隧道穿越地表松散地段施工技术

隧道穿越地表松散地段施工技术
荀其迅
【摘要】六潜高速公路LY06标工程康皮畈2号隧道施工YK54+845～
YK54+886段时,其右线岳西端隧道出口段约73 m的位置位于两山体之间的山洼冲积地段,为长年冲积形成的松散地表,含有浮土、碎碴、杂草,该隧道穿越该段地表较浅,为典型的浅埋松散地段.介绍在保证隧道施工的安全、顺利穿越松散地段的情况下对明挖、半明半暗、暗挖等方案取舍的情况,并最终采用地表回填注浆加固、抗滑钢管桩、坡面钢管注浆加固、超前长管棚、自进式锚杆等综合处理措施成功穿越的暗挖方案.对隧道内的结构处理、施工掘进方案的选择及主要施工技术进行详细介绍.
【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2007(000)011
【总页数】4页(P81-84)
【关键词】高速公路;公路隧道;松散地表;抗滑钢管桩;注浆加固;施工
【作者】荀其迅
【作者单位】中铁十四局集团第三工程有限公司,山东兖州,272100
【正文语种】中文
【中图分类】U455
1 工程概况
康皮畈2号隧道位于霍山县单龙寺乡胡家湾东侧，前后分别为康皮畈1号隧道、磨子潭1号隧道，3座隧道相隔很近，穿过山体较多，为左右分离式单向行车高速公路隧道，左线长430 m，右线长417 m，为曲线中短隧道。

隧道净宽10.5 m，行车道净高5.0 m，该隧道穿越两个相连的山体，在YK54+845～YK54+886段穿过一段冲沟，地表松散，含有浮土、碎石、杂草等杂物，埋深较浅。

其中，右线隧道因为路线所经地带地形复杂，地质条件差，而且受其他因素(地表沉降、冲积物、地震等)的影响，必须对该段进行综合加固处理，如果处理不当，将会埋下较大的安全隐患。

根据该隧道右线岳西端出口有关的岩土层的成因情况、岩性特征、埋藏分布条件及物理力学性质，可分为以下情况。

(1)地表浮土、碎石：在YK54+845～YK54+886段穿过一段冲沟，为冲积形成的块碎石堆积物，地表松软，结构松散，极不稳定，冲积形态不规则，碎石占50%～70%，该层在YK54+867处钻探厚度约2 m，地表腐植土较多。

(2)强风化安山岩：紫灰色，岩石风化裂隙较发育，可见铁锰质膜填充，岩芯呈3～5 cm的碎块状。

(3)弱风化安山岩：紫灰色，斑状结构，块状构造，节理裂隙发育，该层中可见少量方解石脉充填。

(4)微风化安山岩：紫褐色，斑状结构，节理发育，有裂隙水存在，偶见有石英细脉充填，岩体呈块(石)、碎(石)镶嵌结构。

2 方案的选择
六潜高速公路是国家重点公路规划中的济南—广州公路的一段，也是安徽省公路主骨架规划中的“西纵”的重要组成路段，该工程位于大别山腹地，该项目的实施对改善大别山区的交通条件，加快脱贫致富，开发沿线旅游资源都有着重大的现实意义。

由于隧道设计为左右线分离式，相距较近(行车道中心相距仅40～50 m)，
合理选择穿越地表松散(不良地质)地段的施工方案，对确保相邻线路的安全、稳定、周围边坡的稳固等都至关重要。

第一种方案：明挖方案。

就是将在YK54+845～YK54+886段的浮土、碎石、杂
物等全部清除，做成明洞，隧道成洞面向前后方向推进至强风化安山岩。

该方案虽然施工简单、明了，设计与施工难度都较小，但出现了大刷大挖现象，对边坡的破坏较大，很难保证相邻左线的施工安全。

第二种方案：半明半挖方案。

该隧道处理段离洞口还有一定的距离，约50 m，山体坡角30°～40°。

为确保半明半挖方案的实现，在距离浅埋段上游10 m处打设
抗滑钢管桩，稳定上游山体，埋置较深，围岩较好的一侧设置成暗挖形式，另一侧埋深较小，有浮土、碎石的一段清除，做成明挖形式。

该方案控制难度较大，需要进行严格的专家论证，同时安全稳定性也较低，不能保证长期的通行安全。

第三种方案：暗挖方案。

采用地表回填注浆、抗滑钢管桩、坡面钢管注浆加固、超前长管棚、自钻式锚杆等综合处理措施处理好地表的浮土、碎石等，采取综合治理方案确保安全穿越该段松软地表。

实际施工采用此方案，具体介绍如下。

3 松软地表的加固处理及超前支护措施
3.1 地表碎石土回填注浆加固
碎石土回填前必须进行清表，清除表面腐质土、草皮、杂物等。

水泥稳定碎石土采用厂拌法施工，拌和均匀后，沿山坡分台阶分层碾压回填夯实，分层厚度不大于
40 cm，碾压采用小型振动压路机，回填压实度不小于85%。

填料采用稳定性良
好的碎石土，水泥掺量为7%～9%，拱顶覆土厚度保证不小于3 m。

回填到顶层
后要进行调坡并进行封面，保证设计坡度，确保山上的水能顺坡而流，保证浅埋段回填处不积水。

地表回填夯实达到设计厚度后，用潜孔钻进行钻孔。

钻孔前，应首先进行布孔，布孔间距为300 cm×300 cm，梅花形，钻孔时应埋入原地面以下不小于1.5 m。

注
浆管采用φ60×5 mm PVC打孔塑料管，管壁每隔15 cm交错布眼，孔眼直径为10 cm。

打好孔后，开始下管，管露出表面至少50 cm，注浆前应对管口进行固定，用注浆泵进行连续注浆，注浆压力不小于2 MPa。

注浆时应加设止浆设施，
防止浆液外泛。

注浆应先注边孔，形成止浆墙，然后横向每隔3个孔注1个孔，
纵向每隔2个孔注1个孔，依次而注，最后注满所有的孔。

在注浆时发现浆液从
端部溢出，浆液灌满整个回填区域。

注浆浆液采用双液浆，水泥浆∶水玻璃=1∶1，模数2.5～3.5，浓度43～45 Be′。

3.2 抗滑钢管桩
由于涉及到左侧隧道施工的安全，为避免隧道穿越时，出现坡面或工作面产生滑动，极有可能造成上侧山体(影响左线的稳定)滑移、塌陷，严重影响左洞开挖的施工。

进洞开挖前右线左侧山体上游外5 m约30 m长范围打设长度为8 m的2排
φ108×6 mm有孔钢花管注浆，梅花形布置，间距1 m，外露1 m，钢管要求深
入强风化安山岩1.5 m，具体布置情况见图1。

图1 YK54+845～YK54+886地表松散段处理断面(单位：cm)
有孔钢花管应从两侧向中间施工，必须保证注浆完成后才能施作。

注浆采用水泥-
水玻璃浆液，水泥与水玻璃体积比为1∶0.5，水泥浆水灰比为1∶1，水玻璃浓度
为43～45 Be′，水玻璃模数为2.5～3.5，注浆压力保证初压0.5～1.0 MPa，终压2.0 MPa。

注浆结束后应及时清除管内浆液，并用30号水泥砂浆紧密填充，增加
钢管的刚度和强度。

注浆参数应在施工中不断调整，以尽量保证钢管之间浆液充填饱满，形成稳定壳体，保证桩体与山体紧密结合，确保安全，防止坍塌、滑移、流动，串位。

3.3 两侧山体坡面钢管注浆加固
在抗滑钢管桩施工完成后，才能对另外两侧接触山体进行局部刷方清除表面危石、落石，并根据抗滑钢管桩施工效果可进行适当的坡面清方。

两侧山体坡面采用φ42×3.5、长3 m热轧小钢管，间距1.5 m×1.5 m单液注浆
加固。

钢管前端10 cm加工成尖锥状，管壁四周钻φ8 mm的压浆孔，但尾部
1 m不设压浆孔。

注浆前以φ8钢筋网(20 cm×20 cm)及10 cm厚喷射混凝土封闭坡面。

单液注浆不仅可简化工艺，降低造价，而且固结强度高，但浆凝时间长，因此，本单液注浆以水泥砂浆为主，添加6%的水玻璃(质量比)，由于空隙率较大，注浆压力要求较低，终压不超过0.5 MPa。

施工时由于围岩注浆可灌性差，效果
不好，不能达到固结围岩的目的，改成水泥-水玻璃双液注浆。

原3.0 m长的钢管加长至6～7 m，更好地加固松散土体。

3.4 超前支护
采取辅助施工措施的好坏、强弱是本隧道顺利穿越成败的关键。

长管棚是对付隧道不良地质的有效手段，适合特殊困难地段，如破碎山体、塌方体、碎石堆积体等地段。

设计时以管棚作为穿越的辅助施工措施，是行之有效的且较安全的超前支护手段，但该隧道松散堆积体中因大块状碎石含量较多且粒径不均匀，管棚的施作相对来说有一定的难度，很容易造成管棚偏位，因此施工技术要求比较高，要选择有丰富施工经验的队伍进行施工，且其机具设施也要合适。

管棚的施作要求注意以下方面：由于在洞内进行穿越，在开挖接近穿越段的位置，应将该处的围岩进行部分的扩挖，开挖成“套拱”施工的形状，并尽量减少对周边围岩和部分处理过山体的破坏，以避免引起边坡、周边围岩的失稳。

管棚长度要求拱腰侧的第一根穿越安山岩3 m左右，由于围岩松散，施工时要求钻进速度不应冒进，要减低转速，防止钻
杠在外力作用下偏位。

遇到孤石更应减速，不宜强行对钻杆施加顶压力，造成孔位偏斜。

下管时如遇到塌孔现象较严重时可先注浆固结，再钻进，反复多次。

困难地段亦可用厚壁钻杆打入后在钻杆内注浆，把钻杆留在孔内代替钢管。

注浆设计时采用水泥-水玻璃双液注浆，施工前要求现场进行双液注浆配比实验，按水玻璃浓度
为45 Be′，水玻璃模数为2.5，水泥、水玻璃体积比分别为1∶0.5～1∶0.1时，
浆液胶凝时间为30～75 s，因此注浆采用单液，添加6%水玻璃。

实际施工时钻
孔43 m，但由于操作人员钻进速度太快，不能及时用罗盘测定钻杆偏角，使得部分钢管仰角过大，管棚末端超挖严重，开挖时在管棚施作的末端加设了超前小导管(φ42的小导管)，从而有效控制了超挖。

4 洞内结构设计
隧道洞口段、穿越松散地表(不良地质)段的设计与施工历来是隧道建设的关键部位，穿越地表松散地段距离岳西端出口较近(约73 m)，地质复杂，并受到线路选线的
制约，选择进洞及穿越是不可避免和改动的，因此，为保证安全系数，衬砌结构和参数应做相应的调整和优化。

衬砌参数先以工程类比法拟定，以有限元对其进行校核。

由于结构受力明确，计算时按全部松散土荷载作用于结构上。

采用杆系有限元计算，拟定的初期支护结构参数如下：I20型钢间距0.5 m 1榀，、喷射C25混
凝土厚25 cm，挂φ8双层钢筋网(20 cm×20 cm)，注浆锚杆长4.0 m,间距
0.75 m×1 m，且在每榀钢拱架两侧分别设置2根4.0 m长注浆小导管进行加固
地脚注浆，以保证基础的足够承载力；同时，要沿I20钢拱架增设索脚锚杆和
φ22纵向连接钢筋，确保拱架与周边围岩、拱架与拱架间牢固连接，增强稳定性。

初期支护的安全与否，按计算得出的锚杆和钢支撑(含喷射混凝土)的承载力情况验算。

锚杆承载力计算主要按承载拱理论计算：由于系统锚杆的作用，洞室周边围岩承载拱厚度变得与锚杆长度相当；由于锚杆的加筋作用，使得承载拱岩体强度提高。

根据锚杆长度、间距以普氏理论计算承载拱厚度，对锚杆支护直接加固的洞周围围岩体取用较高的c，φ值。

钢支撑(含喷射混凝土)承载力计算：以型钢拱架和喷射
混凝土根据等刚度换算后进行内力计算，因允许喷混凝土开裂，故轴力由混凝土和型钢承担，弯矩只由型钢承担，按容许应力法分别进行强度校核。

经计算，锚杆承载3～4 m土荷载，而型钢拱架和喷射混凝土可承担8～9 m土荷载。

由于二次衬砌拱顶土荷载为15 m，即二次衬砌将担当约3 m土荷载，素混凝土即可满足要求；
但由于本地段不均匀沉降严重，差异沉降所造成的内力是巨大的，左右两侧拱脚即便有5 mm差异沉降，其所造成的内力也是素混凝土不能接受的，故二次衬砌应采用钢筋混凝土结构。

施工时必须进行严格的监控量测，内容包括地表沉降、洞内拱顶下沉、两侧位移收敛，应每5 m设一量测断面，二次衬砌必须在洞周变形基本稳定后再施作。

5 施工注意事项
5.1 开挖方案
开挖方案应在围岩加固完成好后，根据其加固的效果综合考虑。

在软弱围岩地段开挖方案制定尤其重要，由于本段地质差，埋深浅，断面大，且对地表下沉有严格要求，为稳妥穿越，开始采用的是双侧壁导坑法(即眼镜法)，见图2。

施工程序：1为左右双侧壁导坑开挖；Ⅱ为侧墙及侧壁导坑支护施作；3为主洞上半断面开挖；Ⅳ为拱部初期支护施作(钢拱架与侧墙钢拱架连接)；5为正洞下半断面开挖；Ⅵ为仰拱初期支护施作；Ⅶ为仰拱二次衬砌浇筑，仰拱填充；Ⅷ为铺设防排水层，拱部及侧墙二次衬砌施作；Ⅸ为沟槽、路面施作。

图2 双侧壁导坑施工方案示意(立面)
因为每部断面小且都及时封闭成环，故开挖时引起的地表沉降量较小。

施工时，由于坡面注浆效果良好，抗滑钢管桩及长管棚的施作都很成功，决定改用台阶分步导坑开挖法(即环形开挖预留核心土法)，上台阶可适当加长，约为1倍洞跨，要求10～12 m，增加锁脚注浆小钢管，每榀钢拱架每侧设2根，5.0 m长，以保证上导钢拱架基底牢固可靠。

台阶分步导坑开挖法具有机械化程度高，施工速度可以加快，核心土可以有效地稳定开挖面的优点。

由于是采用人工开挖，故要求施工时严格控制超欠挖，断面轮廓力求圆顺，减少应力集中现象。

且要求施工工序紧凑，缩短仰拱封闭时间，改善初期支护受力条件。

5.2 自进式注浆锚杆施工
普通系统砂浆锚杆在碎石堆积土中很难起作用，而普通中空注浆锚杆成孔困难，反复钻孔、清孔对土体的扰动严重，且用水冲孔也易造成土体的滑动而失稳。

因此，系统锚杆采用的是长3.5 m自进式锚杆，以高压风冲孔排渣、注浆，避免对土体
造成过多扰动。

由于堆积碎石土的特殊地质情况，主要采用耐磨合金钻头并要求具有预留浆液孔。

锚杆本身即为钻杆，内为中空，当锚杆的钻进达到设计规定的深度时，孔内的所有浮土岩屑应利用钻机的压缩空气清理干净，注浆主要采用水泥浆液，其水灰比0.4～0.55。

注浆可采用两种方式，其一是边钻进边注浆，钻进速度不应过快，以保证浆液的扩散，当钻到设计深度时，应继续注浆，直到注浆压力达到0.2 MPa，并持续
5 min，以不吸浆或孔口返浆为结束标志；其二是一次性钻到设计深度，用专用注浆接头和止浆塞进行注浆作业，注浆结束也应满足其上条件。

锚杆原则上在安装约24 h后，应将螺帽及载体板旋紧至3 t，载体板必须紧贴喷射混凝土面，将承载力均匀传给锚杆，避免锚杆产生弯曲应力。

6 体会
(1)软弱破碎松散的复杂地段的处理方案应采用综合治理，多种手段并举，而注浆
加固是施工的关键。

(2)长管棚作为超前辅助施工手段对付不良地质是一种很好的方式。

长管棚施工对
于已经注浆加固的松散体来说，无疑是进行了第二道设防，对稳定围岩起到至关重要的作用。

(3)自进式注浆锚杆可以避免对土体造成过多扰动，可以加快施工进度，安全顺捷
通过不良地质段。

该锚杆对于对付局部不良地质具有安全、方便、快速的效果，因此该项技术可以得到更好的推广，但造价费用较高，对于处理特殊地段的松散山体无疑是一种比较好的方法。

(4)由于采用了辅助施工措施得力(如采用了长管棚、自进式注浆锚杆、地表加固等)，
对于采用简便、快捷的预留核心土的台阶法施工开挖方案能较快的穿过不良地质地段，起到了很好的示范作用。

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