浅埋大跨度隧道下穿既有公路注浆加固施工技术研究

广东土木与建筑GUANGDONGARCHITECTURECIVILENGINEERINGVol.27No.2FEB2020浅埋大跨度隧道下穿既有公路注浆加固施工技术研究

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蒋永星1，，丁超震1

2、中铁隧道局集团有限公司隧道结构智能监控与维护重点实验室

（1、中铁隧道勘察设计研究院有限公司广州511458；

广州511458）

摘要：随着我国公路、铁路建设的不断发展，路网密度不断增加，出现了大量新建隧道工程下穿既有公路、铁路的情况。针

对国内某新建浅埋大跨度铁路隧道在全风化地层中下穿既有国道公路工程，采用双层大管棚超前支护结合帷幕注浆形成超前支护体系，对洞内软弱破碎岩土体进行挤密加固，防止洞内开挖涌水涌砂现象的发生，确保了洞内开挖安全，减少了既有公路路面不均匀沉降，确保了道路及行车安全，为今后同类工程提供参考。

关键词：浅埋；大跨度隧道；下穿公路；注浆加固中图分类号：U25文献标志码：A文章编号：1671-4563（2020）02-074-04

ResearchonGroutingReinforcementTechnologyforShallowBuriedLarge-spanTunnelsPassingThroughExistingHighways2

JiangYongxing1，，DingChaozhen1

（1、ChinaRailwayTunnelConsultantCo.，Ltd.Guangzhou511458，China；

2、KeyLaboratoryofIntelligentMonitoringandMaintenanceofTunnelStructure，CRTGGuangzhou511458，China）

Abstract：WiththecontinuousdevelopmentofChina’shighwayandrailwayconstruction，thedensityoftheroadnetworkcontinuestoin‐crease，andalargenumberofnewtunnelprojectshavepenetratedexistinghighwaysandrailways.Thisarticleisaimedatanewlybuiltshal‐low-buriedlong-spanrailwaytunnelinthecountryundertheweatheredstratumthroughtheexistingnationalhighwayproject.Thedouble-lay‐erlargepipeshedadvancedsupportcombinedwithcurtaingroutingisusedtoformanadvancedsupportsystemforweakandbrokenrockandsoilinthetunnel.Itpreventstheoccurrenceofgushingwaterandsandinthetunnelexcavation，ensurestheexcavationsafetyinthetun‐nel，reducestheunevensettlementoftheexistinghighwaypavement，ensuresroadandtrafficsafety，andprovidesareferenceforsimilarproj‐ectsinthefuture.

Keywords：shallow-buried；long-spantunnel；underpasshighway；groutingreinforcement

0引言

近年来，随着我国公路、铁路建设的不断发展，线网密度不断增加，由于早期设计考虑不周全、沿线经济快速发展等原因，不断出现铁路与公路或者是铁路与铁路线路立体交叉的情况，其中新建隧道工程下穿既有公路、铁路的情况不断出现，国内好多学者对此做了不少研究。李倩倩等人［1］对北京地区采用浅埋暗挖法施工的隧道下穿已有盾构隧道的变形特性进行了分析，得出盾构隧道结构呈柔性变形、纵向柔性更为明显，地层注浆加固显著减小了地表最大沉降值及地层损失度。文献［2-4］通过对单双线铁路隧道下穿公路和隧道下穿路堤的数值模拟分析，得出了路面和路堤的沉降规律和影响范围。文献［5，6］通过对新建隧道下穿既有高速公路及国道公路的施工技术研究，找到隧道下穿既有高速公路及国道公路施工的合理施工方法。来弘鹏等人［7］通过模型试验研究了浅埋大断面土质隧道下穿明长城施工安全控制技术，给出隧道下穿施工时确保明长城安全的地表沉降控制标

作者简介：蒋永星（1987-），男，硕士，工程师，主要从事隧道与

准。胡继实［8］利用有限元软件研究隧道的埋深、地层

条件、不同开挖进尺、施工沉降控制水平、公路变形缝等因素下，重庆某隧道下穿高速公路的公路受力变形规律，提出相应的公路沉降控制标准和控制措施。

以上研究大多关注新建隧道下穿施工时既有结构的沉降控制，针对浅埋大跨度隧道在全风化不良地层中下穿既有公路施工技术研究较少，本文针对浅埋大跨度隧道下穿工程，采用双层超前大管棚支护技术，针对掌子面前方的全风化不良地层，采用全断面帷幕注浆技术进行加固。在既有国道公路路面正常通车且车流量极大的情况下，采用双层大管棚超前支护结合帷幕注浆形成超前支护体系，对洞内软弱破碎岩土体进行挤密加固，防止洞内开挖涌水涌砂现象的发生，确保了洞内开挖安全，减少了既有公路路面不均匀沉降，确保了道路及行车安全，为今后同类工程提供参考。

1工程概况

地下工程的技术管理和科研工作。E-mail：770826619@qq.com

某铁路隧道全长4249.79m，最大埋深约87m，里

程DK36+485~+5段下穿既有某国道公路，线路与既有公路平面夹角约为43.1°，最小埋深约为7.8m，表层

74

2020年2月第27卷第2期蒋永星，等：浅埋大跨度隧道下穿既有公路注浆加固施工技术研究FEB2020Vol.27No.2土为第四系全新统残坡积Q4el+dl粉质粘土，基岩为震旦2.2参数设计系（Z）花岗片麻岩的风化层，洞身基本位于W4全风化合理的注浆设计能有效减少钻孔数量，方便现场施地层中，局部位于强风化层中，全风化多风化呈土状、工，提高注浆效果。该工程的注浆参数如表1所示。砂砾状，含少许碎块状，局部夹不均匀风化的弱风表1注浆参数

Tab.1GroutingParameter化片麻岩块，地下水为全风化孔隙水，弱发育，全风

化遇水易软化，丧失承载力，洞顶富水条件下易变序号参数名称参数值备注形、坍塌，甚至出现流砂等问题。某国道公路宽约1纵向加固段长20m不包含止浆墙38m，双向6车道，沥青混凝土路面，车流量较大。开挖掌子面及

2横向加固范围--铁路隧道下穿段公路为路堤形式，路堤高约6m。开挖轮廓线外5m

2

2.1

注浆设计方案

345

浆液扩散半径注浆速度注浆终压

10～110L/min1.5~2.0MPa

R=1.5~2.0m

--根据现场情况进行调整

--

6终孔间距不超过3.0m--整体设计

分段长度5~10m，隧道下穿既有公路段采取双层大管棚超前支

7注浆方式前进式分段注浆

根据地层实际情况调整护+全断面帷幕注浆加固技术，如图1、图2所示。

79个重点薄弱区域可补孔钻孔注浆孔双层超前大管棚长20m，采用壁厚5mm的f108无8

数量检查孔3个可根据现场情况进行调整缝钢管，环向间距400mm，拱部150°范围内共设置

43根管棚，由2m和3m的管节通过丝扣联结而成。注浆材料主要选用普通水泥－水玻璃双液浆（简管棚中心线在隧道开挖轮廊线内侧70~90cm处（未扩称C-S浆）进行注浆施工，由于个别部位岩性不均，双挖），呈框架式分布，设计外插角取3°，在第1层管棚液浆渗透性差，为避免造成路面隆起及后方拱架变形施工完成后，向前开挖5m后再做第2层管棚。全断过大，注浆过程中辅以普通硅酸盐水泥（简称C浆）进面帷幕注浆在掌子面开挖前采用20m超前周边预注行注浆。注浆材料配比如表2所示，具体可根据现场浆加固前方不良地质。在施工过程中加强超前地质情况适当调节。预报、洞内及地表监控量测工作，根据采集的数据成表2注浆材料配比Tab.2GroutingMaterialRatio果及时调整支护参数，保障施工安全。

隧道中线108#管棚序号1名称普通水泥单液浆配比参数水灰比W∶C=（0.8~1.2）∶1体积比--水玻璃浓度--1749.860075075010002普通水泥-水玻璃双液浆W∶C=（0.8~1.2）∶1C∶S=1∶（1~0.1）30~35Be'120o图1开孔布置

Fig.1OpeningLayout

3圈50001224234593501218038202圈1圈0圈0圈2圈3圈ABC开挖轮廓线管棚1圈开挖轮廓线7000AB1400020000C5m加固轮廓线1975超前预注浆量单孔注浆量估算：

Q1=pR2Hna（1+b）

式中：Q1为超前预注浆单孔注浆量（m3）；R为扩散半径（m）；H为注浆段长（m）；n为地层裂隙度或空隙率，取20%；a为浆液填充率，取0.8；b为浆液损失率，取0.05。

超前帷幕注浆孔单孔注浆量Q1=3.14×22×20×20%×0.8×（1+0.05）=42.2m3。实际注浆量根据现场地质情况适当调整。

单根管棚注浆量估算：

Q2=pRk2Lhx式中：Rk为浆液扩散半径，取0.6Lo，Lo为杆体中心间距；L为管棚长；h为孔隙率（%），一般破碎岩层取2.5%，断层破碎带取5%，特殊不良地层取10%~30%，本工程为特殊不良地层，h取10%。x为注浆饱满系数，取0.85。

2

单根管棚的注浆量Q2=3.14×（0.6×0.4）×20×10%×0.85=0.31m3。为加强管棚孔注浆效果，实际注浆量根据现场地质情况调整。

22242图2纵断面Fig.2ProfileView

2772218221832928500030003001327040161983122591227155975

2020年2月第27卷第2期广东土木与建筑FEB2020Vol.27No.2上放样出对应同一竖直面的点位并标记。钻孔定位时，先将钻机移至孔位下方，预先将钻臂升降至大致3钻孔注浆施工

角度位置，再采用罗盘、吊锤、卷尺精确定位。复核无

钻机采用ZSL-160D-C型履带潜孔钻机，钻具配误后方可开孔钻进。备硬质钻杆+专用加长导向钻具+f127mm冲击器；注3.2.2钻孔浆泵采用KBY双液注浆泵。注浆施工总体顺序为：在参数钻进的选择上主要控制以下2个方面：中、上台阶加固孔施工➝上部管棚钻孔注浆➝中下台⑴转速：转速过大易引起钻具在孔内摆动幅度阶加固孔施工➝下部管棚钻孔注浆。超前帷幕注浆大，使成孔孔径加大，环状间隙加大，加大偏斜量；另径向加固范围为开挖轮廓线外5.0m，每个循环纵向一方面，对孔壁的稳定性也不利，扰动大，易塌孔，成加固范围为20.0m，开挖15.0m，预留5.0m。孔困难。3.1超前帷幕注浆施工⑵压力：钻孔给进压力过大，虽进尺快，但在一

每循环注浆施工前的止浆墙采用喷射厚度不小定程度上会引起钻具弯曲，使给进压力作用线不在钻于1.5m的混凝土封闭掌子面。超前全断面帷幕注浆具轴线上，引起成孔偏斜量加大。钻进过程中要始终采用履带潜孔钻机钻孔，开孔直径f127mm。采用前注意钻杆角度的变化，并保证钻机位置不发生变化，进分段式注浆施工工艺，分段长度为5m，钻孔至分段每钻进5.0m要复核钻孔角度，确保钻孔质量。深度，下入f42小导管注浆，再钻一段，再注的交替方防止偏斜需注意事项：钻孔前钻机的固定要牢固；式进行施工。注浆施工工艺流程如图3所示，注浆顺钻孔过程中要注意扭拒大小、回转速度及风压大小等；序采取间隔跳孔的方式，按两序进行施做，实施约束钻孔过程中密切注意地层岩性变化，软弱土层尽快通型注浆模式，达到注浆堵水、加固不良地层的目的。过，避免高压风、钻具来回扰动造成塌孔；软硬交接处

慢速钻进，防止钻头阻力不均造成偏斜。

测量放线、标注钻孔位置3.2.3清孔

钻孔过程中，及时排渣，钻至设计孔深后，钻机就位固定采用高压风清孔，清孔次数为1次以上。

钻孔方向确定3.2.4钢管插入

钢管插入前要按预先设计对每个钻孔进钻孔至分段深度钻孔行配管和编号，保证同一断面上接头数不超过配置浆液安设孔口管第1分段长度注浆钢管总数的50％。组合钢管需考虑相邻管棚

的钢管接头至少错开1.0m以上。管头为加工

前进式注浆第2分段长度钻孔好的尖头花管，其余为实钢管，必要时在管棚配置浆液不好中部靠外也采用带2~3组孔的花管，对全孔分第2分段长度注浆压力、流量继续注浆段进行注浆。为防止管棚与钻孔间隙漏浆，管

好…尾缠若干麻丝，涂抹锚固剂。采用钻机逐根连

结束该钻孔注浆施工接顶至设计深度，如果遇到塌孔、顶进困难等情况，可用钻机直接旋转顶进至孔底。

不好整体注浆补孔注浆3.2.5注浆效果检查⑴注浆次序：原则上分三序进行钻注，钻

好一孔注一孔，注浆顺序原则上由低孔位向高空

结束位进行，全管一次性或分段注浆。

图3前进分段式注浆工艺流程

⑵孔口封闭：采用水囊式止浆塞封孔。

Fig.3FlowChartofForwardStageGrouting

在管棚内（加固孔在止浆墙内）放入止浆塞，用

注浆结束标准采用注浆量和注浆压力的双控标手动试压泵打入一定水量使止浆塞膨胀，达到孔口封准控制。在注浆过程中，当注浆压力达到设计终压，闭效果。并在设计终压稳定10min后，即可结束该孔注浆。当⑶注浆材料：浆液用水泥水玻璃双液浆，水灰比注浆压力缓慢上升时，可增大浆液浓度，调整双液浆（0.8~1）∶1，水泥浆∶水玻璃稀释液为1∶1。调整水玻的凝固速度，当单孔注浆量达到设计值要求时，则可璃浓度至初凝时间为20~40s。结束该孔注浆，并对相邻近孔位注浆参数进行调整。⑷注浆量：根据地层地质情况、孔隙率不同，单孔3.2大管棚注浆施工注浆量可根据周边环境变化情况合理调整。每循环总3.2.1钻机定位注浆量约占总加固岩土体体积的25%~35%。

先用经纬仪对管棚孔进行放样，用钢钉及红色喷⑸注浆终压：终孔压力为1.0~2.0MPa，浆液扩散漆标记，同时在掌子面后2.0~4.0m范围内临时支护半径不小于0.6倍管棚中心间距。76

2020年2月第27卷第2期蒋永星，等：浅埋大跨度隧道下穿既有公路注浆加固施工技术研究FEB2020Vol.27No.23.3选取里程路面沉降控制DIIK36+515断面的地表8个测点进行监测分析，对某一注浆加固循环进行分析。4月3日为某一注浆循环的开始时间，当时最大累计变形量为-15.9mm（监测点DIIK36+515-3），4月28日为该循环的结束时间，DIIK36+515-3公路地面造成一定程度的抬升，），最大累计变形量为从图4可以看出，最大抬升量为隧道内注浆加固对12.3mm（监测点28.2mm（监测点DIIK36+515-3）。综合加固方式减少了既有公路路面不均匀沉降，变形量在设计及规范要求的限值内，确保了路面结构安全和道路及行车安全。

监测点编号m20DIIK36+515-1DIIK36+515-3DIIK36+515-5DIIK36+515-7DIIK36+515-9m/量形变-1010-200-30-404月3日4月28日图4公路地表典型沉降断面对比曲线

Fig.4

Cross-sectionCurveofTypicalSettlement

ofHighwaySurface

4注浆效果检查

对注浆效果进行合理的评价是保证安全施工，确保注浆质量的关键［9］。评定方法主要有分析法、检查孔法、开挖取样法、变位推测法和物探法等［10］。该工程主要采用检查孔法和开挖取样法进行检查。4.1检查孔的数量宜为钻孔数量的检查孔检查

3%~5%，且不少于3个。在本次注浆试验结束后，在可能出现注浆薄弱的3个部位进行钻孔检查，钻孔过程观察填充和流水情况。成孔过程中无水流出，钻进过程中呈风沙状出渣顺利，渣土较干；成孔后有明显浆块，如图5所示，说明注浆达到了预期效果。

图5检查孔钻进

Fig.5InspectionHoleDrilling

4.2

开挖取样法有加固效果观察法、开挖取样法

注浆机理分析法和力学指标测试法。采用加固效果观察法，宏观评定注浆加固效果。如图6所示，可见多层大量浆脉填充，土体干燥稳定，开挖稳定，破裂挤密效果充分体现，且开挖过程中，掌子面自稳定性好，无任何坍塌，说明加固效果较好。

图6开挖面浆脉明显

Fig.6

ObviousVeinsoftheExcavationSurface

5

结语

有公路，⑴针对浅埋大跨度隧道在全风化地层中下穿既采用双层超前大管棚结合全断面帷幕注浆的加固方式，对洞内软弱破碎岩土体进行挤密加固，能够有效加固掌子面前方的不良地质，防止了洞内开挖涌水涌砂现象发生，保障隧道进一步顺利开挖，保证开挖安全。

成既有公路路面有一定程度的抬升，⑵双层超前大管棚和全断面帷幕注浆加固，但减少了既有公造路路面不均匀沉降，变形量在设计及规范要求的限值内，确保了路面结构安全和道路及行车安全。

大管棚和全断面帷幕注浆加固情况进行综合评定，⑶采用检查孔法和开挖加固效果观察法对超前加固效果良好。

参

考

文

献

1］李倩倩，张顶立，房倩，等.浅埋暗挖法下穿既有盾构隧道的变

形特性分析［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（S2）：3911-3918.2］朱正国，黄松，朱永全.铁路隧道下穿公路引起的路面沉降规

律和控制基准研究［J］.岩土力学，2012，33（2）：558-563+576.3］郭瑞，郑波，黎晨.隧道下穿松散高填土路堤的沉降规律及其

影响范围研究［J］.隧道建设（中英文），2019，39（4）：601-608.4］王伟.浅埋大断面黄土隧道下穿高速公路的地表沉降控

制研究［D］.北京：北京交通大学，2007.

5］王云.青城街隧道下穿既有高速公路施工控制技术研究

［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2017.

6］熊慧中，王平，吕鑫，等.超浅埋大跨度连拱隧道下穿国道

沉降控制研究［J］.公路工程，2014，39（6）：25-28+55.

7］来弘鹏，遆甲峰，张宏光，等.浅埋大断面土质隧道下穿明

长城施工安全控制技术研究［J］.现代隧道技术，2015，52（1）：190-196+202.

8］胡继实.铁路隧道下穿高速公路受力变形分析［D］.北

京：北京交通大学，2016.

9］张民庆，彭峰.地下工程注浆技术［M］.北京：地质出版社，

2008.

10］李沿宗，李治国，王全胜，等.钻爆法海底隧道软弱破碎地层注

浆加固堵水技术浅析［J］.现代隧道技术，2013，50（2）：26-33.

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