浅埋风积砂地层隧道设计研究

浅埋风积砂地层隧道设计研究

石鹏飞

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）

【摘要】风积砂地层围岩自稳能力差、自稳时间短，开挖后如果不立即进行支护极易发生坍塌事故，为达到降低施工风险、保证施工安全的目的，必须设计合理的预加固措施以及稳妥的施工开挖方法。本文以某浅埋穿越风积砂地层隧道为对象，研究并提出了以竖直旋喷桩地表加固和超前长管棚或双层超前小导管的超前预加固体系,配合明挖法或环形开挖预留核心土台阶法的施工开挖方法的设计方案。

【关键词】浅埋；风积砂；隧道；设计；研究

随着我国国务院2012年3月4日批复了关于东北振兴“十二五”规划，内蒙古自治区东北部及东北三省基础设施建设再掀热潮，铁路再次成为地方基建的重中之重。近年来，内蒙古东北部草原沙化严重，风积砂覆盖面积日渐扩大。风积砂具有结构松散、无黏性、黏聚力小甚至无黏聚力、抗剪强度低、透水性好、颗粒较细、含水率小、保水性差、毛细不发达等特点，此外，风积砂地层围岩自稳时间极短，开挖后如果不立即进行支护极易发生坍塌事故，作业风险高、难度大，必须采取合理的预加固措施配合稳妥的施工开挖方法才能保证隧道施工及运营安全。

1．工程概况

某隧道位于内蒙古自治区科尔沁右翼中旗杜尔基镇境内，隧址区属于丘陵区，地形起伏，地表广泛分布风积砂，植被覆盖率一般。隧道进口里程XSDK3+110，出口里程XSDK3+790，设计时速160km，为客货共线单线铁路隧道，全长680m，最大埋深约32m。隧道进口段XSDK3+110~XSDK3+240和出口段XSDK3+700~XSDK3+790VI级围岩段穿越全新统风积粉、细砂地层，埋深较浅。

2．工程地质特征

2.1地层岩性

分别选址XSDK3+104、XSDK3+220、XSDK3+720和XSDK3+800进行现场地质钻芯取样，发现隧道所处地层主要为第四系风积砂，下伏基岩燕山期花岗岩，岩性特征如下述：

第四系全新统

①粉砂（Q4eol4）：黄褐色，稍湿，松散，主要成分为石英长石，厚约8～10m，Ⅱ级普通土，σ0=60kPa；

②细砂（Q4eol4）:黄褐色，稍湿，中密，主要成分为石、英石，厚约13～17m，Ⅱ级普通土，σ0=270kPa。

燕山期

①花岗岩（γ5）：全风化：黄褐色，岩体风化呈土状，厚约1～13m，Ⅲ级硬土，σ0=200kPa；

②花岗岩（γ5）：强风化：青灰色、灰白色，杂色，中细粒结构，块状构造，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩质较硬，厚约2～5m，Ⅳ级软石，σ0=500kPa；

③花岗岩（γ5）：弱风化：青灰色、灰白色、杂色，中细粒结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩质较硬，Ⅴ级次坚石，σ0=1000kPa。

2.2不良地质

主要为风沙，隧道范围内第四系风积粉、细砂广泛分布，地表主要为固定、半固定沙地，植被覆盖率30～50%。区内年平均风速4.1m/s，主导风向北西向，最大风速31m/s，风向北北西向。

3．设计研究

当前，新奥法在我国山岭隧道和地下工程中已得到了广泛的应用，是利用围岩自身所具有的承载效能，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时支护，控制围岩变形和松弛，使围岩成为支护体系组成部分的原则和方法。但与一般地层不同的是，风积砂地层围岩自稳能力极差、自稳时间极短，开挖后如果不立即进行支护极易发生坍塌事故，现场施工组织时间紧、任务重、风险高、难度大。为达到降低施工风险、保证施工安全的目的，必须采取合理的预加固措施以及稳妥的施工开挖方法。隧道进、出口地势较缓，地层主要为颗粒细密、结构松散、毫无固结能力的风积砂，使用超前锚杆锚固以及与此原理相同的超前支护措施基本发挥不了作用，下面提出了以竖直旋喷桩地表加固和超前长管棚或双层超前小导管的多维超前预加固体系,配合明挖法或环形开挖预留核心土台阶法的设计方案。

3.1双重管法竖直旋喷桩地表预加固

隧道进口段XSDK3+110~+180段和出口段XSDK3+700~+790段位于全新统风积粉、细砂地层，自地表对该段采取双重管法竖直旋喷桩地表预加固方案：桩径0.6m，桩纵横向间距均为1.0m，梅花型布置，成桩范围为:①明挖段从开挖线处至进入强风化花岗岩1m或到基底高程，②暗挖段从拱顶以上3m处至隧道最大跨。加固宽度为隧道中线左右侧各9m，对称布置，桩头空钻部分待成桩后采用水泥砂浆封堵。

利用钻机钻孔，把带有喷嘴的注浆管插至土层预定位置，利用高压设备使浆液成为20MPa以上的高压射流，通过旋转和提升，进行自下而上喷射以破坏土体。部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体与桩间土共同构成复合土层，提高隧道周边围岩的自稳能力和承载效能，基本能够达到预防流砂、坍塌、掉拱、过量变形和基底下沉的目的，为下一步的隧道明暗挖施工打好基础。

3.2超前支护

（1）超前长管棚

隧道XSDK3+145~XSDK3+165和XSDK3+735~XSDK3+755VI级围岩段采用Φ108大管棚可以增加围岩抗剪强度，使管棚与围岩形成钢管棚架体系，形成孔系管棚以加固地层。长管棚施工应注意以下几点：

①倾角：管棚方向应与线路方向平行，考虑钻具下沉的影响，管棚倾角一般为1°~3°；

②为改善管棚受力情况，接头应错开，隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少须错开1m；

③管棚长度应根据地质、机械设备及施工条件确定，一般不大于20m，纵向两组管棚的搭接长度应符合设计要求并应不小于3m。

（2）超前小导管

通过竖直旋喷桩地表加固以及洞口段长管棚对隧道周边围岩进行较大程度的加固后，在已进洞一段距离时，对XSDK3+165~XSDK3+240和XSDK3+700~XSDK3+735VI级围岩段采用双层Φ42超前小导管注浆加固地层，小导管宜和钢架配合使用，从两榀钢架间穿过，长度分别为3m和4m的两种型式小导管共同作用，形成双层注浆效果，也已经可以达到预加固地层的目的。

3.3衬砌结构

隧道XSDK3+110~XSDK3+145和XSDK3+755~XSDK3+790VI级围岩段采用明洞衬砌XSDK3+145~XSDK3+240和XSDK3+700~XSDK3+755VI级围岩段采用VI级围岩复合式衬砌，衬砌断面采用三心圆带仰拱断面。初期支护采用C25喷射混凝土、Φ8钢筋网、工20a型钢钢架和锁脚锚管等组成体系，二次衬砌采用C35钢筋混凝土结构。在隧道进出口段连续设置3~4道沉降缝，间隔15~20m，以防止因基底承载力的差异引起衬砌不均匀沉降。

4．结论

本文以某浅埋穿越风积砂地层隧道为对象，结合风积砂结构松散、抗剪强度低、颗粒较细等特点，了解到风积砂地层围岩自稳能力差、自稳时间短，开挖后如果不立即进行支护极易发生坍塌事故，为达到降低施工风险、保证施工安全，研究并提出了采用竖直旋喷桩提升隧道周边地层围岩自稳能力和承载效能，采用超前长管棚或双层超前小导管确保施工开挖支护过程中不漏沙、滑沙，适宜的采用明挖法或环形开挖预留核心土台阶法确保施工安全的设计方案，为未来隧道的正式施工提供了有力保障。

参考文献：

[1]关宝树．隧道工程施工要点集（2版）．人民交通出版社,2011.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10003-2005铁路隧道设计规范.中国铁道出版社,2005.

[3]仇玉良.风积沙隧道设计与施工技术指南.人民交通出版社,2013.