及基础进行预加固的措施,取得了很好的效果。水平旋喷桩和竖直旋喷桩在风积沙隧道中有一定的加固作用。雍毅[10]针对隧道穿越动水砂层施工难度大、风险高的问题,提出“超前高压水平旋喷桩+超高压竖向端头封堵旋喷桩+掌子面上半断面帷幕注浆“联合注浆技术,能有效减小开挖引起的地面沉降。郑世杰等[11]针对隧道进洞口注浆加固工艺中浆液难以扩散的问题,应用水平模袋桩工艺进行注浆加固,取得了较好的效果。吴波等[12]从不同的加固机制方向进行分析,取得了有效结论。

目前就风积沙隧道须进行有效的超前预加固取得了共识,但针对风积沙地层的研究主要集中在风积沙本身的物理力学特征,超前加固方法的选择侧重于理论分析,未形成实践性比选经验,特别是竖直旋喷桩的应用实例较少。本文以仁布隧道工程为依托,从安全性、经济性及技术难度等方面对洞口穿越厚风积沙段的超前加固方法进行比选论证,提出三台阶七步开挖、管棚支护及地基处理措施,成功实现进洞,最后结合数值模拟分析验证了超前加固的可靠性。

1 工程概况

仁布隧道位于西藏自治区仁布县,进口位于N32泥石流沟上方的山体斜坡地带,进口与那波中桥相接。隧道测设里程为左线ZK110+020—ZK113+400,隧道长3 380m。隧道总体走向为67°,最大埋深约473m。隧道进口山体斜坡下部沟谷为一泥石流冲沟,隧道进口段地形陡峭,地势相对较陡,地表覆盖较厚的卵石及粉砂,钻探揭示最大厚度约25m,下伏基岩为安山岩,钻探仅揭示中风化层,仁布隧道进口地形地貌如图1所示。

图1 仁布隧道进口地形地貌Fig.1 Landform of Renbu tunnel entrance

原设计地层为上表层覆盖卵石,中间夹粉砂,现场实际揭露地表仍为粉砂(见图2)。若采用地表加固注浆方案,浆液难以扩散,无法达到加固效果。通过补充勘察钻孔揭示ZK110+020—ZK110+075段为粉砂层地质,厚度达20m。

图2 现场风积沙粉细颗粒Fig.2 Fine particles of site aeolian sand

因风积沙地层覆盖层厚度大,风积沙位于斜坡地段,地形存在偏压,穿越段落长,若采用路堑开挖方式会破坏生态环境,且存在安全隐患,易引起工程滑坡等病害,因此该工程经设计综合比选采用隧道开挖进洞方案。

2 风积沙地层隧道围岩破坏特征及预加固措施

2.1 风积沙物理特性

风积沙具有无黏性、黏聚力小甚至无黏聚力、抗剪强度低、透水性好、颗粒细、含水量少、保水性差、毛细不发达等特点,在外力作用下极易松散和破碎[13]。风积沙的压缩几乎是瞬时下沉,继之速率递减的长期变形,这是颗粒克服阻力逐渐调整位置的过程。风积沙的压缩系数一般较小,呈低压缩性[14-15]。

2.2 围岩破坏模式

在风积沙地层进行隧道掌子面开挖时,由于孔隙水压的作用,在隧道内易形成涌砂现象,严重破坏掌子面稳定,同时风积沙流入隧道会对施工进度产生极大影响。由于风积沙独特的物理特性,使得该地层结构松散、自稳能力变差,隧道开挖后围岩所承受的应力状态迅速改变,整个应力重分布持续时间较长。以往工程经验表明,在风积沙地层中进行隧道施工时,拱脚所承受的荷载不断增大,形成应力集中,风积沙的弱抗剪性极易导致围岩侵入隧道净空,隧道衬砌进一步产生局部破坏。在初支封闭成环后,隧道部分位置围岩会沿最大应力方向挤出,从而导致初喷混凝土出现横向开裂,钢架产生变形扭曲。同时隧道拱顶变得极不稳定,常产生块体掉落等破坏。

2.3 预加固措施

目前风积沙隧道常用的预加固措施主要有超前管棚、小导管注浆、旋喷桩加固等(见表1)[16],各工程可结合自身工程特点选取不同的加固方式。

表1 典型风积沙隧道预加固措施Table 1 Pre-reinforcement measures for typical aeolian sand tunnel

3 施工方案

国内类似的工程隧道穿越风积沙地层多采用明挖与暗挖相结合的方式,明挖与暗挖交界位置选在洞顶覆盖层10m处,隧道风积沙暗洞段采用施工经验成熟的水平旋喷桩超前支护。为寻找合适的进洞方案,本文总结分析了常见的洞口施工方案,如表2所示。

表2 加固方案对比Table 2 Comparison of reinforcement schemes

由表2可以看出,加固方式各有优劣,由于仁布隧道的风积沙为粉细砂颗粒,含水量小、孔隙率小,传统地层注浆加固方式在粉细颗粒的风积沙地层很难达到效果,且洞口地形陡峭、风积沙地层段落长,旋喷桩加固地层措施受限。根据现场实际情况设计采取如下进洞处理方案。

3.1 大管棚支护

如图3所示,隧道洞口段ZK110+030—ZK110+055采用双层超前大管棚支护方式,大管棚采用φ108热轧无缝钢管,长度为25m,壁厚6mm;大管棚双排交错布设,环向间距30cm,外插角1°～2°,内排管中心线距开挖轮廓线30cm。ZK110+055—ZK110+075暗洞段开挖时采用超前洞内管棚支护,洞内管棚长度12m,环向间距15cm,外插角1°～2°,管棚间搭接长度为3m。

图3 洞口大管棚设计Fig.3 Design of large pipe shed at portal

3.2 初期支护

ZK110+030—ZK110+075段初支钢拱架采用I22b@50cm;钢筋网为φ8,间距15cm×15cm;初支喷射28cm厚C25早强混凝土。为解决钢架拱脚承载力不足、拱架下沉的难题。在拱架两侧设置了大锁脚φ108钢管微型桩与拱架的自锁连接结构,控制初期支护沉降,使隧道在施工中的初支变形减少50%以上。自锁功能是通过桩顶部的螺纹管与硬化后的水泥浆液相互咬合达到自锁目的,锁定在与拱架相连接的钢板上,钢板焊接在钢拱架上,钢管内注入水泥砂浆。

3.3 隧道基底旋喷桩加固

明洞段ZK110+020—ZK110+030采用竖直旋喷桩进行加固处理,如图4所示。旋喷桩设计参数为:直径0.5m,有效桩长按嵌入卵石层50cm控制,桩孔按1.1m等边三角形布置。水泥浆液水灰比建议为1∶1,基础加固前,应在相同地质条件下的空地上进行基础加固试验,以确定施工参数和加固效果,并对设计参数进行修正。暗洞ZK110+030—ZK110+054段调整桩孔按1.5m等边三角形布置。暗洞ZK110+054—ZK110+058段地基采用C15片石混凝土换填处理,换填深度1m。

图4 地基加固处理设计Fig.4 Design of foundation reinforcement treatment

3.4 三台阶七步开挖法

为减小对围岩的扰动,在隧道进口段采用三台阶七步开挖法。首先进行超前支护,其次对上部弧形导坑进行开挖,同时预留长度为4m的核心土,整个开挖循环进尺为1m。中台阶开挖高度为3m,进尺为1m,同时错开2m左右。下台阶开挖参数与中台阶一致。各阶段开挖完成后及时进行喷射混凝土及初期支护,及时施作仰拱,仰拱分段长度为3m。

4 数值模拟

4.1 模型建立

采用MIDAS/GTS对该隧道进行数值模拟分析。根据实际工程情况,建立三维模型(见图5),共包含2层土,各层深度分别为:30,10m,隧道埋深30m。土层整体模型为40m×40m×30m(长×高×宽)。土体参数按地勘资料选取(见表3),建筑材料及隧道支护参数采用经验值(见表4)。

表3 土层物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of soil layer

图5 三维有限元模型Fig.5 Three dimensional finite element model

4.2 隧道开挖模拟

实际隧道开挖采用三台阶七步开挖法,整个施工过程可分为超前支护、土体开挖、地基加固处理3个循环步骤。对三维隧道模型做适当简化模拟施工过程(见图6)。

图6 隧道施工示意Fig.6 Tunnel construction

1)隧道施工前先将管棚打入土层内,进行超前支护,并且在开挖前给隧道掌子面前上方的土层赋予加固土的属性以模拟长管棚注浆的效果。

2)日进尺深度为2m,钝化中台阶部分土之前,将水平旋喷桩施作到隧道地表以下,以起到地基加固的作用。

3)首先钝化上台阶第1,2,3,6-1部分土,其次钝化中台阶第4,5,6-2部分土并激活初支、二衬和水平旋喷桩,最后将下台阶6-3,7部分土钝化。以此为循环,模拟三台阶七步法开挖。

4.3 结果分析

1)地表沉降

为分析隧道地表沉降变形规律,选取隧道地表中心及距中心左右两侧3m处共3个监测点为研究对象,地表沉降随施工步骤变化的曲线如图7所示。随着隧道的开挖,隧道地表沉降整体呈现先增长后趋于稳定的趋势。这主要是由于土体开挖受到扰动,围岩应力重分布引起的。从第1阶段开始到第15阶段,隧道中线以及左右两侧3m处的沉降均随着隧道开挖而逐渐增长。其中,在隧道中线处累计沉降达到47.31mm,而左右两侧沉降分别为39.13,39mm。通过分析计算,隧道中线处的平均沉降速率为3.154mm/d;而距隧道中线3m左右两处的平均沉降速率分别为2.608,2.6mm/d。通过分析可知,隧道地表中心处的沉降明显大于其左右两侧处,并且其沉降量大致呈对称分布。因此,应及时进行地基加固处理,以免产生不均匀沉降。

图7 地表沉降时程曲线Fig.7 Surface settlement time history curve

2)净空水平收敛

为进一步分析隧道洞口处的变形特性,选取拱腰左右两侧各一点作为监测点。通过分析隧道断面净空水平收敛明确隧道洞口处的变形规律,并作出隧道断面变形量随着开挖变化的曲线,如图8所示。从中可以看出,净空水平收敛整体呈现先缓慢增长后加速增长最后趋于稳定的三阶段变化趋势。前5个开挖阶段时,变形量较小,累计0.61mm;从第6个开挖阶段开始,隧道断面变形增长呈现逐渐增大的趋势,并且在第15个阶段后达到稳定,第15个阶段变形量为6.89mm;而在第19个阶段,隧道贯通,净空水平收敛达到稳定,变形量为7.70mm。通过计算分析,前5个阶段变形量占总变形量的7%,而第6～15阶段变形量占总变形量的80%。通过分析得知,管棚的超前支护对隧道断面的变形起到了良好的预防作用。这是因为在施加管棚并且注浆后,土体的自稳能力相对提高,注浆材料与土颗粒之间起到了良好的黏结效果。

图8 净空水平收敛变形时程曲线Fig.8 Time history curve of clearance horizontal convergence deformation

3)拱顶沉降

管棚作为良好的预加固措施,可以有效减小隧道洞口拱顶的下沉量。通过选取拱顶、拱腰左右两侧共3个监测点进行分析,其变形量随着施工阶段的开挖曲线如图9所示。从图中可以看出,拱顶及拱腰左右两侧沉降均随着隧道的开挖呈现出逐渐增大的趋势。第1～5步开挖时,隧道拱顶及拱腰两侧的沉降增长比较缓慢,第5阶段时沉降分别为0.82,0.38,0.37mm;当第6～15步开挖时,3个监测点处的沉降增长量均比较快速,当开挖到第15个阶段时,其沉降量分别为8.49,4.89,4.78mm;当开挖至第16阶段后,三点处的沉降均达到稳定,最终沉降量分别为9.56,5.72,5.71mm。通过分析计算可知拱顶处在6～15阶段时沉降平均增长速率为0.767mm/d,而拱腰左右两侧平均增长速率分别为0.451,0.448mm/d。通过分析,拱顶沉降比拱腰处沉降大,管棚的超前支护措施可以有效控制隧道拱顶沉降,提高了工效,取得了较好的社会和经济效益。

图9 拱顶沉降时程曲线Fig.9 Time history curve of vault settlement

5 结语

依托仁布隧道洞口穿越厚层风积沙地层进洞方案研究,通过进洞方案实施,主要结论如下。

1)目前常用的预加固措施主要有超前管棚,小导管注浆,旋喷桩加固3种,各个加固措施优缺点各异,各个工程需要结合自身工程特性选取不同加固措施。

2)本工程在风积沙地层条件下采用大管棚辅助、微桩锁脚、旋喷桩加固地基及三台阶七步开挖法开挖施工隧道进洞技术方案,成功实现了隧道进洞,为类似地层隧道进洞提供了一种解决方案。

3)数值模拟分析结果表明,三台阶七步开挖法结合管棚支护及地基处理的措施可以有效地控制风积沙地层隧道变形、地表沉降等,保障工程安全。