上白隧道粉细砂层围岩初期支护变形处理技术

摘要： 大西客运专线上白隧道洞身穿越黄土与砂层分界地层中。该砂层干燥、致密，砂粒之间无粘结性，开挖扰动后，易成流动状态，从而导致初期支护易发生较大变形、塌方等事故。经过对该特殊地质围岩的分析，提出了对上白隧道DK596+214～+199大变形段采用正向与反向水平旋喷桩交叉施工进行换拱处理技术，成功的解决了该类地质隧道变形处理难的问题，对同类地质灾害处理和施工具有一定的借鉴意义。

关键词： 粉细砂层；水平旋喷桩；咬合；换拱

中图分类号：U451+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）16-0117-03

1 工程概况

大西客运专线上白隧道为单洞双线隧道，全长1717m，最大开挖断面168.23m?，最大埋深126.22m。黄土台塬地貌，冲沟发育，地形起伏较大。隧道大部分洞身全断面或半断面穿越粉细砂层，该砂层干燥、致密，砂粒之间无粘结。隧道基本为Ⅴ级加强围岩，采用I25钢拱架、ф42锁脚锚管，超前支护采取环向间距10cm、纵向间距60cm密排小导管措施。该砂层开挖施工出现多次涌砂，涌砂方量几方到几十方不等。

工程特点如下：①施工进度缓慢，从隧道进、出口掘进施工已不能满足工期要求，又增设2座斜井。②该砂层受开挖扰动后易呈现流砂或涌砂状态，短时间内即形成堆积体，无封闭阻挡时间。③施工采取密排超前小导管，结合双液及改性水玻璃注浆处理方案。因砂层致密导致浆液无法有效扩散，砂层围岩固结范围小、强度不足，开挖支护后易产生较大的变形。

2 关键技术控制要点

①通过砂层地质开挖支护后的大变形判断地质灾害产生的机理，及初期支护的强度要求。②确保施工开挖支护的安全性，加大支护参数，防止塌方事故的发生。③针对砂层地段易变形，采取仰拱、二次衬砌紧跟掌子面措施。

3 初期支护变形情况

上白隧道砂层开挖过程中，进口全断面都为砂层，涌砂情况特别严重，五台阶法、插板施工、密排小导管、注水、注浆固结等方法根本起不到作用，掘进几十米后便停止施工。出口和斜井为半断面砂层，涌砂情况也时有发生，采取密排小导管注浆施工措施，堵砂固结效果不明显。从施工情况看，超前支护强度不足，初期支护易发生变形。上白隧道1号斜井和出口初期支护均发生过变形，出口变形较为典型，以此为例进行详细阐述。

上白隧道出口DK596+214～+199段为大变形段，大变形发生时隧道掌子面里程DK596+199，仰拱距掌子面21m，二衬距掌子面35.7m。本段在开挖过程中不断从小导管缝隙中漏砂（见图1）。最大一次涌砂量约10m?。初期支护施工后及时对漏砂部位进行注浆回填，由于砂层不断塌落，空洞位置不确定，注浆不能有效固结砂层、回填空洞。开挖过程中，初期支护背后砂层不断漏出，导致拱部上方砂层形成较大的空腔。拱部砂层整体移动，初期支护在较大荷载作用下，沉降明显，出现钢拱架扭曲变形，喷射混凝土开裂、剥落。经断面量测侵限最大处位于DK596+209处（见图2）。原25cm预留沉降被侵占后最大侵限尺寸还有

-59.5cm。地表多处出现开裂，局部塌陷成坑。

4 处理方案

变形处理原则：在确保人员及机械设备安全的情况下，对变形段初期支护进行换拱处理。换拱完成后，还需将仰拱、二次衬砌跟进至变形段，封闭成环、共同承载。

4.1 洞内反压回填 为防止变形进一步加剧导致隧道塌方事故的发生，大变形发生的第一时间，果断采取反压回填措施。从洞外弃碴场拉土运进洞内，挖掘机倒土将洞内反压回填至上台阶拱脚上0.5m处。立即加强初期支护监控量测，由正常的每日1次改成3次，并及时汇总。根据几天的量测数据分析，变形段初期支护反压回填后趋于稳定。

4.2 洞顶地表处理 洞内反压回填的同时，对地表的开裂和塌陷坑洞进行处理。为防止雨季地表水下渗，沿着地表裂缝采取人工开挖50cm宽、40cm深沟槽，沟槽周边设防水板并用粘土回填，机械夯实处理。在该范围内铺设彩条布，封闭地表。

对塌陷的坑洞先平整夯实，然后绑扎钢筋网，采用Φ20钢筋，网格尺寸30cm×40cm，网下设置砂袋。铺设3层钢筋网，每层都填土夯实。最后一层钢筋网顶部采用60cm厚粘土进行回填夯实。

4.3 跟进二衬及仰拱 反压回填完成时，先及时跟进1模二次衬砌，此后还有2幅仰拱和1模二次衬砌的施工，需在变形初期支护完成套内层支护的情况下进行。仰拱和二次衬砌里程均施工至DK596+214里程处。

4.4 水平旋喷桩施工 根据砂层的特点，如果对初期支护大变形部位采用普通管棚施工方法，对于未扰动的致密砂层注浆起不到有效固结作用。另外，经过其它隧道口施作管棚开挖砂层的经验来看，不仅管棚的抗弯强度不够，而且管棚管间隙不断涌砂。经多方考察和论证，采取水平旋喷桩施工。

水平旋喷桩施工方案确定后，还需考虑方案细节。变形部位是从掌子面向洞外15m的长度范围，如果从洞内未变形的部位向掌子面方向施作水平旋喷桩，要凿除初期支护喷射混凝土，存在很大的安全风险，又因钢架影响无法调整合适的旋喷桩角度，该方案不可行。通过分析确定，掌子面正向先施工一环水平旋喷桩，开挖支护后创建反向水平旋喷桩工作室，再从掌子面向洞外施工两环反向水平旋喷桩，逐步进行换拱的方案。

为确保正向水平旋喷桩的施工安全，施工前，先将DK596+214～+200段初期支护再套一层初期支护。内套I25钢拱架14榀，间距60cm，挂设ф8钢筋网片，焊接的Φ22纵向连接筋。所套钢拱架与变形的初期支护之间存在较大的空隙，考虑到喷射混凝土喷射的难度、钢拱架的承重能力以及后期钢拱架拆除方便，采取挂板喷射C25混凝土封闭支护，层间空隙采用密度小的蛭石混凝土泵送回填密实。钢拱架接到阶，并在阶设置临时仰拱，封闭成环。

4.4.1 正向水平旋喷桩施工 水平旋喷桩设备采用普通旋喷桩设备改装而成，钻头附近的钻杆上配有精密导向装置，配备大功率高压注浆设备，工作压力可达40MPa。在拱部开挖轮廓线110°范围内施工正向水平旋喷桩，水平旋喷桩设计桩长18m，桩径60cm，桩间距35cm，咬合25cm。其目的是使拱部在砂层围岩中形成60cm厚的水泥墙拱形帷幕，确保开挖安全。平整场地、调整高度，安置旋喷钻机工作平台。根据现场掌子面轮廓线各点实测高程，计算确定旋喷桩水平倾角。施钻时，利用钻杆端部固定的精密导向装置，通过无线接收器显示施钻数据，控制施钻角度。（见图3）

同时通过钻杆中心向钻头注水，以增大砂粒之间的粘结作用，暂时固结砂层使其不宜塌孔。钻到设计深度后，旋出钻头更换注浆钻头再旋进设计深度，从里往外匀速旋转进行高压旋喷注浆。正向水平旋喷桩完成后，采取人工开挖，每循环开挖1榀距离，架立I25钢拱架，间距60cm。由于旋喷桩入钻位置较低，初期支护DK596+199～+185施工钢拱架需逐榀太高，逐步加大开挖轮廓线，形成反向水平旋喷桩工作室，工作室半径扩大至7.75m。其中DK596+199～+190段，架立的钢拱架及旋喷桩都处于侵限位置，拱架支护都为临时支护。

4.4.2 第一环反向水平旋喷桩及换拱施工 反向水平旋喷桩工作室形成后，开始施工第一环反向水平旋喷桩。第一环反向水平旋喷桩入钻里程DK596+190，入钻半径7.50m。设计桩长15m，桩径60cm，桩间距30cm，咬合30cm。每根桩的入钻位置准确放样定位，但因超前密排小导管的缘故，要适当调整施钻位置。反向水平旋喷桩施工工艺与前面工艺相同，唯一不同的是因工作室空间有限，将6m长的钻杆换成3m长。

第一环反向水平旋喷桩施工完成后，对DK596+199～+190段进行换拱施工和凿除正向水平旋喷桩部分桩体。换拱从洞内向洞外倒退进行，采取破碎锤、人工风镐凿除方法。为减少对砂层的扰动，将上台阶每榀钢拱架分成5个单元，按照单元从左往右逐节进行更换，分部进行喷射混凝土封闭。换拱过程中，初期支护半径逐榀加大形成第二环反向水平旋喷桩工作室。上台阶初期支护换拱施工完成后，及时接阶钢拱架并安装临时仰拱，保证初期支护封闭成环。

4.4.3 第二环反向水平旋喷桩及换拱施工 第二环反向水平旋喷桩入钻里程DK596+199，入钻半径7.55m。设计桩长20m，桩径60cm，考虑桩长发散、入钻调整、施工误差等因素，为确保桩的咬合效果，桩间距定为25cm，咬合35cm。该环水平旋喷桩桩头已深入二次衬砌5.0m，与二次衬砌形成有效承载拱。

第二环反向水平旋喷桩完成后，对DK596+214～+199侵限段依旧从洞里向洞外进行换拱施工。按照顺序先拆除内套的一层初期支护，再拆除侵限的初期支护，逐榀进行换拱施工。换拱的方法与前面的施工方法相同，只是换拱过程中，原施工的密排超前小导管要分段进行割除。在钢拱架与旋喷桩水泥墙拱形帷幕之间，全部用喷射混凝土回填密实。

4.5 仰拱、二衬跟进施工，恢复掌子面掘进 侵限部位换拱完成后，不能立即恢复掌子面掘进，还要跟进仰拱和二衬。仰拱每次开挖2榀并及时封闭成环。仰拱混凝土每次浇筑长度不超过4m，逐步跟进至DK596+195处。二衬主筋由设计的Φ22钢筋换成Φ25钢筋，跟进至DK596+200处。完成仰拱和二衬的跟进后，恢复掌子面掘进施工。

上白隧洞出口从发生变形开始到掌子面恢复掘进，历时近8个月。

5 施工总结

①对致密干粉细砂围岩，超前小导管、超前大管棚已不适用，采用水平旋喷桩超前施工能有效解决涌砂问题，并确保施工安全。②水平旋喷桩适用于围岩特别差的隧道初期支护的变形及塌方处理。③水平旋喷桩费用较高，施工进度缓慢。

参考文献：

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