陳天明

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176)

0 引言

加快我國(guó)西南地區(qū)鐵路建設(shè)，改善其交通運(yùn)輸條件與投資環(huán)境，是促進(jìn)該地區(qū)繁榮與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要舉措。新建拉林鐵路位于青藏高原，氣候寒冷，沿線地質(zhì)復(fù)雜。拉林鐵路米林隧道是我國(guó)首條穿越冰磧層地質(zhì)的隧道，復(fù)雜的富水冰磧地質(zhì)給隧道施工帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。能否解決隧道穿越高原富水冰磧地層的技術(shù)難題，既關(guān)系到拉林鐵路的建設(shè)質(zhì)量和能否按期建成通車，也關(guān)系到西南冰磧地區(qū)今后的隧道建設(shè)。冰磧地層廣泛分布于歐洲、北美洲和中國(guó)西部的高原山地，其中現(xiàn)代冰川地貌約占全球陸地面積的11%，由第四紀(jì)古冰川塑造的地貌約占全球陸地面積的32%。隨著全球在冰磧地區(qū)工程建設(shè)的逐步開展，對(duì)冰磧地層工程地質(zhì)特性和工程處治措施的研究引發(fā)了國(guó)內(nèi)外關(guān)注，并逐步成為研究熱點(diǎn)。自20世紀(jì)50年代，國(guó)內(nèi)許多專家、學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究和探索，并取得了一定成果，可以歸納為以下8個(gè)方面： 1)冰磧土的力學(xué)性質(zhì)[1-2]； 2)冰磧堆積體的成因和特征[3-4]； 3)冰磧地層隧道圍巖的凍脹特性[5]； 4)冰磧土的抗剪強(qiáng)度特性[6-7]； 5)冰磧土的工程地質(zhì)特性[8-9]； 6)寒區(qū)冰磧土的凍脹特性[10]； 7)地下水、地表水對(duì)冰磧地層的破壞作用及其對(duì)工程建設(shè)的影響[11-12]； 8)冰磧地層的工程處治措施[13-14]。

但從上述研究情況看，目前在高原冰磧地層的形成與地質(zhì)特征、富水冰磧隧道洞內(nèi)坍塌的成因與處治技術(shù)方面尚有待探索。在我國(guó)西部高原山地冰磧地層廣泛分布以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)推行“一帶一路”建設(shè)和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的背景下，本文以新建拉林鐵路米林隧道為例，對(duì)高原冰磧地層的形成與地質(zhì)特征、富水冰磧隧道洞內(nèi)坍塌成因及其處治技術(shù)進(jìn)行探索，以期為解決我國(guó)西部地區(qū)富水冰磧地層鐵路隧道建設(shè)中的技術(shù)難題提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道概況

米林隧道位于念唐古拉山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區(qū)，山高谷深，氣候極端惡劣。區(qū)內(nèi)山脈呈南北縱貫延展，谷嶺相間，地勢(shì)起伏跌宕，海拔在2 940～4 230 m。隧道縱斷面標(biāo)高在2 965～3 076 m，隧道最大埋深為1 200 m。隧道進(jìn)、出口有鄉(xiāng)村公路相通，交通較方便。

米林隧道是拉林鐵路的重點(diǎn)控制工程，也是沿線地質(zhì)條件最復(fù)雜的隧道。隧道起訖里程為D2K378+111～D2K389+671，全長(zhǎng)11 560 m。LLZQ-12標(biāo)施工斜井—出口段(D2K384+085～D2K389+671)長(zhǎng)5 586 m，該段隧道線路縱坡為-6‰～-10.2‰的單面下坡，出口端481.389 m位于R1 600 m的左偏曲線上，其余位于直線上。

1.2 冰磧段水文地質(zhì)情況

地質(zhì)補(bǔ)勘揭示，D2K387+400～+510段洞身拱頂以上6～8 m及軌面以下約6 m范圍內(nèi)均為礫砂層，粗顆粒含量較少。洞身范圍內(nèi)局部夾細(xì)砂層透鏡體，且由D2K387+503.4向D2K387+469開挖方向，細(xì)砂、粉土等細(xì)顆粒含量明顯增多，圓礫土以上粗顆粒含量?jī)H占20%～30%，其余為細(xì)砂及黏性土等充填。施工超前鉆孔探明，該段地下水呈“股狀”發(fā)育特征，掌子面出水量約20 m3/h，水量較大且較穩(wěn)定、水質(zhì)渾濁，細(xì)顆粒隨地下水流失的現(xiàn)象較為明顯。掌子面圍巖由于受地下水的持續(xù)沖刷，穩(wěn)定性較差。

洞內(nèi)坍塌段位于D2K387+470～+486處，其埋深約為157 m。地下水類型為第四系孔隙潛水，主要為大氣降水及地表水補(bǔ)給，水位位于拱頂以上約73.5 m處，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)侵蝕性。

1.3 冰磧段預(yù)設(shè)計(jì)開挖支護(hù)方案

圖1 冰磧層地表深孔鉆探圖(單位： m)

表1 帷幕及管棚注漿參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)判斷，D2K387+469～+503.4段穿越的地層仍為冰磧層，由于施工時(shí)掌子面圍巖尚能自穩(wěn)，水量有所減少，故取消了該段原設(shè)計(jì)的帷幕注漿，其余開挖與襯砌方案仍執(zhí)行原設(shè)計(jì)。

1.4 洞內(nèi)坍塌情況

發(fā)生洞內(nèi)坍塌時(shí)，全隧上、中臺(tái)階及線路右側(cè)下臺(tái)階的開挖和初期支護(hù)工作均已完成，僅剩余線路D2K387+477～+485段約8 m范圍內(nèi)的左下臺(tái)階尚未開挖。2020年5月2日0時(shí)10分，在線路D2K387+485處進(jìn)行左側(cè)下臺(tái)階開挖時(shí)，發(fā)現(xiàn)該處初期支護(hù)已發(fā)生變形；至0時(shí)40分，D2K387+485處附近中臺(tái)階的初期支護(hù)鋼架開始垮塌；至1時(shí)20分，拱部鋼架開始垮塌；至1時(shí)45分，線路左側(cè)邊墻及拱部鋼架垮塌至D2K387+477處。截至當(dāng)日5時(shí)30分，雖然塌腔內(nèi)仍有零星掉塊，但總體已基本穩(wěn)定，出現(xiàn)塌方的段落為D2K387+470～+486段。塌方范圍主要發(fā)生在隧道拱部及左側(cè)邊墻，最大塌腔斷面發(fā)生在D2K387+480處，目測(cè)拱部最大塌腔高度為8～10 m，線路左側(cè)邊墻處最大塌方深度為5～6 m，總塌方量約為500 m3。坍塌碴體主要以細(xì)顆粒土為主，塌方體表層被散落的漂石土所覆蓋，塌腔最大橫斷面及地質(zhì)分層如圖2所示。

2 冰磧地層的形成及其特征

2.1 冰磧地層的形成及其地質(zhì)特征

冰磧地層是在第四紀(jì)冰川消融過程中，由冰川遷移所挾帶和搬運(yùn)的未經(jīng)其他外力(特別是未經(jīng)冰融水)明顯改造的碎屑物，如漂石、碎石、砂礫、粉土和黏土等，在毫無(wú)分選的條件下快速混雜沉積形成的一種特殊地層，又稱冰川沉積物地層。它的宏觀特征主要表現(xiàn)為無(wú)分選、無(wú)定向、無(wú)磨圓、無(wú)層理等。

圖2 冰磧隧道塌腔最大橫斷面及地質(zhì)分層示意圖(單位： m)

2.2 冰磧堆積物與其他沉積物的區(qū)別

第四系沉積物作為巖石圈的組成部分，按其成因不同，可分為流水沉積物、湖泊與沼澤沉積物、冰川與凍土堆積物、風(fēng)成堆積物、海洋沉積物、海陸交替帶沉積物6類。常見地層沉積物具有共同的特點(diǎn)，即顆粒具有一定的分選性和磨圓度，堆積物具有成層現(xiàn)象等特征。與常見地層沉積物不同，冰磧堆積物具有以下特征：

1)通常均由碎屑物組成，顆粒間大小混雜，缺乏分選性，經(jīng)常是巨大的石塊和細(xì)微的泥質(zhì)物的混合物；

2)顆粒絕大部分棱角明顯，部分角礫表面具有磨光面或冰擦痕；

3)碎屑物無(wú)定向排列，扁平或長(zhǎng)條狀石塊可呈直立狀態(tài)，堆積物無(wú)成層現(xiàn)象；

4)堆積物中含有適應(yīng)寒冷氣候的生物化石，如寒冷型的植物孢子和花粉等；

5)電鏡下觀察，冰磧物中的石英砂粒形態(tài)不規(guī)則，棱角尖銳，表面具有碟形洼坑，坑內(nèi)有貝殼狀斷口及平行階坎。

這主要源于其由冰川和冰水搬運(yùn)的特殊形成過程。

2.3 富水冰磧地層的工程力學(xué)特征

多年來(lái)，許多專家、學(xué)者通過大量水文地質(zhì)試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，冰磧地層不僅具有密實(shí)度較高、干密度大、承載力與抗剪強(qiáng)度高、沉陷變形小、透水性較強(qiáng)等一般粗粒土的特性，也有分選性差、大小顆?；祀s等不同特性。

1)卵石土層(密實(shí))，潮濕、飽和，卵石粒徑在60～200 mm，顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%～60%，卵石石質(zhì)成分以弱風(fēng)化片麻巖為主，空隙以坡積的細(xì)角礫及粉土充填，其厚度為5～36 m，部分稍厚，屬Ⅳ級(jí)軟石，為B組填料，天然密度為2.4 g/cm3，內(nèi)摩擦角為54°，基底摩擦因數(shù)為0.5，鉆孔灌注樁極限摩阻力為200 kPa，基本承載力為450 kPa。

2)漂石土層(密實(shí))，黃褐、灰褐色，潮濕、飽和，塊石石質(zhì)成分以花崗片麻巖為主，空隙以中砂、細(xì)角礫充填，屬Ⅳ級(jí)軟石，為B組填料，天然密度為2.3 g/cm3，內(nèi)摩擦角為51°，基底摩擦因數(shù)為0.55，鉆孔灌注樁極限摩阻力為200 kPa，基本承載力為450 kPa。

鄭宗溪等[15]在對(duì)川藏線拉林鐵路隧道穿越的富水冰磧層試樣進(jìn)行大型三軸剪切試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，拉林段富水冰磧地層土壤為級(jí)配不良土。其試驗(yàn)表明： 隨著相對(duì)密實(shí)度的增加，冰磧層的抗剪峰值強(qiáng)度呈先增加后平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，黏聚力總體呈逐漸增大趨勢(shì)；隨著含水率的增加，冰磧層的抗剪峰值強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；飽和含水率下的黏聚力為天然含水狀態(tài)下的23%，顆粒間的黏聚強(qiáng)度對(duì)抗剪峰值強(qiáng)度有明顯影響。因此，在施工中應(yīng)特別注意冰磧層的含水率。

同時(shí)，實(shí)踐表明，地下水對(duì)冰磧地層具有浸泡軟化和遷移破壞作用。由于冰磧地層多為級(jí)配不良的卵石、漂石及細(xì)砂、粉土層，具有半膠結(jié)(泥質(zhì)膠結(jié))及超固結(jié)特性，在干燥狀態(tài)下，承載力可達(dá)500 kPa以上，遠(yuǎn)大于一般的卵石、漂石及細(xì)砂、粉土層。但在水的浸泡和擾動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)迅速遭到破壞，呈現(xiàn)散粒狀或泥狀，冰磧層的承載力和穩(wěn)定性會(huì)迅速降低。在地下水流作用下，冰磧地層中細(xì)小顆粒受水流沖刷會(huì)發(fā)生遷移，在水流經(jīng)過區(qū)域形成松動(dòng)的架空漂卵石結(jié)構(gòu)，在水流外露區(qū)域形成細(xì)粒土匯聚地層，而細(xì)粒土含量的不同又會(huì)引起土體結(jié)構(gòu)的變化，從而導(dǎo)致水流外露區(qū)圍巖抗剪強(qiáng)度降低。蔣德旺等[7]的研究表明，當(dāng)冰磧地層中細(xì)顆粒(2 mm以下)含量有一定程度的增加時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度會(huì)有所增大，但當(dāng)細(xì)顆粒含量達(dá)到23.6%后，土體抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著細(xì)顆粒含量的增加而明顯降低，容易發(fā)生剪切破壞。

此外，嚴(yán)健等[5]對(duì)隧道冰磧地層圍巖凍脹力的現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試表明： 寒區(qū)隧道洞口段冰磧地層作為高原常見的季節(jié)性凍土，受低溫影響顯著； 低溫持續(xù)22 h時(shí)，凍融圈厚度達(dá)2 m左右，原位測(cè)定的凍脹壓力為40～240 kPa； 不同位置的凍脹力水平不同，其中，拱腳處最小，仰拱處最大。王明年等[9]對(duì)冰磧層圍巖的穩(wěn)定性及亞分級(jí)的研究表明，冰磧層圍巖的抗剪強(qiáng)度隨其含石量的增大而增大；當(dāng)含石量小于30%時(shí)，增速較緩；當(dāng)含石量大于30%時(shí)，增速逐漸變大。

3 富水冰磧隧道洞內(nèi)坍塌成因分析

3.1 地質(zhì)原因

根據(jù)上述冰磧地層的特點(diǎn)及工程力學(xué)特征，經(jīng)綜合分析，由地質(zhì)問題導(dǎo)致隧道洞內(nèi)坍塌的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1)坍塌段屬于富水冰磧地層，圍巖中細(xì)砂、粉土等細(xì)顆粒含量較高，在30%以上，在地下水的沖刷、遷移作用下，容易在圍巖中地下水流經(jīng)區(qū)形成松動(dòng)的架空漂卵石結(jié)構(gòu)，在地下水出露區(qū)形成細(xì)顆粒匯聚，引起冰磧地層土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致地下水出露區(qū)抗剪強(qiáng)度顯著下降。

2)坍塌段地下水較為發(fā)育，水量較大，不但對(duì)冰磧地層起到了侵蝕、軟化作用，而且為冰磧地層中細(xì)砂、粉土等細(xì)顆粒的遷移創(chuàng)造了條件，最終導(dǎo)致在遠(yuǎn)離掌子面的圍巖中形成松散的架空漂卵石結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)性下降，在地下水出露區(qū)形成細(xì)顆粒匯集和擁堵，造成掌子面水壓增加和土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，圍巖抗剪強(qiáng)度顯著下降。地下水對(duì)細(xì)砂、粉土的遷移，也是外露地下水出現(xiàn)水質(zhì)渾濁的原因。

3)坍塌段開挖時(shí)，全隧右側(cè)、拱頂和左側(cè)上中臺(tái)階均已貫通，并完成初期支護(hù)封閉，僅剩余8 m范圍內(nèi)左下臺(tái)階尚未開挖，全隧絕大部分的襯砌封閉造成了外泄地下水的匯聚，導(dǎo)致開挖面水量和水壓增加，進(jìn)一步加速了開挖面的坍塌。

4)在坍塌段富水冰磧地層中，局部夾細(xì)砂層透鏡體，且隨著D2K387+503.4向D2K387+469開挖方向細(xì)砂、粉土等細(xì)顆粒含量明顯增多，土體中含石量的減少顯著降低了冰磧圍巖的抗剪強(qiáng)度和自穩(wěn)性，加劇了地下水對(duì)冰磧地層的軟化和遷移破壞。

由上述分析可知，地質(zhì)因素是造成此次隧道洞內(nèi)坍塌的主要原因。

3.2 施工原因

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，結(jié)合對(duì)隧道坍塌段地質(zhì)因素的綜合分析，造成此次洞內(nèi)坍塌的施工因素主要有以下幾個(gè)方面：

1)在坍塌段富水冰磧圍巖土體結(jié)構(gòu)受地下水遷移破壞及隧道圍巖自穩(wěn)性和抗剪強(qiáng)度顯著下降時(shí)，施工方因?qū)Ω凰儑鷰r的工程地質(zhì)特性認(rèn)識(shí)不足，沒有及時(shí)改變開挖方式或調(diào)整爆破藥量，開挖時(shí)對(duì)圍巖擾動(dòng)過大，誘發(fā)了此次洞內(nèi)坍塌。

2)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，開挖、支護(hù)欠規(guī)范，超前支護(hù)與系統(tǒng)支護(hù)未達(dá)到預(yù)期效果，以致在溜坍發(fā)生后，大塊漂石的掉落及其牽引作用造成了洞內(nèi)系統(tǒng)性初期支護(hù)失穩(wěn)，從而導(dǎo)致了垮塌范圍的擴(kuò)大。

3)施工方對(duì)富水冰磧地層工程地質(zhì)特性認(rèn)識(shí)不足，在隧道富水冰磧圍巖受地下水遷移破壞和水量、水壓增加等因素影響導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性顯著下降時(shí)，缺乏相應(yīng)的警覺和應(yīng)對(duì)坍塌的工程技術(shù)措施。

3.3 設(shè)計(jì)原因

根據(jù)施工開挖揭示的地質(zhì)情況，雖然在當(dāng)前的圍巖狀態(tài)下掌子面尚能自穩(wěn)，但是隧道穿越的D2K387+469～+503.4段仍為富水冰磧地層。冰磧地層在開挖暴露后，隨著地下水的流失、沖刷和洞內(nèi)溫度的升高，圍巖的膠結(jié)力和抗剪強(qiáng)度會(huì)迅速降低，在地下水對(duì)冰磧地層中細(xì)顆粒的沖刷和遷移作用下，隧道冰磧圍巖的穩(wěn)定性也會(huì)隨之下降。如果該段仍能執(zhí)行原設(shè)計(jì)的帷幕注漿加固措施，雖然工程成本會(huì)有所增加，但是可以阻止此次坍塌的發(fā)生。因此，取消該段地層原設(shè)計(jì)的帷幕注漿加固措施，也是引發(fā)此次坍塌的原因之一。

4 富水冰磧隧道洞內(nèi)坍塌處治措施

4.1 處治思路

坍塌穩(wěn)定后，經(jīng)建設(shè)、勘察設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)理單位4方現(xiàn)場(chǎng)踏勘，結(jié)合隧道洞內(nèi)坍塌與所處富水冰磧地層實(shí)際情況，經(jīng)會(huì)議商定，擬采取以下措施對(duì)坍塌段進(jìn)行加固和處治：

1)為提高坍塌段回填碴體與周邊圍巖因地下水遷移形成架空漂卵石結(jié)構(gòu)的土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對(duì)塌腔內(nèi)回填的松散碴體和地下水遷移產(chǎn)生的架空結(jié)構(gòu)采用超前帷幕注漿加固，以填充回填碴體和架空結(jié)構(gòu)間的空隙。

2)為保證坍塌段施工安全和洞身圍巖穩(wěn)定，針對(duì)坍塌體穩(wěn)定性差、上方塌腔圍巖不穩(wěn)定、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大等因素，反壓回填塌腔碴體時(shí)，在洞身拱頂上部澆筑混凝土護(hù)拱，并結(jié)合王明年等[9]的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)坍塌段采用三臺(tái)階分步開挖法掘進(jìn)，以確保施工安全。

3)為防止塌腔大塊漂石掉落，對(duì)混凝土護(hù)拱、拱架產(chǎn)生沖擊和破壞，對(duì)護(hù)拱上方塌腔采用吹砂回填，以保護(hù)護(hù)拱和拱架。

4)為防止在封閉后的塌腔中形成水囊，對(duì)隧道圍巖和護(hù)拱造成長(zhǎng)期侵蝕，吹砂結(jié)束后，在吹砂管底部連接排水盲管，并接入側(cè)溝，以疏干塌腔內(nèi)積水。

5)為防止坍塌段及兩端圍巖在地下水遷移作用下形成架空漂卵石結(jié)構(gòu)積水，以致冬季發(fā)生凍脹，針對(duì)高原氣候寒冷、冬季漫長(zhǎng)和冰磧地層常年富水等特點(diǎn)，對(duì)隧道塌腔及兩端一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)采用徑向注漿充填、加固措施，消除凍脹病害。

6)根據(jù)坍塌段富水冰磧地層所屬亞分級(jí)為Ⅴ2亞級(jí)圍巖，結(jié)合王明年等[9]的研究成果，對(duì)坍塌段采用“帷幕注漿+管棚+小導(dǎo)管”超前加固和Vd型復(fù)合襯砌支護(hù)措施。

4.2 處治方案

在對(duì)富水冰磧地層隧道塌腔進(jìn)行處理時(shí)，嚴(yán)格遵循“穩(wěn)固塌體、填充塌腔、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、謹(jǐn)慎通過”的處置原則進(jìn)行施工，以確保施工人員的安全，避免發(fā)生安全事故。在處理階段，通過建設(shè)、勘察設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)理單位4方對(duì)富水冰磧地層地質(zhì)與隧道洞內(nèi)塌陷狀況的現(xiàn)場(chǎng)踏勘、分析，綜合上述處治思路后，確定采用“塌腔及兩端回填反壓+灌注塌腔混凝土護(hù)拱+兩端穩(wěn)定段徑向注漿與套拱加固+側(cè)重左側(cè)壁周邊超前帷幕注漿+超前小導(dǎo)管+大管棚+三臺(tái)階法開挖支護(hù)+吹砂回填注漿加固”的塌方綜合處治方案，如圖3所示。采用上述方案處理坍塌段，于2020年5月4日開始施工，6月23日基本結(jié)束，施工工期約為50 d。

圖3 冰磧隧道塌方段處理方案示意圖

4.3 處治措施

4.3.1 回填反壓

選用硬質(zhì)巖洞碴對(duì)隧道D2K387+470～+486段塌腔及與其緊鄰的斜井端D2K387+461～+470段、出口端D2K387+486～+494段進(jìn)行分層回填反壓，層高按1 m控制，對(duì)線路左側(cè)塌腔盡量回填充滿，隧道拱部塌腔回填至拱頂以上50 cm，并盡量填高。將斜井端D2K387+461～+470段、出口端D2K387+486～+494段反壓回填至距拱頂4 m處，分別施作成8～10 m的作業(yè)平臺(tái)，并在遠(yuǎn)離塌腔端各施作1個(gè)長(zhǎng)22～25 m的工作坡道(坡度以不大于15°為宜)，頂面寬度不小于3 m，以便于機(jī)械作業(yè)。

4.3.2 灌注塌腔混凝土護(hù)拱

待隧道塌腔洞碴回填到位后，在隧道拱頂上方沿塌腔縱向中心線按2.0 m間距預(yù)埋1排φ108 mm×6 mm、長(zhǎng)6 m的吹砂用鋼管。在塌腔兩端D2K387+470與D2K387+486處各施作1道1.0 m厚的C20混凝土止?jié){墻，對(duì)塌腔進(jìn)行封閉，并在每端預(yù)埋3根φ42 mm的排氣管。從兩端預(yù)留口同時(shí)向塌腔內(nèi)泵送C20自流混凝土，形成厚度不小于3 m的混凝土護(hù)拱。塌腔內(nèi)混凝土護(hù)拱分2層進(jìn)行灌注，間隔時(shí)間約8 h。

4.3.3 兩端穩(wěn)定段加固

對(duì)D2K387+434.6～+470與D2K387+486～+494段采用φ42 mm鋼花管徑向注漿，長(zhǎng)度3.5 m，間距1.0 m×1.0 m梅花形布置。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.8，水泥漿水灰質(zhì)量比為1∶1。依據(jù)塌方情況，注漿順序先左后右，徑向注漿鋼花管盡量與初期支護(hù)鋼架焊接，加強(qiáng)鎖腳。對(duì)斜井端D2K387+461.6～+467左側(cè)邊墻變形段空腔采用砂漿充填，然后進(jìn)行拱架拆換；在D2K387+467～+470與D2K387+486～+490段靠近封閉面處各安裝5榀和2榀套拱加固。

4.3.4 帷幕注漿

開挖前，首先在線路左側(cè)施作局部超前帷幕注漿,側(cè)重于加固線路左側(cè)混凝土護(hù)拱以下滑塌形成的松散體及左側(cè)拱圈外圍巖，注漿段長(zhǎng)度為16 m，注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m、隧底以下2 m； 其次對(duì)中部及線路右側(cè)上臺(tái)階處拱圈進(jìn)行帷幕注漿加固，注漿孔位布置及加固范圍如圖4和圖5所示。

圖4 塌方段局部超前帷幕注漿布孔示意圖(單位： m)

具體施工步驟如下。

①區(qū)加固： 出口端上臺(tái)階右側(cè)共布設(shè)注漿孔6排16孔，通過調(diào)整外插角實(shí)現(xiàn)中、下臺(tái)階的加固，開孔間距為50 cm。

②區(qū)加固： 出口端鉆注一體機(jī)后退一定距離，于平臺(tái)上斜向施作中、下臺(tái)階補(bǔ)強(qiáng)注漿孔，補(bǔ)強(qiáng)孔的孔數(shù)、位置及角度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。

③區(qū)加固： 斜井端于封閉面施作上、中臺(tái)階補(bǔ)強(qiáng)孔，注漿加固斜井端在帷幕注漿時(shí)預(yù)留的5 m安全區(qū)，頂部孔水平設(shè)置，下部孔根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按20°～30°布孔。

④區(qū)加固： 出口端拱部設(shè)2列共2個(gè)注漿孔(上部區(qū)域視具體情況施作)，間距1 m；注漿孔水平布置，保證開挖時(shí)掌子面的穩(wěn)定。

⑤區(qū)加固： 出口端左側(cè)自拱頂向下沿開挖輪廓線按1.0 m間距布設(shè)注漿孔5個(gè)(視具體情況施作)，外插角按3°～5°控制。

(a) 縱斷面圖

(b) 俯視圖

帷幕注漿采用后退式注漿方式，施工順序按照“先外后內(nèi)、先下后上”的原則進(jìn)行，注漿壓力控制在1～2 MPa，終孔壓力不超過2 MPa；帷幕注漿采用上述的水泥-水玻璃雙液漿。帷幕注漿后鉆孔驗(yàn)證注漿效果，達(dá)到要求后方可進(jìn)行開挖。

4.3.5 管棚施工

在出口端D2K387+490處拱部180°范圍內(nèi)施作φ108 mm超前大管棚，鋼管環(huán)向間距0.3 m，外插角15°，單根長(zhǎng)22 m。管棚注漿采用單液漿。

4.3.6 開挖支護(hù)

帷幕注漿完成后，在護(hù)拱和管棚掩護(hù)下對(duì)洞內(nèi)加固后的坍塌土體采用三臺(tái)階法開挖，初期支護(hù)時(shí)拱頂位置按設(shè)計(jì)預(yù)留變形量8～10 cm，左、右拱腰鋼架按預(yù)留變形量10～12 cm。上臺(tái)階開挖循環(huán)長(zhǎng)度為50 cm，下臺(tái)階開挖循環(huán)長(zhǎng)度為150 cm，臺(tái)階高度按圖4設(shè)置，采用人工配合風(fēng)鎬進(jìn)行開挖，嚴(yán)禁爆破開挖。

在開挖時(shí)，對(duì)D2K387+470～+486段拱墻施作φ42 mm超前小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù)；對(duì)D2K387+461.5～+470段中、下臺(tái)階施作超前小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù)。超前小導(dǎo)管環(huán)向間距均為0.2 m，單根長(zhǎng)3.0 m，縱向間距1.5 m，注漿采用上述的水泥-水玻璃雙液漿。

對(duì)塌方的D2K387+470～+486段加強(qiáng)支護(hù)采用全環(huán)I20b型鋼鋼架，間距0.5 m，每榀鋼架上、中、下臺(tái)階鎖腳均采用2根5 m長(zhǎng)φ42 mm鋼花管，每2榀施作6 m長(zhǎng)φ76 mm鎖腳錨管，及時(shí)注漿。D2K387+470～+486段取消系統(tǒng)錨桿，全環(huán)設(shè)置φ42 mm徑向鋼花管注漿加固圍巖及堵水，單根長(zhǎng)5 m，左側(cè)邊墻及拱頂范圍內(nèi)間距為0.8 m(縱向)×0.6 m(環(huán)向)，右側(cè)邊墻范圍內(nèi)間距為0.8 m×0.8 m，交錯(cuò)布置。注漿采用上述的水泥-水玻璃雙液漿。開挖后應(yīng)立即初噴混凝土，及時(shí)架設(shè)鋼架，施作鎖腳錨管，確保鋼架與初噴混凝土間緊貼，鋼架與圍巖間形成整體支護(hù)體系，共同受力。開挖后，對(duì)基底承載力進(jìn)行檢測(cè)，如承載力小于200 kPa，應(yīng)及時(shí)采取加固措施。

4.3.7 吹砂回填

在初期支護(hù)完成后，在拱頂和兩側(cè)拱腰位置設(shè)置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)隧道初期支護(hù)變形進(jìn)行觀測(cè)。施工期間在7個(gè)斷面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)變形情況如表2所示。除個(gè)別斷面拱架變形較大侵出設(shè)計(jì)初期支護(hù)面，須換拱后二次澆筑混凝土襯砌處理外，其余斷面初期支護(hù)變形侵出設(shè)計(jì)初期支護(hù)面均小于5 cm，在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

表2 塌方段斷面監(jiān)控量測(cè)沉降與收斂值

待隧道初期支護(hù)變形穩(wěn)定及處理結(jié)束后，對(duì)D2K387+470～+486段混凝土護(hù)拱上部塌腔采用中砂吹填，厚度不小于2 m，形成緩沖層，防止拱頂?shù)袈涫瘔K對(duì)護(hù)拱及拱架造成過大沖擊，并注水泥漿對(duì)砂層予以加固，防止富水地層中砂土流失。塌腔吹填完成后，于吹砂孔底面設(shè)置3根φ80 mm排水盲管，并接入側(cè)溝。

4.3.8 二次襯砌

初期支護(hù)完成后，沿隧道拱墻鋪設(shè)防水板。二次襯砌采用C35混凝土澆筑，厚度0.45 m，抗?jié)B等級(jí)為P8。因坍塌段地質(zhì)軟弱，將D2K387+434.6～+500段的二次襯砌環(huán)向主筋由原來(lái)的單層φ20@200 mm調(diào)整為2φ22@150 mm，縱向分布鋼筋按原設(shè)計(jì)φ14@250 mm布置。二次襯砌完成后，對(duì)洞身受冬季低溫凍脹影響進(jìn)行觀測(cè)，斷面尺寸基本穩(wěn)定，沒有明顯變化。隧道塌方段處理后的支護(hù)與襯砌情況如圖6所示。

圖6 塌方段Ⅰ區(qū)處理后隧道橫斷面圖(單位： m)

5 結(jié)論與建議

本文以新建拉林鐵路米林隧道為例，對(duì)高原富水冰磧地層的工程地質(zhì)特性和隧道施工洞內(nèi)坍塌的成因與處治技術(shù)進(jìn)行了深入探索，主要結(jié)論與建議如下。

1)高原富水冰磧地層具有以下工程地質(zhì)特性： ①顆粒棱角明顯、大小無(wú)分選、排列無(wú)定向，土體級(jí)配不良，地層無(wú)層理、透水性較好、低溫易凍脹； ②富水冰磧圍巖的抗剪強(qiáng)度隨著圍巖含石量和密實(shí)度的增加而增大，隨著圍巖細(xì)顆粒含量和含水率的增加而減?。虎鄣叵滤畬?duì)冰磧地層圍巖有浸泡軟化和遷移破壞作用，地下水的沖刷在冰磧地層中將形成架空漂卵石結(jié)構(gòu)區(qū)和細(xì)顆粒匯集區(qū)，嚴(yán)重破壞圍巖結(jié)構(gòu)，降低圍巖抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2)高原富水冰磧地層隧道施工洞內(nèi)坍塌的處治措施，主要包括以下幾個(gè)方面： ①及時(shí)回填反壓和設(shè)置合適厚度的塌腔護(hù)拱，防止塌腔擴(kuò)大和保證后期開挖安全； ②做好塌腔內(nèi)回填冰磧碴體的注漿加固和冰磧圍巖在地下水沖刷后形成的架空區(qū)域的注漿加固； ③吹砂回填設(shè)置緩沖層，防止冰磧圍巖中大塊漂石掉落對(duì)隧道護(hù)拱和拱架產(chǎn)生沖擊和破壞； ④處理好富水冰磧層坍塌段和塌腔內(nèi)的地下水，設(shè)置塌腔排水系統(tǒng)，對(duì)富水周邊圍巖注漿加固，減少地下水對(duì)圍巖的浸蝕和凍脹病害； ⑤按照富水冰磧地層的圍巖分級(jí)，采取相應(yīng)的開挖方式和支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證工程質(zhì)量和施工安全。

3)在高原地區(qū)進(jìn)行富水冰磧地層隧道施工時(shí)，應(yīng)注意： ①須重點(diǎn)掌握隧道冰磧圍巖的地質(zhì)特征和水文狀況，施工前要判斷設(shè)計(jì)方案是否滿足施工安全要求，判斷開挖方式可能給富水冰磧圍巖帶來(lái)的擾動(dòng)，并制定防坍塌的相應(yīng)安全、技術(shù)措施； ②要縮短開挖步距與暴露時(shí)間，加強(qiáng)圍巖變形和水量、水壓監(jiān)測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖和水量、水壓情況，及時(shí)調(diào)整開挖方式或爆破藥量，及時(shí)變更支護(hù)與加固方案，防止出現(xiàn)洞內(nèi)坍塌。