王志杰，李瑞堯，徐海巖，徐君祥，唐 力

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

隨著交通建設(shè)的發(fā)展，穿越特殊地形、地貌、地質(zhì)條件的隧道越來(lái)越多，在軟弱圍巖地質(zhì)條件下施工的隧道與日俱增，隧道軟巖大變形問(wèn)題隨之而來(lái)。大變形問(wèn)題給隧道施工帶來(lái)了極大的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也為隧道施工技術(shù)發(fā)展提供了新的動(dòng)力。如何控制軟巖大變形、降低大變形的危害已經(jīng)成為隧道工程界亟待解決的重要問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究主要集中在隧道施工力學(xué)行為[1-2]、軟巖大變形機(jī)理[3-5]以及軟巖隧道施工控制技術(shù)[6-8]等方面。本文依托陽(yáng)城隧道，對(duì)土石分界處地層大變形機(jī)理進(jìn)行研究，并提出整治措施。

1 工程概況

蒙華鐵路是中國(guó)繼大秦鐵路、朔黃鐵路和山西中南部鐵路后修建的又一運(yùn)煤鐵路。陽(yáng)城隧道作為蒙華鐵路關(guān)鍵性控制工程之一，位于陜西省榆林市靖邊縣，起訖里程為DK242+041—DK249+134，隧道全長(zhǎng)7 093 m，最大埋深約207 m。隧道設(shè)計(jì)速度120 km/h。

隧址區(qū)溝壑縱橫，古沖溝發(fā)育，是典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌。區(qū)內(nèi)地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)新黃土及黏質(zhì)新黃土、第四系中更新統(tǒng)沖洪積中砂、白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖。其中砂巖以強(qiáng)、全風(fēng)化紅砂巖為主，角礫松散結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟弱，節(jié)理裂隙較發(fā)育，基巖面起伏較大。隧址區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 施工方案及工序

隧道洞身采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，為防止臺(tái)階溜垮并控制變形，要求初期支護(hù)距離掌子面不超過(guò)35 m(3倍洞徑)，仰拱及填充層利用24 m液壓棧橋一次性澆筑，輔以真空降水、施作密排超前導(dǎo)管及排砂管。洞身開(kāi)挖施工工序見(jiàn)圖1。

圖1 洞身開(kāi)挖施工工序

3 圍巖變形對(duì)初期支護(hù)的破壞

隧道穿越的軟弱地層:①富水砂層，局部夾薄層土；②全風(fēng)化紅砂巖，局部夾塊石。大里程方向DK245+270—DK245+280正好處于土石分界處。

2017年10月15日01:00陽(yáng)城隧道大里程方向土石分界處在平整臺(tái)階時(shí)發(fā)現(xiàn)中臺(tái)階左側(cè)拱腳處局部發(fā)生涌水涌砂。為保證施工安全立即對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行加固，04:00里程DK245+270左側(cè)邊墻處初期支護(hù)開(kāi)裂，并有發(fā)展趨勢(shì)。04:10對(duì)大變形段反壓回填，回填過(guò)程中左側(cè)初期支護(hù)持續(xù)收斂，支護(hù)結(jié)構(gòu)裂縫從中臺(tái)階左側(cè)拱腳延伸至上臺(tái)階左側(cè)拱腰，長(zhǎng)約7 m。DK245+270—DK245+280段左側(cè)初期支護(hù)持續(xù)快速收斂，通過(guò)采取控制措施，隧道的拱頂沉降大幅減小。

4 圍巖變形機(jī)理分析

4.1 圍巖基本物理性能

在大變形發(fā)生之前，課題組已經(jīng)對(duì)大變形段掌子面中臺(tái)階左側(cè)、核心土及右側(cè)土樣進(jìn)行了物理性能指標(biāo)測(cè)試、固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表1、表2、圖2和圖3。

表1 土樣物理性能指標(biāo)

表2 土樣壓縮性指標(biāo)

圖2 大變形段掌子面中臺(tái)階土樣固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，大變形段掌子面處中臺(tái)階左側(cè)土樣孔隙比最大，最疏松，壓縮性最高，更容易發(fā)生變形。

由圖2和表2可知:①中臺(tái)階左側(cè)土樣壓縮模量、孔隙比隨豎直壓力變化曲線(xiàn)的斜率相對(duì)更大；②左側(cè)土樣為高壓縮性土，右側(cè)土樣為中壓縮性土，核心土為低壓縮性土；③從左側(cè)土樣到右側(cè)土樣再到核心土樣，孔隙比和壓縮系數(shù)逐漸減小、壓縮模量總體上逐漸增大，土的壓縮性逐漸降低；④左側(cè)土樣最松散、最不穩(wěn)定，右側(cè)土樣次之。

由圖3可知，大變形段掌子面中臺(tái)階左側(cè)土、核心土及右側(cè)土樣抗剪強(qiáng)度存在較大差異。左側(cè)土黏聚力最小，核心土黏聚力最大，三處內(nèi)摩擦角無(wú)太大差異。

圖3 大變形段掌子面中臺(tái)階土樣直剪試驗(yàn)結(jié)果

4.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

大變形段位于古沖溝土石分界處，如圖1所示。全風(fēng)化紅砂巖呈砂狀，遇水軟化，易崩解，自穩(wěn)性較差。開(kāi)挖后形成的臨空面風(fēng)化加劇，掌子面及邊墻極易失穩(wěn)，局部涌水涌砂，綜合判定圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí)。

大變形段土石分界處不同部位土樣的物理力學(xué)性能存在較大差異。掌子面中臺(tái)階兩側(cè)土樣物理力學(xué)性能較中部核心土差，左側(cè)較右側(cè)差。

圍巖強(qiáng)度不均導(dǎo)致左側(cè)應(yīng)力集中，同時(shí)砂層在水的作用下趨于飽和，呈軟塑甚至流塑狀態(tài)，此時(shí)承載能力大大降低。左側(cè)圍巖易產(chǎn)生溜垮現(xiàn)象，隨之發(fā)生大變形并使得初期支護(hù)向洞內(nèi)擠出。

陽(yáng)城隧道洞身位于地下水位以下，水從砂層中滲出，土石分界處砂巖遇水軟化，強(qiáng)度驟減，出現(xiàn)溜垮現(xiàn)象，初期支護(hù)背后出現(xiàn)松散體。中臺(tái)階左側(cè)土壓縮性最高，孔隙比最大，在地下水的作用下最易遇水軟化，承載能力急劇下降。在圍巖壓力作用下初期支護(hù)侵限。

4.3 施工及人為因素

隧道施工是影響圍巖穩(wěn)定性的主觀(guān)因素。砂層自穩(wěn)性極差，在富水條件下開(kāi)挖極易造成坍塌而難以控制。施工過(guò)程中對(duì)中臺(tái)階基底加固不及時(shí)，初期支護(hù)未得到及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)，圍巖作用在承載能力不足的初期支護(hù)上使其破壞，從而產(chǎn)生較大變形。

5 整治措施

5.1 反壓回填

對(duì)大變形段初期支護(hù)進(jìn)行反壓回填(見(jiàn)圖4)，回填過(guò)程中分段逐層施工，每層填充完畢待挖機(jī)碾壓密實(shí)后再進(jìn)行下層填筑，以保證回填土具有足夠反壓力。

圖4 反壓回填示意(單位:cm)

5.2 加密降水

將大變形段初期支護(hù)開(kāi)裂處混凝土鑿除，并采用C25噴射混凝土對(duì)破損部位掃面封閉10 cm厚。待初期支護(hù)變形穩(wěn)定后加密降水，加強(qiáng)疏干力度，防止地下水位抬升造成二次失穩(wěn)。

5.3 注漿加固

對(duì)變形段進(jìn)行徑向注漿加固。注漿管采用長(zhǎng)4 m、厚5 mm的φ42無(wú)縫鋼管，注漿管間距為2.0 m×2.0 m。漿液采用P.O42.5水泥單液漿，自下而上間歇式注漿，注漿壓力控制在1 MPa以下。

5.4 逐榀換拱

換拱遵循先支后拆、先上后下的原則，各臺(tái)階長(zhǎng)度不大于5 m。換拱前先對(duì)大變形段進(jìn)行鉆探，驗(yàn)證注漿加固范圍。為保證換拱施工質(zhì)量，拱部受損拱架沿連接板整節(jié)拆除。施工工序:①拆除臨時(shí)支撐，自上而下分段鑿除拱架外側(cè)噴射混凝土，將拱架分離；②鑿除完成后立即噴射厚4 cm C25混凝土封閉開(kāi)挖面，換入新拱架并采用螺栓連接牢固，對(duì)新舊混凝土連接處鑿毛并預(yù)留相應(yīng)變形量；③焊接連接筋，噴射厚37 cm C25混凝土，每榀鋼架臺(tái)階處設(shè)4根長(zhǎng)4.0 m、φ42鎖腳錨管。

5.5 設(shè)置橫撐

以變形段回填土頂部為施工平臺(tái)，對(duì)大變形段設(shè)置I20a型鋼橫撐(見(jiàn)圖5)，橫撐與初期支護(hù)鋼架焊接；支撐應(yīng)榀榀對(duì)接，縱向連接采用φ22螺紋鋼，同時(shí)架設(shè)連接筋以增強(qiáng)整體性。變形段支撐加固完成后，于其前方加設(shè)不小于3道I20型鋼橫撐，以防掌子面前方圍巖受到變形段圍巖牽引而使初期支護(hù)發(fā)生變形。

圖5 橫撐設(shè)置示意(單位:cm)

5.6 勤量測(cè)

換拱過(guò)程中增加量測(cè)頻次，以準(zhǔn)確掌握變形情況。在已拆換段布設(shè)測(cè)點(diǎn)，按5 m一個(gè)斷面布設(shè)，如發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取應(yīng)急預(yù)警措施以確保施工安全。換拱完畢后進(jìn)行二次注漿，量測(cè)持續(xù)跟進(jìn)以便及時(shí)反饋該段情況。

6 結(jié)論

1)陽(yáng)城隧道大里程方向土石分界處地層大變形是多種因素共同作用的結(jié)果。圍巖條件極差、強(qiáng)度不均、飽水軟化是內(nèi)因。外因是對(duì)土石分界處地層認(rèn)識(shí)不足、初期支護(hù)未及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)、地層加固措施未及時(shí)跟進(jìn)。

2)大變形處中臺(tái)階左側(cè)土樣與核心土、右側(cè)土樣相比，最松散，壓縮性最大，強(qiáng)度最差。故大變形最先發(fā)生在左側(cè)。

3)基于對(duì)陽(yáng)城隧道土石分界處地層性質(zhì)和大變形機(jī)理的分析，遵循先控制、后整治的思路，提出反壓回填、加密降水、注漿加固、逐榀換拱、設(shè)置橫撐以及二次注漿加固的整治措施。