锁脚钢管桩在雅万高铁2号隧道的应用

锁脚钢管桩在雅万高铁 2号隧道的应用

庞磊磊

中电建铁路建设投资集团有限公司 北京 100070

摘 要：雅万高铁2号隧道采用钢管混凝土桩，用于锁定洞内未成环的初期支护，抵制膨胀土围岩隧道大变形，对钢管桩施工及牛腿制作焊接工法进行详细介绍，可供同类型山岭隧道施工借鉴。

关键词：锁脚 钢管桩 雅万高铁 隧道应用

前言

膨胀土由于其吸水膨胀失水收缩特性，给岩土工程施工带来危害，特别是隧道工程，在干湿循环环境作用下，施工中出现拱顶沉降、边墙收敛、仰拱起鼓，甚至造成施工中坍塌事故、运营期衬砌开裂病害。工程技术、科技研发人员从胀缩原理、支护结构改善等方面进行了广泛而深入的研究。

对于浅埋、偏压、膨胀性围岩隧道在支护刚度满足，因胀缩蠕变拱架锁脚失效，造成隧道拱顶下沉、失稳、坍塌，如何利用钢管混凝土桩提高拱架锁脚刚度与质量，确保施工安全与进度，缺乏理论研究及实践验证。本文结合雅万高铁项目2号隧道出口大变形治理实例，介绍钢管混凝土桩在克服膨胀土围岩沉降大变形的成功应用，供同类型地质围岩隧道借鉴。

1、工程概况

雅万高铁2号隧道位于普旺加达南侧，丘陵区。隧道进口里程DK74+010，出口里程DK75+062，全长1052m，为单洞双线隧道，隧道内线间距为5.0m。洞身最大埋深约53.6m。隧址区分布的地层从新至老有第四系更新统火山堆积层（Qos）黏土、粗圆砾土；第三系中新统subang组（Msc）泥岩、砂岩；第三系中新统Jatiluhur组（Mdm）泥岩。岩层产状33°∠20°。隧道进出口处火山堆积层含水量高，孔隙比大，扰动后强度较低，土石交界处容易产生塌方。隧址区黏性土具弱膨胀性；隧址区泥岩具中等膨胀性，自由膨胀率68～80%。隧道洞身存在孔隙水及基岩裂隙水。正常涌水量382m³/d，最大涌水量905 m³/d。

2号隧道出口2019年5月24日开始施工，截止2021年5月15日，上台阶施工至DK74+711，累计掘进349.4m，平均月进度不足15m/月。与斜井DK74+501贯通剩余210m，按照EOT工期2021年8月20日贯通，斜井大里程、出口两个作业面计算进度工效不得低于36m/月，工期压力大。

2、施工存在问题

2.1拱顶沉降多次预警

2 号隧道出口大变形，地表开裂形成渗水通道，加剧膨胀土劣化，掌子面单日沉降量多次预警，详见表1。

表1 2号隧道出口险情统计一览表

2.2 DK74+732～DK74+709 段持续大变形

隧道出口DK74+732～DK74+709 段施工过程中上台阶钢架被挤压变形，大管棚工作室在连接板处被挤裂，监控量测显示拱顶累计沉降最大1441mm，地表沉降最大 800mm。二衬施工安全步距超标，继续开挖施工存在严重安全隐患，需对该段大变形进行换拱处理，保障仰拱、二衬与开挖面安全步距。详见图2-1，2号隧道出口DK74+721累计沉降数据折线统计图。

图2-1 2号隧道出口DK74+721累计沉降数据折线统计图

2.3危及既有铁路运营安全

2号隧道出口DK74+650～DK74+719段隧道上方地表高边坡侧，开挖轮廓线外约40m为既有运营铁路，该段运营铁路位于陡坡上。在DK74+680处隧道左侧开挖轮廓线距既有铁路坡脚仅约8m，同时该处洞顶上方为天然“V”字形冲沟，常年流水，沟口宽4m，沟深6～8m，沟底至隧顶仅15m，隧道施工至此，存在掌子面渗水、洞内沉降变形引起地表开裂滑移的风险，进而威胁既有铁路运营安全^[1]。

3、锁脚钢管桩方案简介

鉴于Ⅵb级围岩复合式衬砌锁脚φ89钢管因空间限制，锁脚钢管无法及时施作，只能以Φ42锁脚锚杆临时锁定，在掌子面推进一定距离后方能补打锁脚，在一定时间内存在锁脚强度不足，引发拱架下沉现状，决定采用锁脚钢管桩方案^[2]。

DK74+650～DK74+731段，在开挖轮廓线外左右侧各设置一排φ800mm@1.8m钻孔钢管混凝土桩，钢管桩采用壁厚φ609×12mm的无缝钢管制作，用于锁定洞内未成环的初期支护，钢管桩桩底设置在隧道仰拱底部以下5m， 钢管桩桩内回填C30微膨胀混凝土，桩中心线分别距离隧道中线8.4m；桩长35～43.5m；桩顶设置0.6m（高）×0.8m（宽）冠梁，冠梁顶与地面齐平。钢管桩方案设计如图3-1初支与钢管连接示意图、3-2Ⅰ型牛腿结构示意图、3-3Ⅱ型牛腿结构示意图所示。

3-1 初支与钢管连接示意图3-2 Ⅰ型牛腿结构示意图（单位：cm）

3-3 Ⅱ型牛腿结构示意图（单位：cm）

Φ800mm钢管桩采用先钻孔后下钢管再灌注混凝土的方式施工，钢管和孔壁之间填充密实。牛腿纵梁用双拼I25工字钢制作；牛腿分Ⅰ型和Ⅱ型两种，其中与外层初支和牛腿纵梁连接的采用Ⅰ型，与内层初支和牛腿纵梁连接的采用Ⅱ型。

4、钢管桩牛腿结构检算

针对雅万高铁2号隧道DK74+650～DK74+731穿越膨胀性泥岩段，采用有限差分软件FLAC^3D进行平面计算，该段隧道上覆岩层为粉质粘土和全风化泥岩，隧道埋深约为20.8～26.2m，以断面DK74+650为计算断面建立平面计算模型，对其所采用的钢管桩牛腿结构的刚度及强度进行检算，对其安全性作出合理评价^[3]。DK74+650横断面如图4-1所示。

图4-1 DK74+650断面隧道横断面图

4.1 模型概况

本次平面数值计算采用FLAC^3D有限差分软件，根据圣维南原理、2号隧道DK74+650的断面及埋深情况，本次三维数值计算模型的尺寸为：0m≤X≤130m，0m≤Y≤0.2m，0m≤Z≤117m，隧道埋深26.2m，模型共计单元数（Element）7520，节点数（Node）10885，单元为八节点六面体单元，边界条件为位移约束，模型左右两侧施加X方向约束，前后边界施加Y方向约束，底面施加Z方向约束，上边界为自由边界，初始应力场仅考虑自重应力，计算模型如图4-2所示，隧道开挖采用三台阶临时仰拱法，隧道开挖细观图如图4-3所示。

图4-2 FLAC^3D计算平面模型图图4-3隧道开挖细观图

4.2 膨胀力确定

雅万高铁2号隧道膨胀性泥岩自由膨胀率为68～80%，基于《铁路隧道设计规范》，采用围岩降级的方法计算围岩松动压力。2号隧道围岩等级为Ⅴ级，故膨胀压力计算过程如下。

式中：B为隧道宽度；ω为宽度影响系数；i为隧道宽度每增减1m时的围岩压力增减率，按规范取值；γ为围岩重度；s为围岩级别。

由上式计算所得到的膨胀压力小于432.5kPa，结合雅万高铁2号隧道的实际地质情况，确定隧道围岩径向膨胀压力最大为300kPa，在计算中施加在初期支护上，作用示意图如图4-4所示。

图4-4 围岩径向膨胀压力作用示意图

4.3 物理力学参数

数值计算中岩土体及支护结构均采用实体单元模拟，本构模型为摩尔--库伦弹塑性模型，采用莫尔-库伦本构模型。在进行初期支护的参数选取时，将钢架支撑的作用采用等效刚度原则折算到喷射混凝土中，其换算公式如下：

式中， 为最终的混凝土弹模； 为喷射混凝土弹模； 为钢支撑弹模； 为钢支撑横截面面积； 为混凝土横截面面积。

围岩及支护结构物理力学参数如表4-1所示。

表4-1 围岩及支护结构物理力学参数表

4.4钢管桩牛腿结构检算

该段设计为Vs-p-1型复合式衬砌，为了确保施工安全，拟在该段落施作钢管桩牛腿结构对未封闭成环的初期支护进行支撑，该结构沿线路方向每1.8m设置1道（每3榀施做1处）。钢管桩牛腿结构数值计算模型如图4-5钢管桩牛腿结构模型所示。

图4-5钢管桩牛腿结构模型图

检算结论如下：

（1）钢管桩牛腿结构对初期支护发挥出了一定支撑作用，有效地控制了初支结构变形，初期支护最大沉降量为1.89cm，远小于设计的40cm预留变形量，说明钢管桩牛腿结构的刚度满足要求^[4]。

（2）钢管桩以受压为主，最小主应力为-5.63MPa，最大主应力仅为0.268MPa，小于其材料设计抗拉强度1.43MPa，满足强度要求。

（3）牛腿结构最不利位置在中台阶牛腿结构处，根据材料力学第三强度理论对其强度进行检算，牛腿结构的强度满足要求。

5、工程实践

5.1方案研讨

锁脚钢管桩高速铁路施工中无成熟工法案例，经项目部、项目分部、工区、架子队四级工程管理及技术人员进一步研讨后确定。

（1）测量定位：成立专业测量小组，全程跟踪测量护筒埋设、钻机就位精度，监控钻进过程钻杆垂直度^[5]，避免钢管桩侵入隧道限界或偏离边线距离超标。

（2）钢管与孔壁间混凝土密实：旋挖钻机在45米成孔深度工况，最小钻孔直径为800mm，选用φ609×12mm的无缝钢管，钢管与孔壁间注浆保证钢管与孔壁之间混凝土密实，提高钢管桩承载力。

（3）牛腿制作：牛腿可调节、减少现场操作量。牛腿钢架连接板，以120°弧线与钢管桩焊接，三条焊缝形成三角受力；月牙板宽度52cm，长度根据钢管桩边线与开挖轮廓线模拟确定；钢架连接板不得打孔，根据拱架连接板螺栓孔间距割槽以便于沿隧道横向调节。月牙板与肋板作为一个焊接件，现场与拱架连接板简易栓接横向调节后，即可与钢管桩焊接。

（4）钢管桩间两榀钢拱架连接：钢管桩间距1.8m，钢拱架间距0.6m，钢管桩与钢拱架交汇焊接部位基本在拱脚180度位置，在中台阶开挖接腿范围^[6]。中台阶开挖，可同时开挖3榀拱架，第一榀拱架直接焊接在钢管上；在两根钢管之间焊接沿隧道纵向牛腿梁，两根钢管桩之间的两榀钢拱架锁脚在牛腿梁上。

5.2牛腿焊接技术培训

在中台阶开挖后，钢拱架需尽快焊接在钢管上，以减少开挖面暴露时间，牛腿焊接进度与质量，是锁脚钢管桩工法成败的关键^[7]。为验证施工方案的可行性，培养工人现场操作的熟练度，提高焊接质量，首先在洞外进行模拟焊接试验。

场外工艺性试验方法：取1.5m长Φ609mm钢管、加工场内下料的牛腿材料至施工现场，采用现场作业工人进行牛腿试焊。见图5-1，钢管与拱架模焊接图。

图5-1钢管与拱架模拟焊接图

场外试验工艺时间从现场焊接准备至焊接完成，上台阶拱脚及中台阶拱脚牛腿焊接总耗时为3.5h，具体工艺循环时间见下表5-1。

表5-1 钢管桩牛腿结构场外焊接工序时间统计表

5.3现场操作

现场开挖揭示，钢管桩在40m深度，成桩桩位与隧道边界空间位置多变，预制的牛腿无法施作，只能根据现状现场切割工字钢制作牛腿，采用I25b的工字钢连接，共采用4根工字钢焊接，且可多角度、多方位焊接，灵活机动，工序施工时间170min。见图5-2，钢拱架与钢管焊接图。

5.4沉降观测

钢管桩与钢拱架第一榀焊接锁定DK74+731断面检测数据显示，2021年6月19日至7月8日，20天累计沉降只有8mm，初期支护稳定，锁脚效果明显。见图5-3，DK74+731拱顶沉降观测图。

图5-2 钢拱架与钢管焊接图

图5-3 DK74+731拱顶沉降观测图

5.5 施工工效

根据2号隧道出口换拱段施工过程工序持续时间统计，从开挖换拱开始至喷设混凝土施工完成，工序时间可控制在12h之内（690分钟）。具体工序循环时间及资源配置见表5-2，2号隧道出口工序时间统计表。

表5-2 2号隧道出口工序时间统计表

经工艺改进，上部工字钢纵向连接焊接作业时，焊接部位下部安装焊渣收集盒，保证各工序同步焊接作业，进一步减少60min的工序循环时间，确保达到1天2个施工循环。

6、结论

锁脚钢管桩与传统地表注浆加固方案比较，优势明显。

（1）设备少，施工组织简单。钢管桩方案，仅需两台旋挖钻机沿隧道左右边线施工；地表注浆加固方案，需30台钻机作业。

（2）工效快，缩短掌子面停工时间。以每天施工2根钢管桩计，考虑跳仓钻进，3天施工5～7根，洞内掌子面即可开始换拱作业。地表注浆加固方案，为规避孔间串浆，只能整段落钻进结束后，集中注浆，水泥浆等强后掌子面方可开始换拱作业，洞内施工要中断20天左右。

（3）节约投资。钢管桩方案每延米隧道投资合12万元，地表注浆加固方案每延米隧道投资计20万元。

（4）工后沉降小，适应浅埋隧道。高速铁路Vs-p-1型以上复合式衬砌，基本可抵抗50米全岩土压力，只要拱架锁脚稳固，即可解决膨胀土遇水弱化、地基承载力降低、拱架整体沉降问题。钢拱架锁脚于钢管混凝土桩方案，可解决拱架锁脚失稳问题。

参 考 文 献

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作者简介：

姓名：王晓伟
出生年月：1977年1月（610323197701240557）
性别：男
民族：汉
籍贯：陕西省宝鸡市岐山县
学历（位）：工程硕士
职称：高级工程师
研究方向：土木工程

姓名：庞磊磊
出生年月：1985年2月（410325198502191510）
性别：男
民族：汉
籍贯：河南省洛阳市嵩县
学历（位）：本科
职称：工程师
研究方向：土木工程