山嶺城市大跨隧道下穿新近回填土關(guān)鍵技術(shù)

胡文亮

（重慶市設(shè)計院有限公司，重慶 400015）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，山嶺城市的建設(shè)多需進行山坡開挖、溝地整平，在后期開發(fā)城市地下交通空間過程中，受周邊既有環(huán)境和規(guī)劃的制約，以隧道形式穿越溝谷回填土的工程不可避免[1]。目前，隧道穿越回填土區(qū)圍巖穩(wěn)定性差、土層加固質(zhì)量差、受地下水影響敏感、變形難以控制等復(fù)雜技術(shù)因素成為巖土工程界難題，國內(nèi)研究人員結(jié)合實際工程，針對不同方面進行了一定程度的探索研究。馮儉華等[2]依托重慶軌道交通10號線下穿土層的區(qū)間隧道，分析暴雨對隧道支護體系受力的影響程度。宋上明等[3]從土層降水、初期支護及隧道樁基礎(chǔ)等方面對土層隧道施工技術(shù)做出研究。陳京賢[4]在研究重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間隧道下穿土層時，提出了控制地表沉降的技術(shù)。還有學者[5-12]結(jié)合隧道下穿回填土層的實際情況，從超前加固、土層加固、降雨深入、掌子面穩(wěn)定等方面做出了探討。這些多是建立在軌道或鐵路中的小斷面隧道，而市政工程中常采用雙向6車道大斷面隧道。土層中修建大跨隧道難度更大，本文依托工程實例進行研究分析，可為后期類似工程提供參考。

1 工程概況

甘悅大道渝北段隧道工程西起雙龍湖立交，東至城南立交，為城市主干道，全長2090m，設(shè)計車速60km/h。隧道采用上、下行分離式雙向6車道，按新奧法原理設(shè)計，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。根據(jù)地勘資料，隧道設(shè)計里程起點k0+230.22～230.0段原始地貌為沖溝，后期由于城市建設(shè)，3年內(nèi)在沖溝處進行了不間斷建筑棄渣回填，并夾雜著生活垃圾?；靥钔翆雍穸燃s30～60m，土體自身固結(jié)沉降尚未完成，圍巖等級為VI級，洞頂覆土厚度20～30m，洞室上部覆土荷載較大（圖1）。

圖1 隧道穿越回填土段地質(zhì)剖面圖

該土層隧道相類似案例國內(nèi)罕見，類似工程案例多為穿越老土隧道，而該工程從松散的棄渣區(qū)暗做穿越施工，風險及難度極大。穿越區(qū)段土質(zhì)為棄渣土體，含有建筑垃圾，土質(zhì)非常松散，粒徑大小不均，局部土體自身固結(jié)沉降未完成，需加強土層段隧道支護措施，保證工程安全。

2 暗挖關(guān)鍵技術(shù)

2.1 技術(shù)思路及流程

2.1.1 技術(shù)思路

新建回填土由于其固結(jié)沉降未完成，土體孔隙率較大。首先，對隧道穿越區(qū)周邊土體進行預(yù)加固，保證開挖后隧道周邊土體穩(wěn)定，以便進行支護結(jié)構(gòu)安裝。其次，新近回填土中大跨隧道洞室穩(wěn)定性在空間及時間上都很差，為保證施工安全，開挖斷面應(yīng)盡量小，且開挖后應(yīng)及時進行大強度的支護，采用分部較多、分塊較小的開挖工法（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法），開挖后較強的拱架（雙層拱架）支護在最短的時間內(nèi)發(fā)揮作用。最后，新近回填土基礎(chǔ)承載力差，且沉降變形大，必須進行基礎(chǔ)處理（鋼管樁）以保障結(jié)構(gòu)永久穩(wěn)定。

2.1.2 施工流程

超前土體預(yù)加固→分部小斷面開挖及拱架支護→基礎(chǔ)施工→永久隧道二襯結(jié)構(gòu)。

2.2 超前支護及預(yù)加固

2.2.1 超前雙層管棚預(yù)支護

在拱頂、拱墻及拱腳范圍內(nèi)，采用雙層φ180壁厚10mm大管棚對隧道斷面進行預(yù)支護，管棚環(huán)向布置間距40cm，內(nèi)外層間距30cm。通過雙層管棚注漿，按管棚擴散半徑0.5m計算，其加固區(qū)厚度可達1.2m，管棚內(nèi)設(shè)置鋼筋籠提高其抗彎承載力。土層段管棚施工鉆頭下垂度難以控制，單段超前管棚縱向間距不易過大，該工程取40m，相鄰管棚搭接長度不小于5m，管棚分節(jié)處設(shè)置管棚工作室（圖2）。

圖2 隧道雙層超前大管棚布置圖

大管棚外插角按1°～3°進行控制，采用C30水泥漿或水泥砂漿。注漿結(jié)束標準：終壓下注漿量小于0.1L/min，持壓10min即可。管棚施做時，先施工環(huán)向奇數(shù)號管棚，并注漿，再施工環(huán)向偶數(shù)號管棚，以便檢查注漿質(zhì)量及采取后補漿措施。

相比常規(guī)單層管棚，雙層超前大管棚注漿后加固區(qū)更大，兩層管棚之間土體的加固效果能夠得到保障，可有效防止周邊巖土坍塌。雙層管棚加固范圍更大，使得加固體具有更高的承載力。

2.2.2 全環(huán)系統(tǒng)小導(dǎo)管超前加固

隧道拱腳以上拱墻部分將常規(guī)的系統(tǒng)錨桿替換為系統(tǒng)小導(dǎo)管，系統(tǒng)小導(dǎo)管沿隧道縱向與隧道軸線成45°夾角布置，單榀長度6.0m，環(huán)向間距0.4m，縱向間距1.0m。拱底預(yù)加固采用8m長Φ50超前小導(dǎo)管，施工時沿隧道縱向45°外插角打入圍巖進行注漿加固。此種布置方案可提前加固掌子面前方土層，提高掌子面開挖后成洞的穩(wěn)定性（圖3、圖4）。

圖3 隧道系統(tǒng)小導(dǎo)管超前加固襯砌圖

圖4 隧道系統(tǒng)小導(dǎo)管超前布置圖

注漿前先噴射一層混凝土封閉圍巖形成止?jié){盤，由下向上注漿。單孔注漿時，其漿液必須充滿鋼管及周圍空隙，注漿量及壓力根據(jù)試驗效果確定，并根據(jù)不同的地層選擇電動硅化注漿或劈裂注漿。

土層隧道系統(tǒng)錨桿設(shè)置為超前系統(tǒng)小導(dǎo)管，不僅可替代系統(tǒng)錨桿，還起到超前加固的作用。小導(dǎo)管加固可實現(xiàn)洞內(nèi)注漿，增加圍巖自穩(wěn)時間，縮小因開挖變形產(chǎn)生的松弛區(qū)，減小初支及二襯受力。同時，注漿封閉了地下水滲流通道，具有封水堵水效果，保障了隧道的長期運營安全。

2.2.3 高壓旋噴樁注漿

在隧道上方地表可以進行施工作業(yè)段落，采用高壓旋噴注漿法加固隧道周邊巖土，注漿范圍為隧道洞頂至地表，隧道仰拱以下6m，隧道兩側(cè)外緣各5m。注漿體成樁φ1.0m，間距1.0m×1.0m，縱橫向梅花形布置。施工前應(yīng)進行現(xiàn)場試驗，確定旋轉(zhuǎn)、提升速度等施工參數(shù)，采取檢查、取芯等方法檢驗加固效果（圖5、圖6）。

圖5 隧道高壓旋噴樁加固襯砌斷面圖

圖6 隧道高壓旋噴樁布置圖

高壓噴射注漿的全過程包括鉆機就位、鉆孔、置入注漿管、高壓噴射注漿和拔出注漿管等基本工序。高壓旋噴宜選三管法或多管法，自下而上進行，鉆孔位偏差值應(yīng)小于50mm，并保持垂直。當注漿管不能一次提升完成而需分數(shù)次卸管時，卸管后噴射的搭接長度不得小于100mm。

高壓旋噴加固土體利用高壓將漿液與土粒強制攪拌混合凝固形成固結(jié)體，與地表注漿法相比，加固后土體強度更高、巖土自穩(wěn)能力更好。

2.3 雙層拱架支護

回填土隧道洞室周邊圍巖幾乎無自穩(wěn)能力，周邊巖土應(yīng)按荷載考慮，施加到隧道初期支護結(jié)構(gòu)上。為保障隧道初期支護的強度及剛度，土層段隧道初期支護采用雙層鋼支撐支護：第一層型鋼支撐體系為HW250全環(huán)鋼拱架，縱向間距50cm，掛網(wǎng)噴射30cm厚C30早強混凝土；第二層型鋼支撐體系采用工18全環(huán)鋼拱架，掛網(wǎng)噴射20cm厚C30早強混凝土。

圖7 隧道雙側(cè)壁七部開挖斷面圖

初期支護應(yīng)隨開挖一榀一支護，在拱架關(guān)鍵受力部位采用兩排鎖腳長導(dǎo)管進行固定。

土層大斷面隧道須有較強的初支結(jié)構(gòu)，將初支結(jié)構(gòu)分為兩層拱架，可以減小每次安裝時拱架的重量。與采用單一拱架結(jié)構(gòu)相比，具有施工便捷、初支早封閉的優(yōu)勢。

2.4 七部開挖工法

土層隧道自穩(wěn)能力極差，按化大斷面為小斷面的思路，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分為七部分：先開挖一側(cè)導(dǎo)坑，分為上下臺階法進行，再開挖另一側(cè)導(dǎo)坑，最后開挖核心土。每個部分都進行支護封閉，開挖方式主要為機械輔助人工。在隧道開挖前，采用塑料錨桿預(yù)加固，防止掌子面坍塌。

每一開挖步序均應(yīng)在預(yù)支護完畢后進行，每循環(huán)進尺不能超過0.5m。導(dǎo)坑開挖的每個臺階長度控制在3～5m，使初支結(jié)構(gòu)盡快成環(huán)，二次襯砌結(jié)構(gòu)緊跟，充分發(fā)揮支護結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)。

雙側(cè)壁七部導(dǎo)坑法雖然開挖工序復(fù)雜，但在施工過程中分塊較小，有利于掌子面穩(wěn)定。同時，各個分塊部分都是在開挖后各自閉合的，施工過程中圍巖變形很小，可減小對地表的影響。

2.5 微型鋼管樁地基

由于仰拱底部土層較厚，最大厚度約30m，土體松散，土體自身固結(jié)沉降未完成，在隧道基底設(shè)置鋼管樁，提高地基承載力并防止運營期隧道沉降。鋼管樁采用φ203壁厚6mm的無縫鋼管，鋼管樁內(nèi)設(shè)置鋼筋籠并填充C30細石混凝土。鋼管樁設(shè)置溢漿孔，孔徑10mm，間距1.5m×1.5m梅花型布置，用于密實鋼管樁與周邊土體之間的縫隙。在仰拱底部分預(yù)留后補漿孔，防止拱底土層的固結(jié)沉降導(dǎo)致隧道仰拱脫空。

圖8 隧道土層地基基礎(chǔ)處理斷面圖

樁孔定位偏差在25mm以內(nèi)，樁身傾斜偏差＜1.0%。施工須采用跳樁分別實施，深厚新近回填土層中成孔效果差，容易發(fā)生塌孔，應(yīng)采用跟管施工工藝。

微型鋼管樁施工機具小，適應(yīng)于隧道內(nèi)空間受限工況，且施工快捷、循環(huán)周期短，在新近回填土層中便于成孔，加固效果好并能夠迅速提供支撐。

2.6 隧道監(jiān)控量測

根據(jù)隧道監(jiān)控量測，在隧道拱頂及側(cè)墻的初支拱架上均設(shè)置監(jiān)控點，得到拱頂最大沉降量約為108mm，量測收斂最大值為55mm，隧道變形量均在預(yù)留變形量150mm內(nèi)，隧道支護保障了施工過程的安全。

3 結(jié)論

該項目隧道工程下穿新近回填區(qū)段順利通過，針對大跨隧道穿越新近回填土區(qū)應(yīng)重點控制以下幾個方面：

（1）新近回填土層自穩(wěn)能力差、易坍塌，雙層管棚加固范圍大、剛度大，可有效防止塌方。采用超前全環(huán)預(yù)注漿加固，周邊土體可形成承載拱，發(fā)揮其自穩(wěn)效應(yīng)；

（2）隧道圍巖注漿或旋噴加固時，均應(yīng)通過試驗不斷調(diào)整注漿參數(shù)，以獲得較好的土層加固效果；

（3）采用微型樁對回填土區(qū)域進行隧道地基處理，便于在隧道內(nèi)施工，且施工快捷；

（4）新近回填土很難形成承載拱效應(yīng)，采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等分部小斷面導(dǎo)洞開挖方案，能及時封閉，減小施工對地表的影響。