软硬不均富水全风化砂岩矿山法隧道预加固方案的选用

摘要：对全风化砂岩富水软硬不均地层矿山法隧道地质水文工法特点分析，对几种预加固方案在效果、安全性能、技术水平、进度经济指标、适宜条件等方面比较，确定合理预加固方案。

　　关键词：全风化；软硬不均；预加固

　　1隧道概况

　　广深港客运专线益田路隧道位全长6236m，地面建筑物多、管线复杂，施工风险程度高。本文以下穿人工湖和地铁3号线段由盾构法改为矿山法施工的600m隧道为例。

　　2工程特点

　　2.1地层上软下硬、基岩左高右低、隧道断面内岩体强度上、下、左、右强烈性差异

　　该段益田路隧道位于震旦系变质砂岩侵入接触蚀变界线及全风化带，地层结构具有上软下硬的特点，即上部为水稳定性差的砂状的变质砂岩全风化带，中部为裂隙发育块状的强风化带，下部为较坚硬的弱风化变质砂岩，基岩上下起伏频繁、岩层风化带界线变化较大，左高右低，上下、左右软硬强烈不均，施工中发现部分地段3m内基岩高度相差4-5m、同一断面左右拱脚基岩高差2-3m。

　　2.2地下水丰富、全风化层水理性质极差

　　本段隧道穿越莲花山公园，地表存在两个人工湖。地下水以松散覆盖层、全风化层孔隙水以及强风化层裂隙水为主。而隧道轮廓拱部的全风化层水理性质极差，易软化，透水性强，崩解速度极快。

　　2.3隧道断面较大导致不利因素

　　本隧道净空跨度11.5m，净空面积83.72m2；开挖宽度达13.94m，开挖面积135.58m2。隧道跨度变大导致了：⑴对开挖后应力重分布不利，开挖后最大围岩应力约为初始应力的2倍，当围岩强度小于围岩应力时，拱顶最大弯矩部位将出现塑性区；⑵拱脚处的应力集中，要求更大的地基承载力；⑶拱顶不稳定，隧道宽度的扩大将大大增加拱顶围岩内的拉应力，导致拱顶掉块等失稳现象；⑷较大的松弛地压，开挖宽度越大，要求产生拱作用的埋深越大，在埋深土层不能发挥较大拱效应时，拱部就会产生很大的松弛压力；⑸支护结构的承载力相对较小，同样的支护结构相对于不同的跨度，跨度越大、相对承载力越小。

　　2.4开挖工法复杂

　　本段矿山法隧道设计采用的三台阶（临时仰拱）法施工，根据地层岩性，上部全风化层适合机械配合人工开挖，中部全风化层适合松动爆破配合机械开挖，下部弱风化层适合爆破开挖。基岩上下起伏决定了上台阶高度要随时调整，而坚硬拱脚的是机械的盲点、人工又挖不动，必须松动爆破。

　　3各种预加固措施效果分析

　　3.1提前泄水土体自然固结

　　⑴地表降水井

　　优点：操作灵活，工作面在地表不影响施工进度，成本低；缺点：由于自然全风化变质砂岩在扰动前结构非常致密，水平方向透水性比较差，施工降水井后抽1-2分钟井里就没水了，降水井直径较小，与周边接触面小，较差的水平方向透水性周围地下水往降水井补给慢，若采用真空负压装置抽水效果要稍微好一点，通过一段降水井施作的经验，效果不理想。

　　⑵洞内水平深孔降水

　　优点：工艺简单、与地层接触面较大，有利于周边地层孔隙水的汇集，降水效果较好，成本低；缺点：必须打到强风化层内（弱风化内基本不出水、全风化层内要塌孔），而本段隧道基岩起伏，强风化层比较薄，且厚薄不均，打的水平深孔有效长度短，钻孔施工频繁，钻孔机械占用工作面影响掘进进度。

　　3.2超前小导管注浆

　　优点：工法简单、操作灵活，通过环向加密@25cm纵向加密至2-3层，对拱部全风化层棚的作用较好，配合双液注浆预加固效果显著；缺点：存在加固长度短的缺陷，遇到全风化层中的风化球、地下水汇集形成的烂泥窝，小导管长度短容易失效形成流坍。

　　3.3拱部大管棚

　　优点：拱部大管棚一般环向间距40cm，对控制全风化层的沉降、防止大的塌方作用较好，对在地下水丰富、全风化层水化、崩解、掉块流坍情况的针对作用不大，若配合管棚间加设超前小导管注浆，则效果良好；缺点：⑴需要扩大洞室⑵占用工作面影响施工工期⑶成本高⑷周期长⑸管棚引孔的下垂问题（外插角过大引起间距不足不起作用、外插角过小导致管棚侵限，根据施工经验管棚长度控制在30m左右效果较好）；⑹开挖后管棚下方的全风化层全部崩解掉块，超挖非常大引起喷射量加大导致成本大大增加且浪费时间，若不加密超前小导管注浆，在水作用下掉块往管棚上方发展进而流塌。

　　3.4掌子面玻纤锚杆注浆加固

　　优点：掌子面玻纤锚杆注浆，适合黏聚力较好、孔隙率较大注浆扩散效果良好的土体。缺点：对于致密的全风化砂岩来说，自进式玻纤锚杆打不进去，必须先引孔再安装玻纤锚杆，玻纤锚杆安装后注浆基本不扩散，与周边结合效果差，达不到加固效果。

　　3.5洞内袖阀管WSS双重管无收缩注浆整体地层加固

　　优点：对松散土体的渗透、挤密加固效果良好，尤其是对地表沉降要求较高地段失水沉降后的补偿注浆效果显著，止水效果上佳，属于目前比较先进的工法；缺点：⑴全风化砂岩地层中渗透性不好，只能挤密加固排水，拱脚放炮对拱部扰动后，防水作用失效；⑵工序繁琐，止浆墙、钻孔、下管、套壳料加工安装、分段注浆；⑶工期长；⑷造价昂贵。

　　3.6洞内水平旋喷桩

　　优点：互相咬合的尤其是双层的、具有一定搭接长度的水平旋喷桩，对全风化层加固、隔水、防沉降效果非常好，工艺先进；缺点：⑴国内设备性能低、工艺水平低，加固距离短最佳桩长15m，超过20m效果差，水平旋喷难度大，旋喷时没有有效止浆措施，浆液流失后出现加固盲区，引孔方向高程控制不准造成相邻桩不咬合易出现盲区，开挖时盲区极易发生塌方；⑵工艺较复杂，占用开挖工作面，周期较长，影响工期；⑶造价昂贵。

　　3.7地表竖直旋喷桩地层加固

　　优点：对全风化层以及其他土质地层加固效果非常好，且不占用隧道开挖工作面，工艺先进，唯一的可大大加快施工进度的方法；缺点：⑴国内设备性能低、工艺水平低，成桩桩径小，埋深超过20m成桩效果不理想；⑵竖直旋喷桩数量大，成本极高；⑶钻孔、旋喷置换泥浆量大，对环境保护要求高。

　　4预加固措施选用

　　通过对几种预加固措施的优缺点、适宜性分析，结合本段隧道地质水文条件、地表环境等的研究，综合考虑效果、工期、成本、环境的要求，隧道不良地质及特殊要求地段选用的预加固方案如下：

　　1）对240m地表沉降要求较低的下穿莲花山公园人工湖段，采用长管棚或洞内水平深孔提前泄水、双层加密小导管注浆；

　　2）对80m地表存在茶舍段，地表沉降要求较高，不具备地表加固条件，采用双层超前小导管注浆+掌子面WSS双重管无收缩注浆；

　　3）对45m处于公园树林内的全风化槽段，具备地表加固条件，考虑到工期压力大，采用地表竖直旋喷桩+超前小导管注浆；

　　4）对21m下穿深圳地铁三号线左线Ⅳ级围岩段，采用φ159mm大管棚+超前小导管注浆+WSS双重管无收缩注浆；

　　5）对19m下穿深圳地铁三号线右线Ⅴ级围岩段，采用了φ159mm大管棚+φ600mm洞内拱顶双层水平旋喷桩+掌子面全风化部分φ600mm梅花形1.2m间距水平旋喷桩+超前小导管注浆+WSS双重管无收缩注浆。

　　5结语

　　该段隧道已完成500m，穿越了莲花山公园人工湖和地表茶舍段，下穿深圳地铁3号线方案已通过专家论证。施工过程大体上安全顺利，但也存在曲折，对全风化变质砂岩富水地层的认识不足，遇到长管棚加固区遇到竖直地下水通道发生流塌直至拱顶以上十多米，对前方地层超前探孔覆盖不全，在下穿人工湖段双层超前小导管加固遇到泥水窝引起掌子面失稳导致失效发生局部流坍，抢险封闭掌子面后注浆加固等情况。

　　参考文献：

　　[1]铁建设[2005]140号.新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定（TB10003—2005）.铁路隧道设计规范.

　　[2]王晓州.大断面隧道设计施工技术.北京：中国铁道出版社，2009-4-1.

　　[3]关宝树.隧道力学概论[M].成都：西南交通大学出版社，1993.