王立川， 李志鵬， 劉志強(qiáng)， 王曉兵 ， 羅 榮， 吳 劍， 趙秋實(shí)， 匡 亮， 楊 波

(1. 中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610082； 2. 中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250014；3. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731； 4. 成昆鐵路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031；5. 中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

昔格達(dá)地層在攀西地區(qū)內(nèi)分布較廣，其成分復(fù)雜，物理力學(xué)物性值離散性大，主要覆蓋于第三系之上，分布于川南金沙江、大渡河、雅礱江等河谷及山間寬谷地帶[1-3]，地勢一般較平坦。

昔格達(dá)地層具有強(qiáng)度低、膠結(jié)弱、變形大、遇水易軟化甚至崩解[4]、受擾動時(shí)易沿緩傾硬質(zhì)界面滑動等特點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者和工程師對昔格達(dá)地層的特性及工程措施開展了相關(guān)研究，周平等[5]研究了不同含水率對昔格達(dá)地層黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，對昔格達(dá)地層圍巖進(jìn)行了亞分級； 廖珩云[6]通過直剪蠕變試驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的蠕變試驗(yàn)參數(shù)和長期強(qiáng)度極限； 文獻(xiàn)[7-10]針對昔格達(dá)地層中隧道施工工法、工藝及處理措施進(jìn)行研究，提出超短臺階施工、增加管棚注漿壓力、加強(qiáng)鎖腳錨桿和盡早封閉成環(huán)、重視排水及CRD法施工等建議。

文獻(xiàn)[11-12] 通過對暗挖車站施工進(jìn)行總結(jié)及數(shù)值計(jì)算分析，研究了PBA法的受力特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)； 李皓等[13]通過計(jì)算，對比4種開挖方案引發(fā)的地表沉降，得出PBA法施工中導(dǎo)洞施作引起的沉降規(guī)律，并提出最優(yōu)施工方法； 韋京等[14]通過監(jiān)測與計(jì)算分析，提出PBA法地鐵車站下穿橋梁施工中關(guān)鍵施工階段對地層和樁基的影響規(guī)律； 羅富榮等[15]通過案例總結(jié)，認(rèn)為不同的地層采用PBA法施工所引起的地表沉降相差較大。

綜上，現(xiàn)有研究成果主要集中在隧道洞身開挖上，而關(guān)于富水昔格達(dá)組地層在洞口段相對較硬的巖石界面上滑動導(dǎo)致的不穩(wěn)定性問題，工程案例及研究較少。本文以成昆鐵路擴(kuò)改工程前家山隧道進(jìn)口段為工程背景，闡述前2次常規(guī)進(jìn)洞工法失敗與第3次PBA工法成功進(jìn)洞的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析PBA進(jìn)洞法的優(yōu)勢，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

前家山隧道長5 115 m(D3K520+425～D2K525+540)，為設(shè)計(jì)時(shí)速160 km的單洞雙線長隧道，線路縱坡為4‰(2 475 m)和 3‰(2 640 m)的人字坡； 最大埋深275 m，進(jìn)出口段為富水昔格達(dá)地層，洞身主要通過玄武巖、泥巖夾砂巖、角礫巖、灰?guī)r地層，穿越2條斷層。

1.1 地質(zhì)條件

該隧道進(jìn)口段覆蓋層為0～5 m厚的坡殘積層粉質(zhì)黏土，下伏第三系上統(tǒng)昔格達(dá)組泥巖夾砂巖、頁巖。該地層以泥巖、頁巖、砂巖為主，成巖作用差，結(jié)構(gòu)、致密性、物理力學(xué)性能差別較大，屬易滑地層，主要特征如下:

1)天然密度與干密度差異顯著，失水質(zhì)輕。

2)巖層傾角平緩，向谷地帶及盆地中心微傾，豎向(陡傾)節(jié)理發(fā)育。

3)水穩(wěn)性差，浸水易軟化甚至崩解，黏聚力比天然狀態(tài)明顯降低。

4)透水性弱，泥頁巖常起隔水作用，在地表水下滲、排水不暢情況下，易發(fā)生沿昔格達(dá)界面滑動問題，以昔格達(dá)上的第四系覆蓋層或堆積物滑動為主。

在該地層中修建隧道易產(chǎn)生長時(shí)程大尺度變形、掉塊、坍塌(頂)等病害。

1.2 地表水

該隧道進(jìn)口段位于山腳下，左側(cè)有明顯沖溝，枯水季節(jié)無地表水，豐水季節(jié)地表水豐富。

1.3 洞口段原施工圖設(shè)計(jì)概況

進(jìn)口洞門為擋墻式(見圖1)。首次進(jìn)洞時(shí)按設(shè)計(jì)施作如下工程措施:

1)洞口設(shè)置4根高為18 m的2.0 m×1.5 m錨固樁。

2)邊仰坡坡率均為1∶1.5，臨時(shí)防護(hù)為錨網(wǎng)噴混凝土，φ22 mm×4 m梅花形布置砂漿錨桿，間距1 m×1 m；φ8 mm@25 cm×25 cm鋼筋網(wǎng)； C25噴混凝土厚12 cm。

3)邊坡永久防護(hù)為10 m長錨桿框架梁，仰坡永久防護(hù)為10 m和8 m長的錨桿框架梁，錨桿間距為3 m×3 m。

4)大管棚超前支護(hù)。

圖1 進(jìn)口洞門形式

2 首次進(jìn)洞措施和問題

2.1 進(jìn)洞措施

1)錨固樁: 2016年9月17日完成洞口4根高18 m的錨固樁施作，以策應(yīng)確保洞口段邊坡橫向穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)意圖。

2)邊仰坡開挖和部分臨時(shí)防護(hù)工程平行和交叉施作(未完成)。

3)及時(shí)反壓回填: 在邊仰坡開挖(基本做到持續(xù)開挖)中，2016年10月9日發(fā)現(xiàn)此前布設(shè)在仰坡頂外的地表監(jiān)測點(diǎn)位出現(xiàn)位移變化，地表開裂，已危及施工安全?，F(xiàn)場依據(jù)應(yīng)急機(jī)制立即對邊仰坡進(jìn)行臨時(shí)反壓回填，現(xiàn)場觀測表明地表位移及地表裂縫變化明顯下降，地表活(滑)動暫時(shí)穩(wěn)定。

需說明的是，洞口段防排水系統(tǒng)尚未合格完成。

2.2 施工中呈現(xiàn)的問題

2.2.1 地下水豐富

錨固樁挖孔揭示開挖頂面以下6～20 m內(nèi)均有水流出(見圖2)，多次發(fā)生垮塌，自穩(wěn)性極差。

圖2 錨固樁內(nèi)地下水豐富

邊仰坡開挖時(shí)洞口段地下水位較高，坡面及地表均有水溢出。山體地下水豐富(見圖3)，地下水位高程約為1 240.70 m。

圖3 山體地下水豐富且水位高

2.2.2 地表變形大

即使采用了洞口錨固樁、噴錨等防護(hù)措施，仰坡頂外地表仍出現(xiàn)3條寬3～5 cm的裂縫(見圖4)。地表沉降觀測點(diǎn)出現(xiàn)較大位移，平面位移最大值為7.5 cm。相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5和表1。

2.3 首次進(jìn)洞失敗原因分析

2.3.1 圍巖自穩(wěn)性較差

隧道進(jìn)口圍巖主要為殘坡積層粉質(zhì)黏土，下伏昔格達(dá)地質(zhì)，自穩(wěn)性較差，邊仰坡開挖后，殘坡體易產(chǎn)生滑動。

圖4 洞頂?shù)乇砹芽p

圖5 隧道進(jìn)口1#、2#、3#、4#平面高程位移曲線(錨固樁)(2016年)

2.3.2 洞口地下水影響

坡面上透水性強(qiáng)的膨脹性土體和昔格達(dá)泥巖全風(fēng)化層間結(jié)合較差，極易松動滑移； 下部昔格達(dá)泥巖強(qiáng)風(fēng)化層為相對隔水層，在排水不暢的情況下易在層間界面形成飽和甚至過飽和保水帶。受局部地下水重力性滲透影響，使具有膨脹性的土體和全風(fēng)化泥巖被水浸泡后，飽和自重增加，其抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)指標(biāo)驟降； 邊坡橫向臨空效應(yīng)引起的橫向不穩(wěn)定和仰坡縱向臨空效應(yīng)引起的縱向不穩(wěn)定成為蠕動動因，牽引仰坡頂坡面土體出現(xiàn)3條張拉裂縫，并導(dǎo)致已噴護(hù)仰坡混凝土變形開裂，同時(shí)牽引左側(cè)邊坡土體與昔格達(dá)地層接觸面發(fā)生局部土體開裂和位移，在開挖的臨空面上出現(xiàn)明顯的剪出面，受其影響，開挖直立面時(shí)出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象。

2.3.3 錨桿施工的影響

除受鉆孔用水的不利影響外，常規(guī)的坡面防護(hù)錨桿施工很難做到密實(shí)灌漿，也可引起地層壓密性沉降，甚至開裂。2種疑似必然的沉降疊加，加劇了施工段落及其牽引區(qū)域的開裂和滑移。

注: 表中位移為累計(jì)位移。下同。

3 第2次進(jìn)洞措施和問題

3.1 第2次進(jìn)洞措施

經(jīng)建設(shè)、設(shè)計(jì)單位多次踏勘，按設(shè)計(jì)單位意見實(shí)施φ50 cm@1 m×1 m地表高壓旋噴樁加固，以穩(wěn)定滑動體。地表加固縱向范圍為自洞門向進(jìn)洞方向20～35 m，橫向范圍為洞身主體向外拓展5 m，加固深度為隧道拱頂下1 m(見圖6)。

1)旋噴樁加固: 按上述參數(shù)施作地表高壓旋噴樁加固，于2016年11月18日完成。

2)邊仰坡防護(hù): 與旋噴樁基本同步完成。

(a) 橫斷面圖

(b) 平面圖

3)大管棚施工(未完成): 2016年11月下旬立即開展大管棚施工，期間多處地表位移監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)生頻次、幅度差異明顯的變化，至12月10日，平面位移最大值為7.5 cm，相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2和圖7； 仰坡頂線外地表再現(xiàn)3條裂縫，最大裂縫約長48 m、寬6 cm、深1.2 m； 仰坡開挖立面及大管棚導(dǎo)向墻出現(xiàn)不規(guī)則擠壓變形裂縫(見圖8)； 左側(cè)立面粉質(zhì)黏土與昔格達(dá)地層接觸面間蠕動錯(cuò)位明顯，位移最大值為12 cm(見圖9)。已嚴(yán)重危及施工安全。

3.2 加固效果

地表加固后的開挖結(jié)果表明采取的措施收效甚微，開裂和變形持續(xù)發(fā)展。

3.3 第2次進(jìn)洞失敗原因分析

3.3.1 大管棚施工的影響

在軟弱地層條件下施工的常規(guī)大管棚的“群孔聯(lián)孔”效應(yīng)可引起地層在管棚密實(shí)灌漿前發(fā)生前置壓密性沉降，附加鉆孔用水的不利影響，加劇了施工段落及其牽引區(qū)域的開裂和滑移。

表2 前家山隧道進(jìn)口地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(大管棚)

圖7 隧道進(jìn)口1#、2#、3#、4#平面高程位移曲線(大管棚) (2016年)

3.3.2 滑動未制止

由圖8和圖9可見，膨脹性土體和昔格達(dá)地層的滑動面處于隧道開挖拱頂下約2.5 m，而地表高壓旋噴樁的加固深度并未穿越此滑動面，僅起到將滑動面上膨脹性土體整體化的作用，且增加了滑動動力； 同時(shí)未采取任何排水措施或阻滯地下水下滲措施，層間保水帶狀況絲毫未改善； 未采取任何主動抵抗縱向不穩(wěn)定措施，并未制止滑動。

3.3.3 無縱向平衡措施

未采取任何工程措施(諸如抗滑樁或回填等平衡或制約坡面滑動措施)，坡面縱向下滑力未改變。

4 第3次進(jìn)洞措施及效果

筆者對成昆峨米段重點(diǎn)隧道進(jìn)行例行檢查時(shí)，應(yīng)建設(shè)指揮部和施工單位項(xiàng)目部之約增加該工點(diǎn)巡查，于2016年12月11日在現(xiàn)場聽取相關(guān)介紹和分析后，基于對PBA工法特點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知[11-13]，及文獻(xiàn)[14-15]等對PBA工法在各類地鐵工況中的成功應(yīng)用，提出“基槽適度回填+PBA法加長明洞+拱頂回填”的綜合工程措施，設(shè)計(jì)單位以此進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

(a) 仰坡開挖直立面蠕動

(b) 大管棚導(dǎo)向墻裂縫

4.1 進(jìn)洞措施

PBA進(jìn)洞法的工程設(shè)計(jì)見圖10—12，現(xiàn)場施作主要步序照片見圖13。施工措施順序如下。

(a) 錯(cuò)位整體圖

(b) 錯(cuò)位部位詳圖

圖10 增加明洞

1)防排水系統(tǒng): 完善洞口段防排水系統(tǒng)，力保地表水較充分引排，以確保施工安全。

2)在仰坡腳回填基槽至滑動面上約1.0 m時(shí)，坡面趨穩(wěn)，以平行和(或)交叉作業(yè)方式，完成剩余大管棚和邊仰坡防護(hù)工作量。

3)鉆孔樁P(pile): 在明洞結(jié)構(gòu)水平投影外緣，按直徑150 cm 、長20 m、間距(4.5 m+3.5 m+4.5 m)施作左右2排鉆孔樁灌注樁，以樁作為坡面縱橫抗滑和明洞部分自重的支承。樁頂標(biāo)高在軌面上2.27 m。

4)冠(托)梁B(beam): 在樁頂沿隧道縱向施作16 m×0.8 m×1.5 m的冠(托)梁。

5)護(hù)拱A(arch): 以冠梁為拱座，以“型鋼鋼架+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土”先形成薄拱，再以此為內(nèi)模和承力架、外扎鋼筋形成模架系統(tǒng)，模筑 80 cm 厚C35鋼筋混凝土護(hù)拱。

6)明洞回填: 護(hù)拱混凝土達(dá)設(shè)定齡期后，采用C20混凝土及土石進(jìn)行反壓回填，頂部最小回填厚度為2 m，頂面縱坡6%。

7)暗洞施工: 挖除明洞腔體內(nèi)土石并實(shí)施結(jié)構(gòu)閉合，按設(shè)計(jì)參數(shù)以三臺階臨時(shí)仰拱法(上臺階預(yù)留核心土、中臺階設(shè)臨時(shí)仰拱)進(jìn)行暗洞施工，至2017年4月3日暗洞完全進(jìn)入。

8)明暗洞分界處理: 為防止分界處發(fā)生襯砌結(jié)構(gòu)裂損，除在明暗分界處全環(huán)設(shè)置2 cm沉降縫外，同時(shí)加強(qiáng)隧道變形和沉降監(jiān)測； 直至2017年5月9日研判暗洞初期支護(hù)及明洞護(hù)拱回填變形均趨穩(wěn)后，順序施作了洞口段襯砌。

9)差異沉降監(jiān)測: 襯砌后，自2017年6月1日開始對明暗結(jié)構(gòu)分界處進(jìn)行差異沉降專項(xiàng)監(jiān)測； 至6月28日分界處達(dá)到同步微量沉降，7月12日沉降穩(wěn)定，累計(jì)差異沉降3.1 mm。

4.2 處理效果

坡腳回填后坡面滑動明顯減速，明洞回填后坡面已處于穩(wěn)定，暗洞進(jìn)洞100 m以后，地表和隧道變形量值和速率均在規(guī)范可接受范圍內(nèi)。

1)地表沉降變形環(huán)比最大值為0.70 mm，累計(jì)最大值為29.30 mm，地表沉降已穩(wěn)定。

2)明洞拱頂(D3K520+425)沉降累計(jì)值為31.30 mm，日速率最大值為3.00 mm，上、中、下臺階累計(jì)收斂值依次為36.35、31.96、17.30 mm； 暗洞拱頂(D3K520+430)沉降累計(jì)值為37.10 mm，日速率最大值為3.70 mm，上、中、下臺階累計(jì)收斂值依次為33.10、22.12、8.50 mm； 初期支護(hù)閉合成環(huán)后洞口段逐漸趨于穩(wěn)定。

3)雖有預(yù)判，也采取了針對性措施，但明暗交界處仍出現(xiàn)了最大縫寬約10 mm的初期支護(hù)環(huán)向裂損和3.10 mm的結(jié)構(gòu)差異沉降。

(a) 正面(1∶200)

(b) 錨固樁平面布置圖(1∶200)

4.3 效果初步分析

在該隧道富水昔格達(dá)地層進(jìn)口淺埋段連續(xù)遭遇進(jìn)洞失敗時(shí)，作者執(zhí)念將已廣泛運(yùn)用于地鐵超大斷面暗挖工程中的PBA工法移植到該工程的主要原因如下:

1)完善防排水系統(tǒng)，減少地表水入侵和(或)滯留導(dǎo)致的土層軟化滑動。

2)根據(jù)淺埋段西格達(dá)地層的滑動面位置和附近地表變化，洞察和把握了該滑動的動因和機(jī)制。

3)采用樁P、梁B、拱A組成的結(jié)構(gòu)體系，巧妙地從三維角度對邊仰坡的縱、橫向不穩(wěn)定和可能的豎向承載力不足予以響應(yīng)，解決了地層的穩(wěn)定性、明洞結(jié)構(gòu)及回填荷載的支承，有利于上部結(jié)構(gòu)與回填層的盡早穩(wěn)定； 既能為構(gòu)建穩(wěn)定安全的明洞創(chuàng)造條件，又能使新構(gòu)建的明洞與將建的洞口結(jié)構(gòu)在位移上具有一定的協(xié)調(diào)性。

4)足夠長度的明洞結(jié)構(gòu)及其回填物所稟賦的平衡和支承作用，富有余地克服了以縱向滑動為主的不穩(wěn)定性，使明洞結(jié)構(gòu)、回填物、原有滑動地層構(gòu)架成一個(gè)綜合穩(wěn)定體。

圖12明洞護(hù)拱及反壓回填(單位： cm)

Fig. 12 Protective arch and backpressure backfilling of open-cut tunnel (unit： cm)

(a) 灌注樁

(b) 托梁

(c) 護(hù)拱

5)明暗交界處襯砌待初期支護(hù)及回填物穩(wěn)定后施作，減少或防止初期支護(hù)差異沉降向襯砌傳遞集中形變荷載。

6)明暗交界處產(chǎn)生的3.10 mm結(jié)構(gòu)差異沉降，對有碴軌道尚可接受； 對無碴軌道而言，則須再研究。

4.4 相關(guān)事項(xiàng)說明

1)樁型選擇: 設(shè)計(jì)方曾習(xí)慣性地堅(jiān)持采用挖孔方樁，而忽視了此地質(zhì)條件下挖孔樁的施工風(fēng)險(xiǎn)和施工期長的弊端，在筆者一再闡明鉆孔灌注樁同時(shí)具有抗滑功能后才勉強(qiáng)接受。

2)回填取舍: 筆者現(xiàn)場明確主張，先回填壓實(shí)坡腳下基槽，待樁(P)、梁(B)結(jié)構(gòu)完成即回填壓夯土石形成拱的內(nèi)胎模，但變更設(shè)計(jì)時(shí)仍堅(jiān)持采用雙層拱結(jié)構(gòu)，是明洞變形較大的主要原因。

3)PBA進(jìn)洞法的推廣: 設(shè)計(jì)方已悄然將此法推廣到頗具類似特征的楊家灣隧道進(jìn)口。

5 結(jié)論與討論

對前家山隧道富水昔格達(dá)地層進(jìn)洞的3種工法實(shí)踐總結(jié)，得到如下結(jié)論和建議:

1)錨固樁、旋噴樁工法均導(dǎo)致地表開裂、大尺度變形，平面位移最大值為7.5 cm，未能解決前家山隧道進(jìn)洞的問題。

2)隧道洞口采用PBA法后，地表及拱頂沉降最大值分別為29.3 mm和31.3 mm，初期支護(hù)閉合成環(huán)后洞口段逐漸趨于穩(wěn)定。

3)邊仰坡開挖時(shí)須實(shí)施足夠的工程措施以平衡或抵抗其不穩(wěn)定性，包含洞口切槽引起的縱、橫向臨空不穩(wěn)定性，且在昔格達(dá)地質(zhì)條件下縱向不穩(wěn)定影響要大于橫向不穩(wěn)定，PBA法處置隧道進(jìn)洞縱向不穩(wěn)定性的力學(xué)基礎(chǔ)明確，實(shí)踐驗(yàn)證該工法是頗具針對性的有效措施。

4)本文案例中PBA法參數(shù)均按經(jīng)驗(yàn)類比法確定,結(jié)構(gòu)能力存在過度和冗余再所難免, 類似案例可通過補(bǔ)勘獲得洞口段必要和全面的地質(zhì)參數(shù),經(jīng)力學(xué)分析和量化研究以獲得針對性和具體的參數(shù)。

5)PBA法應(yīng)用于昔格達(dá)地層的作用機(jī)制值得進(jìn)一步深入分析與探討。