穿越城区大跨浅埋兰新二线西宁隧道施工技术研究.pdf

·隧道／地下工程· 收稿日期：２０１４ １０ ２８ 基金项目：中铁五局（集团）有限公司科技项目（中铁五科合字 ［２０１０］０２ 号） 穿越城区大跨浅埋兰新二线西宁 隧道施工技术研究 杨晓春 刘德安 （中铁五局集团有限公司 长沙 ４１００７５） 摘 要 依托兰新第二双线西宁隧道工程，结合隧道工程地质和水文特征，开展高速铁路大跨度浅埋隧道通过市 区富水黄土、砂卵石、泥岩、石膏岩、芒硝等特殊地层施工关键技术研究。针对特殊湿陷性黄土，选取旋喷桩对其进 行加固，再采用三台阶七步法和优化双侧壁导坑法进行开挖。通过详细分析施工的技术参数和步骤，并结合现场 监控数据，保证了西宁隧道安全、快速施工，该技术对以后同类隧道施工具有借鉴意义。 关键词 大跨度浅埋隧道 黄土地层 旋喷桩 中图分类号 Ｕ４５５ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １００９ ４５３９ （２０１５）０２ ００３３ ０５ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｘｉｎｉｎｇ Ｓｈａｌｌｏｗ Ｂｕｒｉｅｄ Ｌａｒｇｅ Ｓｐａｎ Ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ Ｕｒｂａｎ Ａｒｅａ ｏｎ Ｌａｎｘｉｎ Ｓｅｃｏｎｄｌｉｎｅ Ｙａｎｇ Ｘｉａｏｃｈｕｎ，Ｌｉｕ Ｄｅ’ａｎ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｎｏ．５ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｘｉｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｎ ｓｅｃｏｎｄ Ｌａｎｘｉｎ ｒａｉｌｗａｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｕｎｎｅｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｅ ｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｃｏｎｄｕｃｔｓ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｌａｒｇｅ ｓｐａｎ ｒａｉｌｗａｙ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒｒｉｃｈ ｌｏｅｓｓ，ｓａｎｄ ａｎｄ ｇｒａｖｅｌ，ｃｌａｙ，ｇｙｐｓｕｍ ｒｏｃｋ，Ｇｌａｕｂｅｒ’ｓ ｓａｌｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｓｐｅｃｉａｌ ｓｔｒａｔｕｍ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｐｅ ｃｉａｌ ｃｏｌｌａｐｓｅｄ ｌｏｅｓｓ ｊｅｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｐｉｌｅｓ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｒｅｅ ｓｔｅｐｓ ａｎｄ ｓｅｖｅｎ ｓｔｅｐｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｓｉｄｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｆａｓｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｘｉｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ａｒｅ ｅｎｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌａｒｇｅ ｓｐａｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ；ｌｏｅｓｓ ｓｔｒａｔｕｍ；ｊｅｔ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｐｉｌｅ １ 引言 过去已建黄土隧道多为中、小断面隧道，施工 建设中也出现不少地面沉降过大、地面裂缝宽度 大、渗漏水、衬砌开裂等问题［１ －２］。浅层黄土一般为 Ｑ３ 和Ｑ４ 新黄土，竖向节理发育，土质松软，土壤颗 粒间粘接性差，空隙率较大，降雨后受雨水侵润，引 起自身土体湿陷收缩，同时空隙水下渗，软化隧道 围岩［３］。大断面浅埋隧道施工，开挖对土体扰动一 般易达地表，隧道施工变形大，易产生地表沉降槽 和地表裂缝，洞内塌方易形成地表的破裂面漏斗。 面对大断面、地质差、浅埋、沉降控制要求高、工期 紧等特点，如何在确保安全质量的前提下加快施工 进度，是摆在建设者面前的重大问题。目前国内外 对大跨度浅埋隧道施工技术有一定的研究。例如， 丁建隆［４］以实际施工中拟定的双侧壁导坑加拱部 跳挖法为基础，对开挖分步相同、开挖顺序不同的 三种施工工法进行了数值分析。庄丽［５］采用离心 试验手段研究浅埋大跨度土质隧道中软塑和硬可 塑２ 种粉质黏土的特性，从土体的无侧限抗压强度、 回弹量以及成拱能力等方面探讨土体的主要变形 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（２） ３３ ·隧道／地下工程· 特征，分析其对隧道施工稳定性的影响，进而提出 开挖和支护时应注意的问题。陈国强［６］介绍了某 高速公路类似隧道的施工对策，采用地表加固，管 棚和小导管超前支护施工相结合的施工方法。黄 龙湘［７］采用数值模拟对双侧壁导坑法、三台阶法施 工隧道围岩和支护系统变形及受力特点进行对比 分析，并结合现场施工应用情况，对比分析两种工 法的优缺点。上述研究主要针对大跨度浅埋隧道 施工技术，但对于高液塑限湿陷黄土地区大跨度浅 埋隧道施工技术的研究相对较小。本文依托兰新 第二双线西宁隧道工程，对高液塑限湿陷黄土地区 大跨度浅埋隧道施工技术进行总结和研究。 ２ 工程概况 兰新铁路第二双线西宁隧道位于青海省西宁 市，隧道起讫里程为ＤＫ１９２ ＋１２０ ～ＤＫ１９７ ＋８７０，全 长５ ７５０ ｍ，隧道进口段ＤＫ１９２ ＋１２０ ～ＤＫ１９３ ＋４９０ 段１ ３７０ ｍ 位于西宁市区，穿行于湟水河阶地地表 下，埋深约６ ～２５ ｍ，自ＤＫ１９３ ＋４９０ 左右进入北山 山体，为低中山，地形起伏大，相对高差可达１００ ｍ 以上，进出口段地面高程多在２ ２６０ ～２ ３００ ｍ 之间， 其上沟谷发育，有多条冲沟与线路大角度相交，切 割较深，坡面植被较稀疏。浅埋段地质主要为第四 系新统冲积砂质黄土、细圆砾土、粗圆砾土、卵石土 以及泥岩。冲积砂质黄土具有湿陷性，湿陷土层厚 度约５ ～１０ ｍ。该段位于湟水河阶地，地下水埋深 一般为２．８ ～２４．９ ｍ，水量较丰富，地下水具有侵蚀 性。该段地质条件差，全部由Ⅵ级围岩组成，从１＃、 ２＃竖井开挖揭示的地质情况来看，隧道上半断面处 于湿陷性黄土中，下半断面处于砂卵石层中，砂卵 石层厚度３ ～５ ｍ。仰拱处于泥岩中。 黄土的湿陷性是由于其成分和组成结构的原 因而具有的一种特殊属性。在天然含水率条件下， 一般具有较高的强度，且其压缩系数不大，但是在 覆盖土层的自重压力下，或者在覆盖土层和建筑物 的附加压力的共同作用下，一旦受水浸湿，土体结 构迅速破坏，承载力急剧降低，随之产生显著的附 加下沉，从而使建筑出现裂缝甚至破坏，黄土的这 种属性谓之湿陷性。浅埋段平面布置见图１。 图１ 浅埋段平面布置 ３ 地层加固措施 ３．１ 旋喷桩的布置 在土体含水率超过２０％以上地段采用地表旋 喷桩对土体进行改良加固。在隧道两侧开挖轮廓 线各设两排８０ ｃｍ 旋喷桩，内排桩中心设置在隧 道初期支护最大跨位置，桩纵向间距６０ ｃｍ，桩长自 拱顶以上５ ｍ 至黄土与卵石土分界线以下１ ｍ。为 防止上台阶钢架落底失稳，在上台阶钢架落脚位置 处增设一排８０ ｃｍ 的旋喷桩，桩纵向间距６０ ｃｍ， 桩长自拱顶以上５ ｍ 至黄土与卵石土分界线。隧 道开挖轮廓线以内其余范围的８０ ｃｍ 旋喷桩间 距加密至１．２ ｍ ×１．２ ｍ，梅花形布置，桩长自拱顶 以上５ ｍ 至黄土与卵石土分界线，地表旋喷桩布 置见图２。 图２ 地表旋喷桩布置 ３４ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（２） ·隧道／地下工程· ３．２ 旋喷桩施工参数的确定 为了确保质量，需根据钻孔时获得的孔位处 地层情况，对不同深度或不同土层采用不同的技 术参数，对硬土、深部土层和土粒大的卵砾石要延 长喷射时间，适当放慢提升速度和旋摆速度或提 高喷射压力和泵量。旋喷桩施工前进行试桩，根 据实际情况以确定预定的浆液配比、喷射压力、喷 浆量等技术参数。试桩数量不少于３ 根。以单位 时间喷射的浆量及喷射持续时间计算出浆量，计 算公式为： Ｑ ＝（Ｈ／ｖ）ｑ（１ ＋β） 式中，Ｑ 为浆量（ｍ３）；Ｈ为喷射长度（ｍ）；ｑ 为单位时 间喷浆量（ｍ３ ／ｍｉｎ）；β为损失系数，通常０．１ ～０．２； ｖ 为提升速度（ｍ／ｍｉｎ）。 根据试桩参数计算所需的喷浆量，以确定水泥 使用数量。详细技术参数见表１。 表１ 旋喷桩施工主要技术参数 参数 压缩空气 气压／ＭＰａ 气量／（ｍ３ ·ｍｉｎ －１ ） 水泥浆 压力／ＭＰａ 喷嘴直径／ｍｍ 流量／（Ｌ·ｍｉｎ －１ ） 水灰比 提升速度／ （ｃｍ·ｍｉｎ －１ ） 旋转速度／ （ｒ·ｍｉｎ －１ ） 数值０．５ ～０．７ ０．５ ～２．０ ≥２０ ２ ～３．２ ４０ ～７０ （１∶１）～（０．７∶１） ７ ～１４ １１ ～１４ ３．３ 旋喷桩加固效果评价 通过对旋喷桩加固前和加固后效果进行对比， 加固前土体成流塑状或崩落掉块严重，完全无自稳 能力；而加固后桩体明显，土体固结性较好，稳定性 强。表明采用旋喷桩对这种湿陷性黄土进行加固 取得了较好的效果。 ４ 隧道施工技术 西宁隧道浅埋段根据黄土含水率变化，对施工 工法进行相应的调整。在西宁隧道浅埋段各个掌 子面黄土取样，进行试验分析，黄土塑限（Ｗｐ ）为 １５％左右，液限（Ｗｌ ）为２０％左右。结合现场实际施 工情况，土体含水量在１５％以下，土体结构密室，强度 较高，自稳性较好。在地表无建筑物情况下采取三台 阶七步法开挖。土体含水量在１５％ ～２０％之间土体 基本能自稳，如一次性开挖面积过大，土体易小面积 坍塌，掉块。宜采取双侧壁导坑法开挖。三台阶七步 法与双侧壁法施工段落划分见表２。 表２ 三台阶七步法与双侧壁法施工段落 施工方法区段 三台阶七步法 ＤＫ１９２ ＋１２０ ～ＤＫ１９２ ＋５５４ ＤＫ１９２ ＋６９２ ～ＤＫ１９３ ＋２１１ ＤＫ１９３ ＋２８３ ～ＤＫ１９３ ＋４９０ 双侧壁法ＤＫ１９２ ＋５５４ ～ＤＫ１９２ ＋６９２ ＤＫ１９３ ＋２１１ ～ＤＫ１９３ ＋２８３ ４．１ 双侧壁导坑法的施工技术 土体含水量在１５％ ～２０％之间的浅埋黄土隧 道采用双侧壁导坑法施工（见图３），能较好地解决 大断面双线隧道开挖的安全性问题。在初期支护 施工过程中，先采用临时支护将初期支护牢牢地撑 住，待仰拱封闭成环后再进行临时支护拆除，以防 止开挖过程中初期支护发生突变而影响二衬的净 空。同时可以有效控制洞内初期支护的沉降及侧 向位移，避免因洞内沉降突变导致地表下沉而影响 地表建筑物的稳定。对于下穿人员居住密集的居 民区、对地表沉降要求较高的高速公路等尤为重要。 图３ 双侧壁法远景照片 西宁隧道浅埋段采用双侧壁导坑法施工，施工中 坚持“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量 测”，保证了结构安全，成功解决了西宁隧道浅埋黄土 隧道围岩稳定性要求、进洞安全性需求等难题。 图４ 为双侧壁导坑法地表沉降速率图。根据监 控量测地表下沉数据显示：地表下沉观测点在距离 上导坑施工５ ｍ 处开始预沉降，到二衬施工完毕１ 个月后趋于稳定，沉降量最大值为４００ ｍｍ 左右，通 过数据不难看出隧道中线位置沉降最大，越向两边 沉降越小，在开挖线外５ ｍ 几乎没有什么沉降。通 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（２） ３５ ·隧道／地下工程· 过数据可以得出这样的关系：地表沉降量约为洞内拱顶沉降量的２ 倍。 图４ 双侧壁导坑法地表沉降速率图 ４．２ 三台阶七步法施工技术 三台阶七步施工方法见图５。在采用三台阶七 步法施工时应注意：开挖及初期支护时上台阶和中 台阶错开距离３ ～５ ｍ，中、下台阶交错开挖错开距 离２ ～３ ｍ；仰拱施工距下台阶距离宜保持在１５ ｍ； 二次衬砌与仰拱距离不超过１０ ｍ，仰拱距掌子面距 离不超过３０ ｍ，二次衬砌距掌子面距离不超过 ５０ ｍ。该工法的关键在于核心土的预留，施工中必 须预留好核心土，防止掌子面土体的涌出。 根据土体含水率不同，适当调整施工工法，通 过对地表旋喷桩加固等措施，能够在确保施工安全 质量的条件下达到快速施工的效果，西宁隧道典型 含水率不同采用工法不同所达到的施工进度见 表２。 图５ 三台阶七步施工方法 表３ 西宁隧道典型含水率不同采用工法不同所达到的施工进度 施工段落地质情况地表加固采用工法施工进度（单口） ＤＫ１９２ ＋３４０ ～ＤＫ１９２ ＋５５４ 主要为砂质黄土、粗圆砾土，土体中夹杂芒硝， 平均含水率１９．９％ 无双侧壁导坑法 最快１５ ｍ 平均１２ ｍ ＤＫ１９２ ＋５５４ ～ＤＫ１９２ ＋６９２ 主要为砂质黄土、粗圆砾土，土体中夹杂芒硝， 平均含水率２５．９％ 旋喷桩加固三台阶七步开挖法 最快５０ ｍ 平均４０ ｍ ＤＫ１９３ ＋１００ ～ＤＫ１９３ ＋２８３ 主要为砂质黄土、粗圆砾土，土体呈流塑状态， 仰拱处为泥岩，平均含水率２８．６％ 旋喷桩加固双侧壁导坑法 最快１３ ｍ 平均１０ ｍ ＤＫ１９３ ＋２８３ ～ＤＫ１９３ ＋４９０ 主要为黏质黄土及卵石土，土质较纯，孔隙不 明显，硬塑。平均含水率１６．２％ 无三台阶七步开挖法 最快４５ ｍ 平均３５ ｍ 通过监控量测数据分析，在地表加固、超前支护 等措施保证的情况下，拱顶沉降基本控制在４０ ｃｍ 以 内，水平收敛基本控制在５ ｃｍ 以内，单日最大沉降 控制在３５ ｍｍ／ｄ，且最大沉降均出现在中台阶落底 施工过程中。 如图６ 所示，三台阶七步法施施工中在上台阶 施工后１ ～３ ｄ 变化较大，约５ ～１５ ｍｍ，之后减少， 但是仍然按照３ ～５ ｍｍ／ｄ 的速率下沉；在中台阶开 挖过程中，沉降速率较大，最大沉降速率６６ ｍｍ／ｄ， 平均沉降速率为２８ ｍｍ／ｄ，最大沉降量６６ ｍｍ，平均 下沉量５４ ｍｍ，仰拱开挖最大沉降速率１０ ｍｍ／ｄ，平 均沉降速率为６ ｍｍ／ｄ，最大沉降量３０ ｍｍ，平均下 沉量１８ ｍｍ，仰拱完成３ ｄ 后沉降速率急剧下降，沉 降速率几乎为１ ～３ ｍｍ／ｄ，沉降趋于稳定。通过长 ３６ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（２） ·隧道／地下工程· 时间的监控量测数据显示，拱顶沉降最大沉降量为 ４００ ｍｍ，所以建议施工过程中拱部范围预留沉降量 以４００ ｍｍ 为宜。 图６ ＤＫ１９３ ＋２６７．９ 沉降速率曲线图 ５ 结束语 西宁隧道具有大跨、浅埋、富水、湿陷性黄土 等特点，通过对其施工关键技术的研究，针对不同 地层采用不同的预加固改良措施，选用不同的施 工工法，从而实现了西宁隧道安全快速施工。通 过采取土体超前改良加固措施，根据改良效果选 择三台阶七步法或优化双侧壁导坑法施工，详细 拟定施工参数，优化施工步骤和技术要点，为富水 区可溶、膨胀岩防溶蚀、防坍塌安全、快速施工提 供了借鉴。 参考文献 ［１］ 王晓州．大断面黄土隧道建设技术［Ｍ］．北京：中国铁 道出版社，２００９． ［２］ 关宝树．隧道工程设计要点集［Ｍ］．北京：人民交通出 版社，２００３． ［３］ 张顶立，王梦恕，高军，等．复杂围岩条件下大跨隧道 修建技术研究［Ｊ］．岩石力与工程学报，２００３，２２（２）： ２９０ －２９６． ［４］ 丁建隆．浅埋大跨度隧道的合理施工工法［Ｊ］．中国铁 道科学，２００５，２６（４）：７７ －８１． ［５］ 庄丽，周顺华．浅埋层状大跨度土质隧道变形及稳定 性试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７（Ｚ２）： ３３６０ －３３６６． ［６］ 陈国强．软岩地区浅埋偏压大跨度隧道洞口施工技术 ［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００７，３（Ｚ２）：１４４８ －１４５０，１４６３． ［７］ 黄龙湘，杨元洪，贺威，等．浅埋大跨度隧道施工方法 的比选与应用［Ｊ］．公路工程，２０１１，３６（５）： 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ２５ －３２． （上接第２６ 页） ３ 支架现浇施工模式下平整度保障优化分析 ３．１ 桥面地基优化分析 在施工之前应该对桥面的基础状况进行充分 的了解，并在构建支架之前对桥面地基上影响平整 度的核心因素予以排除。其中排除重点在于高延 展性或者高形变的突起部分，以防止在后续紧压的 过程中产生不平整现象。 ３．２ 支架构建优化分析 为消除支架变形对现浇箱梁顶面平整度的影 响，先要进行支架的强度刚度和稳定性检验，然后 通过支架预压来消除支架变形，可以减少或者消除 支架变形对现浇箱梁顶面平整度的影响。 ３．３ 工艺优化分析 在整个施工工艺中，预应力张拉对现浇桥面 平整度有很大的影响，需对预应力张拉前的各项 准备工作进行检验，并对预应力张拉质量进行控 制。预应力张拉结束后，应在２４ｈ 内压浆，水泥浆 应严格控制水灰比、稠度、泌水率，在水泥浆中掺 入一定膨胀剂。为了验证箱梁压浆是否密实，孔 道是否饱满，需对混凝土试件进行试验，使其满足 设计要求。 ４ 结束语 桥面路面施工由于其地基的固定性而导致其 在施工工艺与施工质量保障方面有着独立的特 点。而现代交通的安全性与稳定性对路面平整度 的要求也日益增加。本文以常见的支架现浇施工 方式条件下的混凝土路面施工为主要研究对象， 对其影响因素进行分析，旨在找到影响其平整度 的关键要素，并在后续的施工过程中予以避免与 注意。根据本文的研究我们发现桥面平整度、支 架影响以及施工工艺的选择对后续路面平整度具 有一定的影响。在这样的前提下本文提出了对应 的优化对策与注意事项。希望通过本文的研究能 够为今后相关领域的施工提供必要的理论依据与 实践指导。 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（２） ３７