厦门翔安海底隧道浅埋段软弱围岩加固施工技术研究.doc

厦门翔安海底隧道浅埋段软弱围岩加固施工技术研究

【摘　要】针对厦门翔安海底隧道浅埋段，地层软弱、易膨胀、稳定性差、施工难度很大的实际情况。分析影响围岩稳定的主要因素，找出工程容易坍塌、难于维护的关键原因，介绍了获得成功的加固方案和施工方法、讨论了加固机理，为类似工程施工提供经验。

【关键词】海底隧道 软弱围岩 管棚 注浆加固 高压旋喷

The Stabilization Techniques and Construction Method in the Shallow-beded and Weak Surrounding Rock Section of Xiamen Xiang’an Sub-sea Tunnel

【Abstract】: The cause for the collapse of the tunnel in shallow-beded section are analysised combined with the author’s site experience. The construction method and techniques for the section of shallow beded and weak surrounding rock of Xiamen Xiang’an Sub-sea Tunnel are introduced to provide experience for the similar engineerings.
【Key Words】: sub-sea tunnel, weak surrounding rock, shed-pipe, grouting stabilization, jet grounting method

1. 工程概况

厦门海底隧道属国内首建海底隧道，它连接厦门岛五通和对岸翔安西滨，将作为厦门本岛第三条进出岛通道，兼具公路和城市道路双重功能。隧道全长8.695km，其中海底段长约5.95km，设双向六车道，采用三孔隧道形式穿越海域，两侧为行车隧道，中间为服务隧道。隧道沿线设通风竖井两处，行车横洞5处，行人横洞12处，翔安西滨侧设收费、服务、管理区。采用钻爆法施工，是中国大陆地区第一座大断面海底隧道。工程概算约31.97亿，预计工期4年，已于2005年4月30日动工修建[1]。

2. 水文地质条件及问题的提出

翔安端洞口附近场区分布耕地和村庄，为剥蚀残丘地貌，地面高程3.7～10.2m,表层为厚度0～7m的残积粘土、亚粘土，其下为厚度超过40m的全强风化花岗岩。地下水分为松散岩类孔隙水，风化基岩孔隙、裂隙水，地层总体上富水性弱，渗透性较差，为弱或微含水层，渗透系数为0.06m/d～0.094m/d[2]。翔安端洞口位于Ⅴ级围岩地段，最小埋深约6m，属于浅埋地段，覆盖层为残积粘土、亚粘土，风化严重，围岩破损软弱，稳定性差，开挖后易导致滑坡、坍塌。在这样的浅埋全强风化岩及浅层软土地层中进行施工，极易引起隧道坍塌，其主要原因为：
（1）浅埋段很难形成塌落拱
地层沉降变形与隧道埋深密切相关。隧道开挖产生塑性变形后，松动区逐渐向外扩散，深埋地层扩大到一定的距离则会形成稳定的塌落拱，开挖引起的下沉局限在隧道的周边。而浅埋地层由于深度有限，围岩松散，坍落体将会波及到地面，地层无法形成承载拱，直接影响到地面设施安全和地层稳定。
（2）地质原因造成隧道坍方
软弱围岩地层岩体松散、岩层层间接合较差，开挖后易形成沿片理、层理间的滑坍，在伴有地下水的情况下，岩层软化成泥状，将沿开挖后的掌子面挤出而造成坍方。
（3）施工方法不当造成坍方
支护强度不够、喷层厚度减薄、拱架间距增大、锚杆数量不足，不到设计要求。选用的施工方法和地质条件不相适应，如软弱围岩中不采用分部开挖工法而采用全断面爆破开挖，爆破震动了松散岩体；施做支护或永久衬砌不及时，使围岩暴露时间过长，支护变形超过允许范围而形成坍方。施工管理不善，各工序衔接不紧，下坡隧道掌子面容易积水，造成围岩软化，造成坍方。
3. 洞口长管棚超前预加固
翔安端洞口位于Ⅴ级围岩地段，埋深浅，覆盖层风化严重，稳定性差，一般施工方法难以安全进洞。而长管棚超前支护刚度大，可承受土体的垂直和侧向压力，长管棚超前预支护具有棚架、锚固、固结地层的三种功能，它将部分荷载有效地吸收和传递到已封闭的支护结构上。管棚类似于放在弹塑性地层上的具有一定柔性的地基梁，在软弱松散不良地质地带，通过长管棚注浆补充固结土体，增强隧道上方土体的稳定性，隔断拱顶地层位移向地面传递，使地面沉降分布较为均匀，有利于控制地面的最大沉降值，提高地层的刚度和承载能力，保证隧道进洞安全，是一种效果明显的超前支护措施。根据本隧道特点，洞口浅埋段采用40m长管棚超前支护、CRD工法开挖。

3.1长管棚设计

图1 主隧道洞口长管棚布置
Fig.1 Layout of long shed-pipe at main tunnel entrance

主隧道的管棚设置53根钢管，长40m，沿开挖轮廓线布置；采用热轧无缝钢管Φ108×6mm,节长3m、6m；环向间距40cm；仰角1.5°(不包括线路纵坡)；方向与线路中线平行；钢管径向施工误差≤10cm，隧道纵向同一横断面内的接头数≤50%，相邻钢管接头必须错开1m以上。

3.2施工工艺
（1）工作台架：用工字钢、木板搭设施工作业平台，按设计方向和角度架设长管棚导向架并固定。按隧道中线控制测量高程，计算每个管棚管位置坐标，用红油漆在墙上标注，用经纬仪测量方向，指导钻机摆放就位、对孔。
（2）导向管安设：在工作面钻Φ130孔，埋入长2m、Φ127钢管，作为导向管。检查导向管的角度无误后将导向管与钢支撑焊接，用C20喷射砼将导向管与导向架及围岩构成一个整体。导向管的安设必须牢固，并注意在喷射砼前将导向管口封堵保护。喷砼厚度不小于20cm，同时也作为长管棚注浆止浆墙。
（3）钻机定位：移动钻机至钻孔部位，调整钻孔高度，将钻头放入导向管中，使导向管、钻机固定钻杆的钻轴和钻杆在一条直线上，随时监控钻进的角度和方向。
（4） 钻孔：经测试钻杆方向和角度满足设计要求后方可开钻。钻进过程中要始终注意钻杆角度的变化，并保证钻机不移位。每钻进5m要复核钻孔的角度是否正确，以确保钻孔方向。
（5） 下管：下管前要预先按设计对每个钻孔的管子进行配管和编号，以保证相邻两根管棚的接头不在同一断面上，地质条件差时，下管要及时、快速，以保证在钻孔稳定时将管子送到孔底。
（6） 注浆：注浆的主要目的是填充管棚，增加管棚的刚度，同时，通过管壁的孔眼使浆液渗入到管棚一定范围加固地层,注浆前先对管口外侧进行密封处理。
（7）浆液采用水泥砂浆。水泥砂浆配合比：水泥：砂：水=1:1:0.5。

4. 地表高压旋喷桩加固

高压旋喷桩是一种最早由日本人发明、利用高压水力喷射切割机理，将土、化学药品或水泥浆液搅拌在一起加固地基的一种方法[4]。
在粘土地层、全、强风化带、断层带高压旋喷桩注浆，其作用机理主要表现为裂隙填充和劈裂。通过地层注浆，达到岩体固结的目的。高压旋喷桩注浆范围包括隧道开挖土体及周围土体。隧道上部土体加固使土体整体性加强，增强了覆盖层土体抗剪切破坏的能力。地表旋喷注浆加固土体断面范围如图2。

图2 隧道地表加固范围
Fig.2 The area of the jet grouting stabilization

4.1 施工参数
根据类似的地质条件，借鉴类似施工经验，选取表1施工参数，根据加固效果进行调整以确定最佳参数。
表1 施工参数表
Table1 The construction parameters
水泥用量kg/m
水压MPa
水量L/min
气压
MPa
气量m3/min
浆压
MPa
浆量L/min
水灰
比
提速cm/min
转速r/min
>900
36-41
75
0.7-0.9
1.9
0.6-0.9
80
0.8:1
6
7

4.2 施工工艺
（1）定位放线，误差小于5cm，准确测量孔口地面高程。
（2）钻孔，采用GP～4型钻机钻进，泥浆护壁，钻孔垂直度偏差控制在0.5%范围内。
（3）下喷射管，将高喷台车移至孔口，先进行地面试喷以调整喷射压力，为防止水嘴和气嘴堵塞，下管前可用胶布包扎，下喷射管至设计喷射深度。
（4）喷浆及提升，喷射管下至设计深度，开始送入符合要求的水、气、浆，待浆液冒出孔口后，即按设计的提升速度、旋转速度，自下而上开始喷射、旋转、提升，直到设计的终喷高度停喷，并提出喷射管。
（5）喷射注浆孔回灌及设备清洗，注浆结束后，应利用水泥浆进行回灌，直到孔内浆液面不下沉为止；喷射结束后及时将设备、管道冲洗干净，以防堵塞。

5. 地表注浆加固

地表注浆应用在地质水文条件复杂、埋深浅、节理发育、地下水丰富或存在偏压的情况，主要适用于无粘性砂及砂卵石、亚粘土地层。地表注浆加固围岩同时也起到堵水作用、改善隧道成洞条件、降低地表下沉、减轻偏压和地下水对开挖的影响。目前常选用的注浆材料有单液水泥浆、水泥—水玻璃双液浆。
注浆加固主要表现为三种作用：(1)渗透作用：指在压力作用下浆液充填土中的孔隙，挤排出孔隙自由水，而基本上不改变原状土的结构和体积，所用注浆压力相对较小；(2)渗透和挤密作用：浆脉周围土体被渗透和挤密，从而增加土体的密实度和强度，减小渗透系数，这是一种综合效果；(3)劈裂作用：指压力作用下浆液克服地层的初始应力和抗拉强度而引起土体结构破坏和扰动，沿垂直于小主应力平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙扩大、浆液的可注性增强、扩散距离增大。
5.1 地表钻孔注浆设计
翔安隧道对部分浅埋地段进行地表注浆，注浆压力采用0.3～0.5MPa，经计算浆液扩散半径为60cm，沿隧道轴线注浆长度为80m，沿隧道的横断面的加固范围为21.4m；钻孔采用梅花型布置，横向孔距100cm，纵向孔距100cm。
注浆材料采用水泥—水玻璃双浆液，水泥浆的水灰比为0.8：1，水泥浆和水玻璃浆的比例为1：0.8。水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，水玻璃模数M＝2.7，原液浓度为40Be′。
5.2施工要点
（1）注浆管加工，管上钻Φ8mm间距30cm梅花形出浆孔。
（2）布孔方式，采用1.0m×1.0m梅花形布置。
（3）钻孔，采用地质钻机引孔，孔径为90mm，然后下φ42×3.5mm×26.0～31.0m的TSS型注浆管（图3），按照2×2m梅花形间隔作业，以免串浆，1序孔深26m，2序孔深31m。
（4）封孔，采用柔性材料封孔，1序孔在地表以下13m深处布设封孔材料，2序孔在地表以下19m深处布设封孔材料，封孔材料以上注双液浆，双液浆凝固后封孔结束。该方法简单、实用、可操作性强。

图3 注浆管构造示意图
Fig3. The layout of injecting pipe structure
（5）压水试验
检查机械运行情况、各管路密封情况和进浆管的进浆情况，试验压力一般不低于1.2～1.6倍注浆终压。
（6）注浆
压水试验结束后，开始注浆，先注入一定量的稀浆后再逐步增加浆液浓度，根据围岩类型通过试验确定浆液最佳配合比。
5.3注浆结束标准
注浆结束标准考虑以下两个因素：一是注浆压力是否达到设计终压，二是注浆量是否达到设计量，二者满足其一，就认为注浆达到设计要求，可以结束注浆[6]。

6. 洞内超前小导管注浆加固
6.1作用原理
超前小导管是稳定开挖工作面的一种辅助施工方法。在软弱地质条件下，通过超前小导管对围岩进行注浆，使地层得到固结和挤密，不仅能提高围岩整体强度、阻止地下水的流入、达到防水作用，而且起到超前支护的作用，防止洞室坍塌，减小地表沉降。
6.2注浆设计
厦门东通道海底隧道在洞口浅埋段采用超前小导管预支护时，小导管沿开挖轮廓线周边布设。小导管为Ф42钢花管，长3.5m，环向间距0.4m，外插角30°,度每循环加固3m，开挖2m。断面布置如图4。

图4 小导管超前预注浆示意图
Fig.4 The ductile pre-grouting
6.3施工工艺
（1） 小导管制作：注浆管采用φ42焊接钢管加工，长度3.5m，顶端焊成尖锥状，在前端2.0m范围内每间隔0.2m，错开钻设φ6溢浆孔，距末端0.2焊接一圈φ6钢筋，以利套管顶进，管尾0.1m车丝，和φ42球阀连接，见图5所示。

图5 注浆管加工图(单位：cm)
Fig.5 The machining of the grouting pipe

（2）小导管安设：根据注浆设计图孔口位置在现场用红油漆标出注浆孔孔位，然后采用风钻钻孔，钻深3m后停止钻进。在注浆管中部（未开孔段）缠绕棉纱，长度20～30cm，并用风钻将其顶进钻好的注浆孔内。
（3） 注浆施工：注浆管安设完成后，注浆机具设备就位，连接注浆管路注浆，注浆材料采用单液水泥浆或水泥水玻璃双液浆。单孔注浆结束标准遵循注浆设计的要求，一个注浆孔完成后，按照注浆设计要求的注浆顺序进行下一注浆孔的注浆，直到完成全部注浆孔注浆。做好注浆记录，分析注浆效果。

7. 结束语

厦门翔安隧道洞口浅埋段采用长管棚超前支护并注浆形成的加固圈起到了“承载拱”的作用，洞口仰坡变形和地面沉降处于稳定状态，管棚超前支护措施为安全进洞发挥了良好的作用，使得隧道顺利进洞。通过地表高压旋喷、地表注浆加固、洞内超前小导管加固，改善围岩物理力学性能，缩小开挖变形产生的松驰区范围，减小围岩对初期支护的压力，有效的提高围岩的自稳时间和承载能力，施工进度由原来的月进尺20米左右提高到近70米，取得了理想的技术、经济效果。

【参考文献】

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[2] 郭衍敬，张明聚，张斌. 海底隧道穿越风化深槽施工方案[J]. 北京工业大学学报，2006，32（6）：520～525（GUO Yan-jing ZHANG Ming-ju ZHANG Bin. A construction solution to tunneling through the deep weathered rock trough of sub-sea tunnels[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2006，32（6）：（520～525)
[3] 李刚等，高喷法[M]．北京：中国水利水电出版社 2006。(Li Gang and others, the construction methods of high pressure revolving spray stakes [M]．Beijing：China water conservancy and electricity publishing house 2006)
[4] 张红云，高压旋喷桩在湿陷性黄土地基加固中的应用[J]．铁道建筑技术，2006，5(76-78) (Zhang Hongyun, the applications of the high pressure revolving spray stakes in the wet-sink ocher groundwork [J]．China railway construction technology, 2006, 5 (76-78 ) )
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[6] 甘国权等，深搅法[M]．北京：中国水利水电出版社 2006。(Gan Guoquan and others, the construction methods of high pressure revolving spray stakes [M]．Beijing：China water conservancy and electricity publishing house 2006)

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