趙鴻志

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

黃土地層在我國(guó)分布比較廣泛，總覆蓋面積達(dá)63.5萬(wàn)km2，隨著我國(guó)西北地區(qū)鐵路建設(shè)的步伐越來(lái)越快，我國(guó)在黃土隧道施工領(lǐng)域也積累了很多經(jīng)驗(yàn)［1］。但是，對(duì)于隧道長(zhǎng)距離穿越軟塑黃土夾層影響段還沒(méi)有非常成熟的工藝來(lái)指導(dǎo)施工。以新建西銀客專上閣村隧道的工程背景為依托，在綜合分析了隧道穿越軟塑黃土夾層時(shí)的變形、塌方的基礎(chǔ)上，通過(guò)多方案比選進(jìn)一步優(yōu)化了黃土隧道洞身、拱頂及隧底穿越軟塑黃土地段的工程措施，解決了掌子面穩(wěn)定性差、大變形、坍塌的問(wèn)題及隧底穿越軟塑黃土地段基底加固困難的難題，確保軟塑黃土隧道工程快速、安全施工。

2 工程概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽(yáng)市寧縣境內(nèi)，穿越世界規(guī)模最大的黃土塬（董志塬），兩岸邊坡高陡，多發(fā)育滑坡、錯(cuò)落、溜坍和黃土陷穴等不良地質(zhì)現(xiàn)象［2］。隧道起訖里程 DK207＋501.55～DK214＋300，全長(zhǎng)6 798.45 m，屬Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，是西銀客專全線施工難度最大，安全風(fēng)險(xiǎn)最高，洞身穿越軟塑黃土層最長(zhǎng)的一座黃土隧道，拱頂、洞身及隧底受軟塑黃土層影響段長(zhǎng)達(dá)4 560 m。其中：DK208＋100～DK210＋225長(zhǎng)2 125 m為拱頂以上受軟塑黃土層影響段，軟塑黃土層厚度約 16 m，埋深 69～102 m；DK210＋225～DK211＋420長(zhǎng)1 195 m 為洞身受軟塑黃土層影響段，埋深51～69 m；DK211＋420～DK212＋660長(zhǎng)1 240 m為隧底受軟塑黃土層影響段，埋深32～51 m。隧道通過(guò)軟塑黃土段，黃土層垂直節(jié)理發(fā)育明顯，具有典型的濕陷性特征，水敏性強(qiáng)，含水率高（25% ～33%），開挖后掌子面穩(wěn)定性極差，易發(fā)生沉降、掉塊、坍塌［3］，現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖1、圖2所示。

圖1 正洞圍巖含水率高拱腳積水

圖2 拱腳軟塑狀土體流出

隧道通過(guò)軟塑黃土地段設(shè)計(jì)采用拱部φ89管棚＋φ42小導(dǎo)管、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法的施工方法；基底采用φ194鋼管樁進(jìn)行加固處理，鋼管樁深入軟塑層以下不少于2 m，鋼管內(nèi)采用C30混凝土灌注。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

隧道通過(guò)軟塑黃土段，按照設(shè)計(jì)的施工方法，極易出現(xiàn)變形、塌方事故。針對(duì)施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，后續(xù)施工采取了新的施工方案，取得了良好的效果。

3.1 按照原設(shè)計(jì)施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題、形成的原因以及采取的措施

3.1.1 出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）當(dāng)施工至 DK208＋592～DK208＋606軟塑黃土段時(shí)初支表面突發(fā)環(huán)向裂縫，核查發(fā)現(xiàn)DK208＋592～DK208＋606段初期支護(hù)變形侵限，最大侵限約40 cm。

（2）當(dāng)施工至DK208＋617軟塑黃土段時(shí)，突發(fā)塌方，坍塌過(guò)程中引起地表直徑18 m的陷坑。塌方時(shí)坍塌體為黏質(zhì)黃土，充滿掌子面，塌腔不可見。DK208＋617拱頂以上7 m為厚約16 m的軟塑黃土夾層，地下水位在拱部上方18 m位置，施工時(shí)，此處正在實(shí)施地表深孔降水試驗(yàn)。

3.1.2 形成的原因

（1）變形形成的原因

①圍巖地質(zhì)情況推斷不準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)與圍巖實(shí)際情況不匹配（設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)圍巖，實(shí)際為Ⅴ級(jí)或Ⅵ級(jí)圍巖）。

②開挖支護(hù)的工藝工法采用不盡合理，過(guò)程控制不到位。

③雨季時(shí)連續(xù)降雨，地表水下滲，軟化了圍巖，導(dǎo)致圍巖松弛變形圈過(guò)大，對(duì)初期支護(hù)的壓力增大，最終導(dǎo)致出現(xiàn)初期支護(hù)開裂、掉塊、變形侵限等現(xiàn)象。

（2）塌方形成的原因

①原設(shè)計(jì)措施在軟塑黃土地層支護(hù)強(qiáng)度明顯薄弱。

②連續(xù)強(qiáng)降雨滲入到隧道拱頂及洞身，造成隧道上方土體及洞身土體軟化，自重增加，是造成塌方的誘因。

③塌方段落地表臨近沖溝邊緣，沖溝下切嚴(yán)重，拱頂位于地下水位線及軟塑黃土層影響段。受地下水徑流影響，開挖后圍巖含水率逐漸提高，自身穩(wěn)定性降低也是塌方的原因。

3.1.3 采取的措施

（1）變形處理措施

①對(duì)于變形較小且初支未侵限的處理是待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)掌子面進(jìn)行回填反壓，設(shè)置臨時(shí)橫、豎撐，對(duì)變形范圍內(nèi)初支進(jìn)行徑向注漿，變形得到控制后開始掘進(jìn)。

②對(duì)于變形后初支段侵限的處理要結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，待趨于穩(wěn)定且保證安全的前提條件下，及時(shí)進(jìn)行回填反壓，跟進(jìn)仰拱及填充，然后在回填反壓平臺(tái)上設(shè)置臨時(shí)仰拱，中、下臺(tái)階鋼架拱腳增設(shè)大鎖腳或斜撐，再施作止?jié){墻進(jìn)行洞內(nèi)帷幕注漿，后續(xù)每拆換拱處理一榀，拆除臨時(shí)仰拱一榀。

（2）塌方處理措施

首先，塌方及其影響段監(jiān)控量測(cè)穩(wěn)定且確認(rèn)安全后，進(jìn)行回填反壓，設(shè)置止?jié){墻并跟進(jìn)二次襯砌；地表塌陷體進(jìn)行三七灰土夯填。

其次，洞內(nèi)帷幕注漿加固，注漿加固范圍為掌子面、拱墻開挖輪廓線外5 m。

再次，在坍塌體范圍內(nèi)進(jìn)行地表深孔袖閥管注漿加固。

3.2 新的施工方案

針對(duì)上閣村隧道軟塑黃土段前期出現(xiàn)的問(wèn)題，經(jīng)科研技術(shù)攻關(guān)，發(fā)現(xiàn)解決軟塑黃土段施工最好的辦法是用漿液填充隧道洞身和洞身以外4～5 m周圈范圍內(nèi)的黃土裂隙和打井降水的方法抽排走裂隙水。軟塑黃土影響段施工時(shí)，洞內(nèi)采用了拱部φ 89管棚＋φ42小導(dǎo)管、四臺(tái)階臨時(shí)仰拱、四臺(tái)階、大鎖腳及分區(qū)段采取洞內(nèi)帷幕注漿、地表深孔袖閥管注漿、地表深孔降水等工程措施。其中，DK208＋620～DK208＋900，DK209＋210～DK209＋290，DK210＋110～DK210＋270，DK210＋740～DK210＋905，DK211＋673～DK211＋709段計(jì)721 m洞內(nèi)采用拱部φ42小導(dǎo)管、大鎖腳、四臺(tái)階預(yù)留核心土法及地表深孔袖閥管注漿法施工；DK208＋512～DK208＋562，DK208＋900～DK209＋210，DK209＋350～DK209＋820，DK210＋000～DK210＋050，DK210＋390～DK210＋660段計(jì)1 150 m洞內(nèi)采用拱部φ89管棚＋φ42小導(dǎo)管、大鎖腳、四臺(tái)階臨時(shí)仰拱法及地表深孔降水法施工；DK208＋272～DK208＋512，DK208＋562～DK208＋622，DK209＋290～DK209＋350，DK209＋820～DK210＋000，DK210＋050～DK210＋110，DK210＋270～DK210＋390，DK210＋660～DK210＋740段計(jì)800 m洞內(nèi)采用拱部φ42小導(dǎo)管、大鎖腳、四臺(tái)階預(yù)留核心土法及洞內(nèi)帷幕注漿法施工。通過(guò)新的施工方案，解決了軟塑黃土層施工時(shí)遇到的黃土裂隙和裂隙水，極大提高了圍巖的穩(wěn)定性，確保了施工安全，施工進(jìn)度也由原來(lái)的20～30 m/月提高到了70～80 m/月。

基底加固由鋼管樁調(diào)整為袖閥管注漿加固，解決了鋼管樁加固過(guò)程中開挖、初支、仰拱襯砌等多種工序交叉相互干擾的難題，使隧道長(zhǎng)期存在的基底變形問(wèn)題得到了根本解決。

3.3 軟塑黃土段施工關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 洞內(nèi)帷幕注漿技術(shù)

當(dāng)黃土隧道軟弱層進(jìn)入節(jié)理裂隙發(fā)育和富水地層時(shí)，宜采用洞內(nèi)帷幕注漿工藝輔助施工，帷幕注漿后洞內(nèi)掌子面情況如圖3所示。洞內(nèi)帷幕注漿時(shí)隧道每循環(huán)加固長(zhǎng)度為25 m（不含止?jié){墻），每循環(huán)開挖20 m，注漿加固范圍為隧道拱部180°至開挖輪廓線外5 m［4］。止?jié){墻寬2.0 m，止?jié){墻背后若有空腔應(yīng)采用水泥砂漿回填［5］。在拱頂內(nèi)輪廓線下4.7 m處設(shè)置臨時(shí)仰拱，作為鉆機(jī)操作平臺(tái)，注漿采用一定比例配置而成的水泥單液漿或水泥-水玻璃雙液漿［6］。水泥-水玻璃漿液配合比為1∶1，水泥單液漿配合比 W∶C＝（0.6～0.8）∶1，注漿孔設(shè)計(jì)擴(kuò)散半徑2.0～3.0 m，注漿終壓2～3 MPa。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力并穩(wěn)壓10 min后，即可結(jié)束該孔注漿；若注漿壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)壓力，當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值2倍時(shí)立即停止注漿［7］。

圖3 帷幕注漿后效果

3.3.2 地表深孔降水技術(shù)

上閣村隧道地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，黃土塬地下水埋深約50～70 m，根據(jù)深鉆孔資料表明孔深在埋深58.5～69 m、95～125 m段為出水段落，含水層厚度為10～30 m［8］。當(dāng)掌子面含水率為23%～28%時(shí)宜采用地表深孔降水輔助洞內(nèi)施工。為達(dá)到降水效果，降水井應(yīng)提前掌子面120 m或提前2個(gè)月施作，地表降水井布置于正洞輪廓線外側(cè)邊緣左右側(cè) 4 m 處［9］，沿縱向間隔20 m布置，降水井直徑325 mm，降水井深度進(jìn)入隧底高程以下20 m［10］，地 表 深 孔 降水后效果如圖4所示。

圖4 地表深孔降水后效果

3.3.3 地表深孔袖閥管注漿技術(shù)

地表袖閥管注漿一般適用于地表埋深不超過(guò)50 m的地層，本隧道軟塑黃土地層埋深約51～102 m。經(jīng)綜合考慮和技術(shù)攻關(guān)，當(dāng)掌子面含水率在28%以上時(shí)宜采用地表深孔袖閥管注漿技術(shù)，地表注漿施工時(shí)要超前掌子面不少于30 m的安全距離，注漿范圍橫向?yàn)樽畲罂鐑蓚?cè)各4 m且不少于2排孔用水泥-水玻璃雙液漿，洞身部分采用水泥單液漿；雙液漿注漿范圍豎向?yàn)檠龉暗滓韵? m至拱頂以上5 m，單液漿注漿范圍豎向?yàn)楣绊斠陨? m至拱頂以下1 m，仰拱底以下4 m至仰拱底以上1 m。當(dāng)隧道下穿沖溝時(shí)，宜在沖溝及沖溝前后50 m范圍內(nèi)采用全斷面地表注漿，注漿范圍橫向?yàn)樽畲罂鐑蓚?cè)各4 m且不少于2排孔用水泥-水玻璃雙液漿，洞身部分采用水泥單液漿；雙液漿和單液漿注漿范圍豎向?yàn)檠龉暗滓韵? m至拱頂以上5 m。

注漿量的計(jì)算：

式中，Q為注漿量；r為注漿擴(kuò)散半徑；h為注漿長(zhǎng)度；n為地層空隙率（由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，黃土地層一般為0.2～0.4）；α為漿液填充率（取值0.9～1）；β為漿液損失系數(shù)（取值0.1～0.3）。

注漿孔間距（1.8～2.25）m ×（1.8～2.25）m，梅花形布置，注漿擴(kuò)散半徑為1.1～1.3 m，注漿壓力3～5 MPa，采用φ76 mm δ5 mm鋼性袖閥管垂直注漿，接頭采用φ89 mm δ5 mm無(wú)縫鋼管。采用后退式分段注漿工藝［11］，分段長(zhǎng)度為1～1.5 m。

地表深孔袖閥管注漿后掌子面開挖揭示黃土裂隙填充完好，注漿結(jié)石率高，漿脈可見且充填致密，土體膠結(jié)緊密，穩(wěn)定性高。部分芯樣及注漿效果如圖5、圖6所示。

圖5 部分芯樣

圖6 地表深孔袖閥管注漿后填充效果

3.3.4 基底袖閥管注漿加固技術(shù)

（1）對(duì)于仰拱未施工段：仰拱部位初支施工時(shí)預(yù)埋φ89套管，施作袖閥管注漿對(duì)基底軟塑層進(jìn)行加固處理。注漿孔按2.25 m×2.25 m三角形布置，注漿擴(kuò)散半徑為1.3 m，注漿壓力1.5 ～2 MPa，袖閥管采用 φ50 mm δ3.5 mm 剛性袖閥管，后退式分段注漿工藝，分段長(zhǎng)度1.0～1.5 m，加固范圍為仰拱開挖輪廓線外4 m，漿液選用普通硅酸鹽水泥單液漿添加硫鋁外加劑配合比W∶C＝0.8 ～1∶1［12］，注漿完成后仰拱及仰拱填充范圍內(nèi)采用雙快水泥封口。

（2）對(duì)于仰拱已施工段：仰拱填充面打設(shè)φ90注漿孔，其余參數(shù)同仰拱未施工段。

4 結(jié)束語(yǔ)

隧道在拱頂、洞身及隧底長(zhǎng)距離通過(guò)軟塑黃土地層施工時(shí)極易發(fā)生變形、坍塌，主要原因是該地層中富含構(gòu)造裂隙和裂隙水，可以分區(qū)段采取洞內(nèi)帷幕注漿、地表袖閥管注漿、地表降水及隧底袖閥管注漿等工程技術(shù)措施（這些措施是依據(jù)土體含水率來(lái)定）來(lái)填充黃土裂隙和抽排走裂隙水，確保隧道穿越軟塑黃土層的施工安全并有效避免工程隱患及工期風(fēng)險(xiǎn)。