大断面客运专线隧道穿越第三系富水复合地层设计关键技术研究_伊兴芳

Study of Key Technologies in Design of Large Crosssection Tunnel through Ｒich Water Tertiary Complex Strata on Passenger Dedicated Line
Yi Xingfang
（ The Third Ｒailway Survey ＆ Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142 ，China）
土、 砂层、 黄土为主， 地层分布随机， 且砂层富含上层滞水性质囊状水 ， 在施工过程中多次涌砂涌水 。 针对大断面客 运专线隧道穿越第三系富水复合地层施工技术难题 ， 研究提出隧道掌子面稳定措施和超前预加固措施 ， 有效解决 涌砂涌水问题， 确保施工安全。 关键词： 客运专线铁路； 铁路隧道； 复合地层； 超前预加固 中图分类号： U238 ； U452. 2 文献标识码： A DOI： 10． 13238 / j． issn． 1004 － 2954． 2015． 02． 018
图4
超前周边注浆 C － C 孔口布置示意（ 单位： cm）
2. 1. 3
掌子面稳定措施 为稳定掌子面， 掌子面采用玻纤锚杆加固。 玻纤
锚杆垂直于掌子面打入， 锚杆长度为 12 m， 锚杆横向 间距 1 m， 竖向间距 1 m。沿隧道纵向， 每 8 m 一环， 搭 接长度 4 m。 2. 2 超前预加固咬合桩 3 号斜井大里程端现场开挖揭示地层为上、 中台 阶为粉细砂， 下部为老黄土。粉细砂层稍湿， 颗粒较均 匀， 呈松散结构； 老黄土含少量钙质结核， 局部夹砂层， 遇水易软化。 本段地层主要特点是开挖漏砂涌砂严
mm 钢管提高强度［5-6］， 89 mm 钢管环向间距 80 cm。 洞内超前预加固咬合桩布置如图 5 所示。
图5
洞内超前预加固咬合桩布置 （ 单位： cm）
2. 2. 2
掌子面稳定措施
掌子面为确保稳定采用超前预加固桩进行加固 ， 掌子面超前预加固桩按水平方向打设， 长度为 12 m； 一般按隧道断面等腰三角形布置 ， 间距 2 m ˑ 2 m。 3 软弱富水复合地层隧道关键技术
第 59 卷
第2 期
铁 道 标 准 设 计 ＲAILWAY STANDAＲD DESIGN
Vol． 59
No． 2
2015 年 2 月 2954 （ 2015 ） 02007303 文章编号： 1004-
Feb． 2015
大断面客运专线隧道穿越第三系富水复合 地层设计关键技术研究
伊兴芳
（ 铁道第三勘察设计院集团有限公司 ，天津 300142 ） 摘 要： 大西客运专线干庆隧道通过我国中西部地区广泛分布的第四系 、 第三系等新生代地层 ， 此套地层以粉质黏
图2 超前周边注浆 A － A 孔口布置示意
2 号斜井小里程端开挖揭示地层为拱顶及上台阶 为细砂层， 中台阶为粉质黏土， 下台阶为细砂层。砂层 与黏土结合处渗水量较大， 伴有涌水及涌砂现象； 粉质 黏土遇水软化， 强度降低较多， 手捏呈软塑状。不同地 层间结合差， 开挖时易涌水涌砂， 施工安全风险较大。 根据开挖揭示涌水量及地层情况， 设计采用了超前周
图7 超前深层预加固咬合桩加固效果
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第2 期
铁 道 标 准 设 计 ＲAILWAY STANDAＲD DESIGN
Vol． 59
No． 2
2015 年 2 月 2954 （ 2015 ） 02007606 文章编号： 1004-
Feb． 2015
浅埋暗挖软基隧道分部开挖拱脚地基承载力研究
1117 ； 修回日期： 20141207 收稿日期： 2014mail： sdsyixingfang @ 作者简介： 伊 兴 芳 （ 1982 —） ，男，工 程 师，E126． com。
更新统（ Q3 ） 新黄土、 中更新统 （ Q2 ） 老黄土、 粉砂， 粉 砂； 第三系上新统（ N2 ） 粉质黏土、 细砂、 粉砂、 圆砾土， 局部夹砂岩， 不同地层间结合差。 隧址区地下水按赋 存条件为第四系孔隙潜水、 第三系上层滞水性质囊状 水。其中第四系孔隙潜水主要赋存于第四系松散层 中， 主要富水层为碎石类土及砂类土， 在黄土与下伏地 层接触带附近存有少量上层滞水， 水位随季节的变化 而变化； 第三系上层滞水性质囊状水， 赋存于第三系砂 类土、 碎石类土以及半胶结砂岩裂隙中， 受地层复合程 ， ， 。 度影响 差异性大 分布极不均匀 受地下水的影响， 砂层灵敏度变高， 触变性增强， 施工中一旦隔水层被揭穿， 打通地下水力联系， 地下水 的运移路径发生变化， 动水可诱发砂层和粉质黏土等 围岩失稳， 极易涌水、 涌泥、 涌砂。
74 软弱富水复合地层隧道设计
铁 道 标 准 设 计
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针对该隧道复杂的地层结构， 结合实际工程情况， 提出了超前预注浆与超前预加固咬合桩两种设计方 3 号斜井大 案， 分别应用干庆隧道 2 号斜井小里程端、 里程端掌子面， 通过对比分析研究软弱富水复合地层 隧道修建关键技术。 2. 1 超前预注浆
谭
1， 2 1 1 1 1 勇 ，施成华 ，彭立敏 ，曹成勇 ，杜棣宾
（ 1. 中南大学土木工程学院 ，长沙 410075 ； 2. 广东省南粤交通投资建设有限公司 ，广州 510101 ） 摘 要： 针对目前浅埋暗挖软基隧道在分部开挖条件下支护结构拱脚受力进行专门理论计算分析的报道尚不多见
的现状， 基于 Winkler 弹性地基梁理论建立管棚超前支护和锁脚锚杆的力学模型 ， 提出两者对支护结构竖向荷载的 承载作用计算方法， 并在此基础上推导拱脚地基荷载的计算公式 ， 并进行实例计算分析。 计算结果结合现场拱脚 压力测试结果表明： 提出的拱脚地基荷载计算方法可靠性良好 ， 能够很好地解释地表过量沉降以及隧道中上部开 挖步为位移控制关键步序的原因 ， 提出浅埋暗挖软基隧道分部开挖时应重视对拱脚地基承载力进行验算 ， 承载力 不足时应采取措施， 避免因此造成的隧道和地层整体沉降 。 关键词： 软基隧道； 浅埋暗挖； 分部开挖； 管棚超前支护； 锁脚锚杆； 拱脚； 地基承载力
超前预加固咬合桩适用于拱部砂层厚度 大 于 4 m， 砂层空隙率较小， 可注性较差， 富水程度较小的 3 号斜井大里程端， 配合超前中管棚加筋支护， 形成具有 （ 0. 5 8. 0 MPa ） （ 7 ） 一定强度 的咬合桩体 图 ， 改善了 隧道拱部及边墙围岩特性， 产生了较好的拱棚效应， 能 够起到防流沙、 抗滑移、 防渗透的作用， 保证隧道开挖 掘进安全。
软弱富水复合地层隧道修建核心技术在于掌子面 稳定性与超前预加固措施， 同时加强锁脚， 及时封闭成 环对于控制大变形有明显的效果 3. 1 稳定掌子面措施
［7 ］
。
铁路隧道建设中常规控制掌子面稳定主要措施是 掌子面预留核心土、 掌子面挂网喷混凝土封闭等， 仅适 用一般土质地层及破碎岩质地层 。对于第三系软弱富 水复合地层一般掌子面稳定措施很难确保正常施工 ， 而且在动态开挖过程中极易诱发大规模涌水涌砂 ， 为 确保掌子面稳定， 提出了玻纤锚杆超前加固与超前预 加固桩加固两种措施， 均能较好地稳定掌子面， 抑制掌 。 子面在开挖过程中挤出变形 3. 2 超前预加固措施 干庆隧道第三系、 第四系地层复合程度高， 富水砂
［2 ］ 边预注浆加固措施 。 2. 1. 1 超前周边注浆（ 图 1
图 4） （ 1 ） 隧道拱部 160ʎ 外轮廓 4 m 范围采用超前周边
图3 超前周边注浆 B － B 孔口布置示（ 单位： cm）
注浆。每一循环注浆长度为 25 m， 开挖 20 m， 并保留 5 m 止浆岩盘。 （ 2 ） 单孔注浆浆液扩散半径 2 m， 孔底平面间距约 3 m， 每循环共设 3 环 33 个注浆孔。 （ 3 ） 注浆孔开孔直径不小于 110 mm， 终孔直径不 小于 91 mm； 孔口管采用 108 mm， 壁厚 5 mm 的热轧 无缝钢管， 管长 3 m， 孔口管应埋设牢固， 并有良好的 止浆措施。 （ 4 ） 钻孔和注浆顺序由外向内， 同一圈孔间隔施 工。采用后退式， 先钻孔后注浆； 如果成孔困难， 可采 用前进式注浆。
2. 1. 2
超前ห้องสมุดไป่ตู้棚支护
超前周边注浆结束后， 拱部 140ʎ 范围采用 108 mm 大管棚超前支护［3］， 纵向搭接长度不 管棚长 10 m， 小于 3 m， 环向间距 30 cm， 管棚间采用小导管超前注 浆， 小导管长 4 m， 环向间距 30 cm， 纵向间距 2 m， 倾角 10ʎ 15ʎ 。
Abstract： GanQing tunnel on DatongXi'an passenger dedicated line passes through the Quaternary and Tertiary strata of the Midwest regions in China ，characterized by silty clay ，sand，loess in random distribution with cystic water in sand layer． Sand and water gush occurred many times during the construction． In order to settle the problem，this paper puts forward tunnel face stability measures and advance prestrengthening to effectively solve the problem and ensure construction safety． Key words： Passenger dedicated line ； Ｒailway tunnel； Complex strata ； Advance strengthening 在隧道建设过程中， 软弱围岩一直是隧道界比较 关注的重点和难点， 关宝树等系统阐述了软弱围岩的 内涵及其特性， 提出了软弱围岩隧道变形控制的基本 ［1 ］ 理念和措施 。 大西客运专线干庆隧道通过第三系 粉细砂、 第四系黄土复合富水软弱围岩地 粉质黏土、 层， 该套地层岩性分布随机性较大， 难以掌握规律， 地 下水特性也无定性的规律， 出水部位不定， 出水量时大 时小， 极易引发涌水涌砂， 对隧道施工带来极高的安全 风险。 1 工程概况 干庆隧道全长 6 693 m， 洞身穿越地层为第四系上
图1 超前周边注浆纵断面 （ 单位： cm）
重， 在掌子面拱顶上方易形成漏斗状空洞 ， 难以形成有 效的作业空间， 施工风险极高。 为有效防止漏砂涌砂 及 控 制 沉 降， 设计采用超前预加固咬合桩支护 ［4 ］ 。 措施 2. 2. 1 超前预加固咬合桩设置要求 隧道拱部 160ʎ 范围采用超前预加固桩对周围土
图6 超前大管棚加固效果
层分布无规律可寻， 隧道设计重点应研究如何形成有 效的开挖空间， 即有效的超前预加固措施。 针对不同 地层情况， 设计采用了超前预注浆加固措施和超前预 加固咬合桩措施。 超前预注浆适用于拱部砂层厚度小于 4 m， 砂层 空隙率较大， 富水程度较高的 2 号斜井小里程端， 配合 超前大管棚及小导管支护， 不仅有效避免了涌水涌砂 与初期支护沉降收敛大变形甚至坍塌等风险 ， 而且提 高了施工进度， 确保了施工安全， 是适合类似地层的合 理措施， 并形成了一套独到的“排水降压、 注浆加固、 管棚支护” 施工工艺（ 图 6 ） 。此施工方案工艺简单、 成 ， 。 熟 具有推广价值 4 结论 国内外富水砂层隧道较多， 但客运专线大断面隧 道穿越第三系软弱富水复合地层并不多见 。依托大西 客运专线干庆隧道建设， 提出了第三系软弱富水复合 地层隧道掌子面位移控制及超前预加固设计关键技 术， 确保了隧道施工安全， 提高了施工进度， 对国内外 类似工程有一定的借鉴意义， 推广应用前景广阔。
体进行加固， 超前预加固桩长度为 15 m， 桩径 600 mm， 桩间距为 400 mm， 每循环搭接长度 3 m； 成桩体达到的
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伊兴芳—大断面客运专线隧道穿越第三系富水复合地层设计关键技术研究
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抗压强度 5. 0 8. 0 MPa； 为提高超前预加固咬合桩抗 剪强度， 采 用 拱 部 120ʎ 超 前 预 加 固 咬 合 桩 内 插 89