适用于富水软弱土层的浅埋山岭隧道的加固方法与流程

本发明涉及交通建筑结构技术领域，尤其涉及一种适用于富水软弱土层的浅埋山岭隧道的加固方法。

背景技术：

山岭隧道是指为缩短和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的修建在地下或水下的供机车车辆及行人通行的建筑物。浅埋山岭隧道是指隧道的上部覆盖层不足隧道洞跨2倍的隧道区段。为了保证山岭隧道的施工的安全性，需要对浅埋山岭隧道所穿过的山岭土体区域进行加固，目前比较常用的方式有钢花管高压劈裂注浆加固、钢花管注浆加固或者是小导管注浆加固。但是在我国南方沿海地区，山岭土体的地表覆土多为富水软土层，降水丰沛，地下水丰富，且地下水位埋深很浅，分布范围也非常广，具有特殊的地质、气象及水文特征。对于该地区覆盖层为富水软弱土层的浅埋山岭隧道，采用钢花管高压劈裂注浆加固、钢花管注浆或小导管注浆的方式无法很好地加固山岭隧道穿过的具有厚度大和分布范围广的富水软弱土层的山岭土体，不能满足实际工程的需要，无法保证山岭隧道的施工安全及后续运营的安全。另外，现有的浅埋山岭隧道的防排水设施也不是很好，经常容易引起浅埋山岭隧道的渗水坍塌。

技术实现要素：

基于此，针对现有问题，本发明提供一种适用于富水软弱层的浅埋山岭隧道结构的加固方法，其能对浅埋山岭隧道穿过的存在富水软弱土层的山岭土体进行有效地加固和防排水处理，以保证浅埋山岭隧道的施工及后续运营的安全。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

探测得出浅埋山岭隧道设计规划路线所经区域的土性资料、气象资料和水文资料；

根据得到的气象资料和水文资料进行防排水布置；

根据得到的土性，分析判断出浅埋山岭隧道的上方的富水软弱土层的加固方式，若分析判断出浅埋山岭隧道的上方的富水软弱土层的厚度小于3m，且主要分布在山岭土体的地表或浅层区域，采用换填或水泥土搅拌法进行加固处理；若分析判断出浅埋山岭隧道上方的富水软弱土层的厚度为3～15m，且分布于浅埋山岭隧道的上方的大部分区域，采用高压旋喷桩进行加固处理；若分析判断出浅埋山岭隧道的上方的富水软弱土层厚度超过15m，且分布于浅埋山岭隧道的上方的大部分区域，采用高压旋喷桩法进行加固处理，并在径向和轴向两个方向上进行超前支护，超前支护方式为小导管注浆；

根据分析得出的加固方式，进行加固处理；

开挖浅埋山岭隧道。

上述的适用于富水软弱土层的浅埋山岭隧道的加固方法，能够根据浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的富水软弱土层的厚度及分布范围判断加固方式，选择适当的经济的加固方式，并能根据山岭隧道设计规划线路所经区域监测得出的气象资料和水文资料，进行有效的防排水布置，避免富水软弱土层产生坍塌、渗水等工程病害，保证了施工工人的施工安全；若判断出富水软弱土层的厚度大于15m，且分布于山岭隧道的拱顶的上方的大部分区域，可以先通过高压旋喷桩在山岭土体的高度方向上对山岭土体的富水软弱土层进行加固，再通过沿山岭隧道的径向和轴向两个方向在山岭土体中注浆，实现对山岭土体的富水软弱土层的超前支护加固，实现了在山岭隧道的上方的富水软弱土层的厚度非常大，且分布范围非常广的情形下，可以通过高压旋喷桩加固、径向注浆超前支护和轴向注浆超前支护三种加固方式相结合来很好地加固富水软弱土层，保证了浅埋山岭隧道的施工及后续运营的安全。

在其中一实施例中，若分析判断出浅埋隧道的上方的富水软弱土层厚度超过25m，且分布于浅埋山岭隧道的上方的大部分区域，所述进行加固处理具体包括：

平整场地，安装高压旋喷桩机，并根据探测所得的土性资料确定高压旋喷桩加固范围；

确定高压旋喷桩的入土深度，在浅埋山岭隧道洞跨范围内，高压旋喷桩底端伸入至浅埋山岭隧道的拱形的衬砌结构内；

通过高压旋喷桩机在山岭土体内灌注泥浆形成沿山岭土体的高度方向延伸的高压旋喷桩；

加固高压旋喷桩底端附近的山岭土体；

对浅埋山岭隧道进行超前支护，超前支护方式为对浅埋山岭隧道设计规划线路经过的山岭土体进行小导管注浆，注浆方向为浅埋山岭隧道的径向和轴向两个方向。

在其中一实施例中，所述对浅埋山岭隧道进行超前支护之后，还包括步骤：泥浆回收。

在其中一实施例中，所述加固高压旋喷桩底端附近的山岭土体，具体包括：

提供一种高压旋喷桩机，高压旋喷桩机包括主泥浆注管、连接主泥浆注浆管的钻机、设于主泥浆注管的侧壁上的辅助伸缩注浆管、以及分别连通主泥浆注管的进泥端的泥浆供应装置、空压机和高压清水泵；主泥浆注管的出泥端设有主喷头，主泥浆注管上设有第一阀门，第一阀门位于辅助伸缩注浆管和主喷头之间，辅助伸缩注浆管连通主泥浆注管的，且辅助伸缩注浆管的出泥端上设有辅助喷头；连通泥浆供应装置和主泥浆注管的管道上设有第二阀门；连通空压机和主泥浆注管的管道上设有第三阀门；连通高压清水泵和主泥浆注管的管道上设有第四阀门；

关闭第三阀门和第四阀门，空压机和高压清水泵不工作，打开第一阀门和第二阀门，此时高压旋喷桩施工方式为单管法，辅助伸缩注浆管处于收缩状态，辅助喷头关闭，泥浆供应装置的泥浆通过主泥浆注管注入至钻机所钻的坑中形成高压旋喷桩；

高压旋喷桩加工完毕后，关闭第一阀门，打开并延展辅助伸缩注浆管，同时打开辅助喷头，辅助喷头将泥浆供应装置供应的泥浆喷入至高压旋喷桩的底端之间的土体中进行加固；

主泥浆注管和辅助伸缩注浆管交替注浆使用，直至高压旋喷桩达到指定的高度为止。

在其中一实施例中，所述辅助伸缩注浆管倾斜设置。

在其中一实施例中，所述进行防排水布置具体包括：

在浅埋山岭隧道的设计规划线路所经区域的地表铺设顶排水沟、端排水渠和分流排水沟，顶排水沟设于山岭土体的最高地表处，端排水渠对应隧道的拱脚设置，且分别位于浅埋山岭隧道的两侧；分流排水沟分别位于顶排水沟的两侧，分流排水沟连通顶排水沟和排水聚。

在其中一实施例中，所述防排水布置还包括：

在浅埋山岭隧道对应的山岭土体区域内埋设若干沿隧道的长度方向依次设置的排水组件，排水组件包括渗水盲沟和若干降水井，渗水盲沟沿隧道的横向延伸设置；降水井沿山岭土体的高度方向延伸设置；若干排水组件的降水井沿隧道的横向依次设置，且均连通渗水盲沟。

在其中一实施例中，所述渗水盲沟倾斜设置。

在其中一实施例中，所述防排水布置还包括：

浅埋山岭隧道的拱脚对应的山岭土体区域为加固区域，使用高压旋喷桩机在加固区域上作业形成止水帷幕。

在其中一实施例中，所述止水帷幕的深度应超过浅埋山岭隧道的拱脚的深度，且超过的距离不小于一倍浅埋山岭隧道的净空高度。

附图说明

图1为本发明一实施例所述的适用于富水软弱层的浅埋山岭隧道结构的加固方法的流程图；

图2为浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的顶排水沟、端排水渠和分流排水沟的布置示意图；

图3为浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的止水帷幕的布置示意图；

图4为浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的降水井和渗水盲沟的布置示意图；

图5为在浅埋山岭隧道上方的富水软弱层的厚度大于15m，且分布于浅埋山岭隧道的上方的大部分区域的情形下适用于富水软弱土层的浅埋山岭隧道的加固原理图；

图6为高压旋喷桩机的结构原理图；

图7为浅埋山岭隧道的应力检测示意图。

图中：

10、山岭土体；

20、浅埋山岭隧道；21、衬砌结构；

30、高压旋喷桩；

41、经向注浆锚杆；42、轴向超前支护注浆小导管；

51、顶排水沟；52、端排水渠；53、分流排水沟；

60、排水组件；61、降水井；62、渗水盲沟；

70、止水帷幕；

81、士压力盒；82、应变片；83、孔隙水压力计；

201、钻机；202、主泥浆注管；203、主喷头；204、第一阀门；205、辅助伸缩注浆管；206、辅助喷头；207、泥浆供应装置；208、空压机；209、高压清水泵；210、第二阀门；211、第三阀门；212、第四阀门。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上和也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件和可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，为本发明的一种适用于富水软弱土层的浅埋山岭隧道的加固方法的流程图，该适用于富水软弱土层的浅埋山岭隧道的加固方法具体包括：

s100、探测得出浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的土性资料、气象资料和水文资料。

所述探测得出浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的土性资料包括：

判断出浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的土层性质，以及每个土层的分布范围、深度和位置。具体的，利用动、静力触探仪，在浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域进行钻探，以判断出浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的土层性质，以及每个土层的分部范围、深度和位置。钻探深度应当至隧道的拱脚以下直至稳定土层为止，稳定土层是指该土层的各项力学性能符合隧道建设的相关规范规程。

探测不同性质土层的相关物理及力学参数。如：颗粒级配、土粒比重、干密度、最大干密度、自然含水率、最优含水率、液限、塑限、孔隙率、饱和渗透系数、压缩系数、压缩模量、抗剪强度、地基承载力等。

所述探测得出浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的气象资料包括：

探测得出浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的气象检测数据，并根据得到的气象监测数据，分析出浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的年平均降水量、年最大降水量、年平均蒸发量以及年最大蒸发量，以为后续的防排水措施提供依据。并根据得到的浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的年平均降水量、年最大降水量、年平均蒸发量和年最大蒸发量来判断浅埋山岭隧道设计规划线路暴雨、山洪及泥石流等自然灾害的可能性，使施工人员在施工前能提前做好准备，避免施工人员受到伤害。

所述探测得出浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的水文资料包括：

探测得出隧道设计规划线路所经区域的常年水文监测数据，及施工前的水文监测数据，并根据得到的常年水温监测数据和施工前的水文监测数据，得到浅埋山岭隧道设计规划线路所经区域的钱埋段是否有低下水径流，若有，还需判断地下水径流的流向。

具体的，由于浅埋山岭隧道常位于沟谷或山岭相连接地段，在我国南方地区，降水丰沛，地下水丰富，且降水易下渗土中与地下水汇集，因此还需判断该区域浅埋山岭隧道设计规划路线的浅埋段的是否有地下水径流，若有，还需判断地下水的流向，以为后续防排水措施提供依据。

s200、根据得到的气象和水文资料，进行防排水布置。

防排水可以防止水渗透浅埋山岭隧道而影响浅埋山岭隧道的使用。结合图2、图3和图4可知，步骤s200具体包括如下步骤：

s201、在浅埋山岭隧道20的设计规划线路的地表铺设顶排水沟51、端排水渠52和分流排水沟53，如图2所示，在图2中心线aa为浅埋山岭隧道20的中心线；顶排水沟51设于山岭土体10的最高地表处，端排水渠52位于隧道穿过的山岭土体10的两端；分流排水沟53分别位于顶排水沟51的两侧，分流排水沟53连通顶排水沟51和端排水渠52。

具体的，顶排水沟51可把降水、地表积水或从两侧山岭较高位置处留下的水汇集，分流排水沟53沿地表的起伏方向延伸设置，用于将顶排水沟51的水引流至山岭顶部的端排水渠52，端排水渠52再将水排至安全距离以外。

s202、浅埋山岭隧道20的拱脚对应的山岭土体区域为加固区域，使用高压旋喷桩机在加固区域上作业，形成如图3所示的由高压旋喷桩组成的止水帷幕70。

具体的，在浅埋山岭隧道20的两端对应的加固区域形成止水帷幕70，可以有效阻止地表的水和地下水从浅埋山岭隧道20两侧较高的位置流向加固区域；止水帷幕70的深度应超过浅埋山岭隧道20的拱脚的在山岭土体10中的深度，且超过的距离不小于一倍隧道20的净空高度。

s203、如图4所示，在浅埋山岭隧道20对应的山岭土体10区域内埋设若干沿浅埋山岭隧道20的长度方向依次设置的排水组件60，排水组件60包括渗水盲沟62和若干降水井61，渗水盲沟62沿浅埋山岭隧道20的横向延伸设置；降水井61沿山岭土体10的高度方向延伸设置；若干排水组件60的降水井61沿浅埋山岭隧道20的横向依次设置，且均连通渗水盲沟62。

具体的，降水和山岭地表的积水可流入至降水井61内，降水井61内的水可通过渗水盲沟62排出至安全距离以外。优选的，相邻的降水井61之间的距离为8m；降水井61深度应超过浅埋山岭隧道20的拱脚的深度，且超过的距离不小于一倍浅埋山岭隧道20的净空高度；在本实施例中，各排水组件60的渗水盲沟62的数量为两条，即浅埋山岭隧道20周边的山岭土体10内沿山岭土体10的高度方向埋设有两层渗水盲沟62。在其它实施例中，上层的渗水盲沟62可以根据实际需要选择是否埋设。

s300、根据得到的土性，分析判断出浅埋山岭隧道的上方的富水软弱土层的加固方式，若分析判断出浅埋山岭隧道的上方的富水软弱土层的厚度小于3m，且主要分布在山岭土体的地表或浅层区域，采用换填或水泥土搅拌法进行加固处理；若浅埋山岭隧道上方的富水软弱土层的厚度为3～15m，且分布于浅埋山岭隧道的拱顶的上方的大部分区域，采用沿山岭土体的高度方向延伸的高压旋喷桩进行加固处理，必要时可进行一定的轴向超前支护，超前支护方式为小导管注浆，采用该加固方式时，富水软弱层的分布宽度为浅埋山岭隧道的洞跨的0.8倍以上；若分析判断出浅埋山岭隧道的上方的富水软弱土层厚度超过15m，且分布于浅埋山岭隧道的上方的大部分区域，采用高压旋喷桩法进行加固处理，并在径向和轴向两个方向上进行超前支护，超前支护为小导管注浆，采用该加固方式时，富水软弱层的分布宽度为浅埋山岭隧道的洞跨的一倍以上。

s400、根据分析得出的加固方式，进行加固处理；

图5为在浅埋山岭隧道上方的富水软弱层的厚度大于15m，且分布于浅埋山岭隧道的上方的大部分区域的情形下适用于富水软弱土层的浅埋山岭隧道的加固原理图。若分析判断出浅埋山岭隧道的富水软弱土层的厚度大于15m，且分布于浅埋山岭隧道的上方的大部分区域，结合图5可知，进行加固处理具体包括如下步骤：

s410、平整场地，安装高压旋喷桩机，并根据探测数据确定高压旋喷桩30加固范围，其中沿浅埋山岭隧道20的线路方向高压旋喷桩30与富水软弱土层的分布范围相一致，沿浅埋山岭隧道20的横向高压旋喷桩30的加固范围不小于浅埋山岭隧道20的洞跨的三倍，并根据富水软弱土层的实际分布可适当选择加宽处理；

s420、确定高压旋喷桩30的入土深度，在隧道20洞跨范围内，高压旋喷桩30底端伸入至浅埋山岭隧道20的拱形的衬砌结构21内。

优选的，在浅埋山岭隧道20的洞跨范围内，高压旋喷桩30的底端延伸至衬砌结构21的下表面为宜。在浅埋山岭隧道20的拱脚处应适当加大高压旋喷桩30的桩径，可有效增加浅埋山岭隧道20的拱脚的稳定性，也能增强浅埋山岭隧道20的防水性能；在本实施例中，加固山岭土体10的高压旋喷桩30的桩径为0.8m，间距1.2m，在其它实施例中，可根据富水软弱土层的具体情况调整高压旋喷桩30之间的间距以及高压旋喷桩30的桩径。

s430、通过高压旋喷桩机在山岭土体10内灌注泥浆形成沿山岭的高度方向延伸的高压旋喷桩30。

具体的，通过高压旋喷桩机采用三重管法施工工艺在山岭土体10内灌注泥浆形成高压旋喷桩30，优选的，形成高压旋喷桩30的泥浆的水灰比为1:1，高压旋喷桩机的钻机201的转速为15-20r/min，提升速度为0.2-0.25m/min；高压旋喷桩机的旋转泵的压力不小于20mpa。

s440、加固高压旋喷桩30底端附近的山岭土体10。

具体的，浅埋山岭隧道20衬砌的拱顶的修建要求高压旋喷桩30的底端附近土体具有更好的强度，故需对高压旋喷桩30的底端之间的山岭土体10进行额外加固，这部分山岭土体10只需达到在浅埋山岭隧道施工时土体不坍塌的效果即可，加固强度可比高压旋喷桩30稍小。

其中，步骤440具体包括如下步骤：

s441、提供一种高压旋喷桩机，如图6所示，高压旋喷桩机包括主泥浆注管202、连接主泥浆注浆管202的钻机201、设于主泥浆注管202的侧壁上的辅助伸缩注浆管205、以及分别连通主泥浆注管202的进泥端的泥浆供应装置207、空压机208和高压清水泵209；主泥浆注管202的出泥端设有主喷头203，主泥浆注管202上设有第一阀门204，第一阀门204位于辅助伸缩注浆管205和主喷头203之间，辅助伸缩注浆管205连通主泥浆注管202的，且辅助伸缩注浆管205的出泥端上设有辅助喷头206；连通泥浆供应装置207和主泥浆注管202的管道上设有第二阀门210；连通空压机208和主泥浆注管202的管道上设有第三阀门211；连通高压清水泵209和主泥浆注管202的管道上设有第四阀门212；

s442、关闭第三阀门211和第四阀门212，空压机208和高压清水泵209不工作，打开第一阀门204和第二阀门210，此时高压旋喷桩30施工方式为单管法，辅助伸缩注浆管205处于收缩状态，辅助喷头206关闭，泥浆供应装置207的泥浆通过主泥浆注管202注入至钻机201所打的坑中形成高压旋喷桩30；

s443、高压旋喷桩30加工完毕后，关闭第一阀门204，打开并延展辅助伸缩注浆管205，同时打开辅助喷头206，辅助喷头206将泥浆供应装置207供应的泥浆喷入至高压旋喷桩30的底端之间的土体中进行加固；

辅助伸缩注浆管205倾斜设置，以加长辅助喷头206喷出的泥浆在山岭土体10中凝固后形成的桩体结构的长度，达到更好加固高压旋喷桩30的底端之间的山岭土体10的目的。辅助伸缩注浆管205与主泥浆注管202的夹角为30°-80°，例如为40°、50°、60°、70°等。在本实施例中，辅助伸缩注浆管205与主泥浆注管202的夹角优选为60°。另外，泥浆供应装置207供应的泥浆中加有早强剂，泥浆中的早强剂掺量为4％。

s444、主泥浆注管202和辅助伸缩注浆管205交替注浆使用，直至高压旋喷桩30达到指定的高度为止。

高压旋喷桩30施工完毕后，进入步骤s750、对浅埋山岭隧道20进行超前支护，超前支护方式为在浅埋山岭隧道20设计规划线路经过的山岭土体10内进行小导管注浆，注浆方向为浅埋山岭隧道20的径向和周向两个方向。

对于步骤s450，具体的，由于富水软弱土层的特殊性，为了保证浅埋山岭隧道顺利安全施工，需进行对浅埋山岭隧道20的超前支护，超前支护方式为小导管注浆，注浆方向分为浅埋山岭隧道20的径向和轴向两个方向，以形成如图5所示的经向注浆锚杆41和轴向超前支护注浆小导管42，其中经向注浆锚杆41采用梅花形布置，经向注浆锚杆41的直径为0.042m，经向注浆锚杆41远离浅埋山岭隧道20的一端呈圆锥状，且该端的长度为0.1m。相邻的经向注浆锚杆41的间距为1m；轴向超前支护注浆小导管42的直径为0.042m，相邻的轴向超前支护注浆小导管42的间距为0.4m。

s460、泥浆回收。

具体的，在高压旋喷桩30、辅助伸缩注浆管205及超前支护小导管注浆施工完毕后，对浪费的泥浆进行回收处理，避免泥浆污染浅埋山岭隧道20附近的植被、水系和农田等。

步骤s400完成后，进入步骤s500、开挖隧道。

具体的，当高压旋喷桩30、辅助伸缩注浆管205注浆及超前支护小导管注浆施工完成并达到预期力学性能后，进行浅埋山岭隧道开挖，开挖采用分部开挖法。在开挖的同时，及隧道施工完成后的运营阶段，需定期对隧道进行监测，监测内容包括：隧道沉降、衬砌结构附近土体孔隙水压力、土压力、衬砌应变，监测点埋置如图7所示，其中。图7中的11为士压力盒81，12为应变片82，13为孔隙水压力计83；浅埋山岭隧道20的拱脚应适当加密监测点的埋置，如若发现数据异常，应及时记录并采取相应的补救措施。

另外，防排水布置和加固处理除了先后进行外，在其他实施例中，还可同时进行。

上述的适用于富水软弱土层的浅埋山岭隧道的加固方法，具有以下优点：

(1)根据富水软弱土层的厚度及分布范围判断加固方式，选择适当的经济的加固方式；

(2)对存在富水软弱土层的浅埋山岭隧道结构进行加固处理，同时能够有效地对水分进行防排处理，可避免富水软弱土层产生的坍塌、渗水等工程病害，保证施工工人的施工安全。

(3)若判断出富水软弱土层的厚度大于15m，且分布于浅埋山岭隧道20的拱顶的上方的大部分区域，可以通过在高压旋喷桩在山岭土体的高度方向上对山岭土体的富水软弱土层进行加固，再通过沿浅埋山岭隧道的径向和轴向两个方向在山岭土体中注浆，实现对山岭土体的富水软弱土层的超前支护加固，从而实现了在浅埋山岭隧道的上方的富水软弱土层的厚度非常大，分布范围非常大的情形下能通过高压旋喷桩、径向注浆超前支护和轴向注浆超前支护三种加固手段加固隧道上方的富水软弱土层，确保浅埋山岭隧道施工具有很好的安全性，也能在后续运营中减小相关的维修费用；

(4)通过对浅埋山岭隧道的施工及其后续运营进行定期检测，能够及时发现存在的相关工程问题，增强了安全性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。