賈元霞

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

寶蘭高鐵是我國在西北黃土高原地區(qū)修建的首條高速鐵路，全線共有隧道71座，總長272.4 km，隧線比達68%，其中，51.5 km(65座)隧道洞口或洞身穿越黃土地層，占全線隧道總長的19%。沿線黃土分布廣泛，特別是天水至蘭州段，需穿越我國黃土濕陷性最強、黃土陷穴最發(fā)育、黃土滑坡地質(zhì)災害最嚴重的區(qū)域[1-3]。同時，沿線有利的補水條件及易于富水的黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)地層等特殊地質(zhì)條件，孕育出連續(xù)分布的高含水率黃土地層[4-6]。本線隧道開挖斷面達160 m2，由于黃土垂直節(jié)理發(fā)育，施工過程中易出現(xiàn)支護整體變形大、地表開裂甚至突然性塌方，施工風險大[7-9]。而黃土具有特殊的水敏性，在低含水率條件下表現(xiàn)出較高強度和良好自穩(wěn)能力，當含水率較大時，會出現(xiàn)軟、流塑性質(zhì)，自穩(wěn)性很差[10-11]。在高含水率黃土地層中修建隧道，易出現(xiàn)掌子面突水涌泥及圍巖變形失穩(wěn)，處理不當會出現(xiàn)洞頂坍塌，嚴重時可能出現(xiàn)地表下沉，甚至冒頂塌方[12-14]。

雖然以往鄭西、西延、寶中、神延等鐵路建設過程中在黃土隧道修建技術(shù)方面積累了大量經(jīng)驗并取得豐碩科研成果[15-17]，并形成了部分高含水黃土隧道修建關(guān)鍵技術(shù)[18-22]，但寶蘭高鐵面臨的在連續(xù)長段落高含水率黃土地層中修建大斷面隧道尚屬首次，在含水率高、圍巖穩(wěn)定性差、地基承載力低的黃土地層中進行大跨度隧道開挖施工，缺少相關(guān)經(jīng)驗，也是黃土隧道工程中亟待解決的一個創(chuàng)新性技術(shù)難題。

1 寶蘭高鐵黃土物理力學特性分析

寶蘭高鐵沿線10座典型黃土隧道的762組黃土試樣(主要為Q3砂質(zhì)黃土)室內(nèi)物理力學試驗結(jié)果表明，其平均含水率為16.5%，接近塑限，最高含水率為31%，達到飽和狀態(tài)；平均飽和度為64.8%，壓縮模量僅為6.7 MPa，如表1所示。

表1 寶蘭高鐵及鄭西高鐵黃土物理力學參數(shù)對比

與鄭西高鐵沿線隧道穿越的黃土地層相比[15]，寶蘭高鐵穿越的黃土地層含水率及飽和度明顯偏高，土體密度和干密度也稍高，但孔隙比稍小，壓縮模量僅為鄭西高鐵的一半左右，黏聚力略大，內(nèi)摩擦角幾乎相同，表明兩個地區(qū)的黃土在抗剪能力上相差不大。寶蘭高鐵穿越的黃土區(qū)與鄭西高鐵最大的區(qū)別是黃土含水率較高。

通過鄭西高鐵研究成果和寶蘭高鐵現(xiàn)場含水率的統(tǒng)計分析，對黃土含水率進行分類，并給出對應的黃土狀態(tài)，如表2所示。根據(jù)黃土隧道圍巖含水率的分類，寶蘭高鐵沿線黃土以中高-高含水率為主，含水率在20%以上的隧道比例很高，部分黃土隧道含水率可達28%～29%，接近飽和。

表2 黃土含水率分類

2 高含水率黃土隧道施工典型病害

以寶蘭高鐵上莊隧道為例，洞身主要穿越第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土及第三系上新統(tǒng)泥巖，隧道出口DK983+060～DK982+780段由于埋深淺，地表沖溝發(fā)育，加之隧道所處地區(qū)近年降雨豐富，導致洞身土體含水率高，現(xiàn)場實測黃土圍巖含水率為25.7%～32.1%，呈軟塑狀，自穩(wěn)能力差、承載力低(僅100 kPa左右)。開挖后掌子面土體暴露一段時間后，土體含水率進一步增大，圍巖整體穩(wěn)定性進一步變差，施工開挖過程中局部掉塊、坍塌和溜坍現(xiàn)象時有發(fā)生，且在DK982+998、DK983+020、DK983+054等里程掌子面發(fā)生較為嚴重的溜塌和突涌現(xiàn)象，地表出現(xiàn)裂縫，如圖1所示。隧道施工過程中雖然多次調(diào)整圍巖等級并加強支護措施，但高含水率黃土圍巖病害問題仍頻繁發(fā)生。施工期間監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，拱頂最大累計沉降量達617.4 mm，最大收斂值達236.2 mm，初期支護局部出現(xiàn)大變形和侵限。

圖1 上莊隧道正洞掌子面突涌、溜塌

此外，與上莊隧道線路正線相交里程為DK980+700的斜井，在進洞32 m處基底出現(xiàn)滲水，實測基底黃土含水率為28.8%。隨掌子面推進，滲水位置上升，進洞130 m時掌子面土體呈淤泥狀，含水率為32%，滲水量約60 m3/d，拱頂下沉最大達1.5 m[21]?，F(xiàn)場通過增設管棚、掌子面打設木樁、加強初支等手段仍無法控制下沉，最終因掌子面無法自穩(wěn)出現(xiàn)滑移、坍塌，如圖2所示。

圖2 上莊隧道斜井掌子面涌泥、坍塌

現(xiàn)場分別對掌子面上、中、下臺階的含水率及仰拱基底承載力進行統(tǒng)計，見表3。

表3 洞身含水率、基底承載力試驗統(tǒng)計

3 超前深孔劈裂注漿方案

由于病害段隧道埋深較大，且洞內(nèi)飽和黏質(zhì)黃土滲透性較差，從地表或洞內(nèi)進行降水均難以實現(xiàn)，需在洞內(nèi)對掌子面前方一定范圍軟弱圍巖進行預加固。考慮到以往類似工程采用的水平旋噴樁方案施工效率較低、加固效果不易保障等問題，綜合現(xiàn)場實際條件，最終確定“超前深孔劈裂注漿+管棚”施工方案。不同于常規(guī)劈裂注漿，一般劈裂注漿并不改變土層的物理力學性質(zhì)，主要是通過漿液形成的骨架起到加固作用。而針對富水黃土的擠壓排水注漿主要是通過高壓擠出土中水分來改善黃土物理力學性質(zhì)，漿液骨架作用仍然存在，但主要是前者的作用，其作用原理如圖3所示。

圖3 高壓排水注漿作用機理

3.1 注漿工藝選擇

目前，隧道洞內(nèi)深孔帷幕注漿主要采用“分段前進式注漿”和“鉆桿后退式注漿”施工工藝。上莊隧道施工前期，在斜井井身相同地質(zhì)條件下進行深孔帷幕注漿試驗段施工，采用“分段前進式注漿”工藝，整個注漿段(25 m)注漿施工共計34 d，開挖揭示注漿效果較理想，滿足開挖施工要求。但上莊隧道正洞開挖斷面大，約為斜井開挖斷面的5倍，對工期、注漿效果要求均較高，且“分段前進式注漿”重復掃孔工程量大，工期不能保證，而“鉆桿后退式注漿”為一次性成孔，后退注漿，由于上莊隧道出口為黃土富水地層，能滿足“鉆桿后退式注漿”施工的要求。故經(jīng)比選，最終確定“鉆桿后退式注漿”施工工藝。

3.2 漿液類型選擇

目前常用的漿液類型有：普通水泥單液漿、水泥水玻璃雙液漿、快硬硫鋁酸鹽水泥單液漿、超細水泥等，不同漿液的特點如表4所示。

表4 不同漿液優(yōu)缺點分析

在帷幕注漿施工中，由于全加固范圍內(nèi)均為高含水率黃土，遇水軟化成流塑狀，為避免漿液流動性過強造成水泥漿的流失，同時為加快注漿施工，漿液的初凝時間必須控制在60 s以內(nèi)。既有研究表明，水玻璃可與黃土中的堿土金屬發(fā)生化學作用，生成一種堿金屬水合硅酸鹽和二氧化硅凝膠，充填了黃土中的孔隙，增加了土粒間膠結(jié)力，使土體硬化，強度增加。同時，水玻璃能加快水泥的水化作用，使水泥漿液初凝時間加快，結(jié)石體早期強度提高[22]。故本項目注漿選擇普通水泥-水玻璃雙液漿，漿液初凝時間控制在30～35 s。

3.3 注漿方案設計

(1)止?jié){墻：止?jié){墻采用C35混凝土澆筑，厚3.0 m，周邊采用2排環(huán)向間距1.0 m，排距1.0 m，長3 m的φ25 mm砂漿錨桿，嵌入圍巖2 m。周邊預埋長1.5 m，φ42 mm導管，止?jié){墻澆筑完成后，通過導管進行注漿對止?jié){墻與初期支護間的裂隙進行封閉。

(2)加固范圍：縱向長25 m(含止?jié){墻)，全斷面超前注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m，擴散半徑為1.8 m，共設2個終孔斷面，總共設計86個孔，如圖4所示。

圖4 帷幕注漿開孔布置(單位：m)

(3)漿液參數(shù)：漿液類型為普通水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比mW∶mC=0.8∶1，水玻璃波美度為30～40°Bé，水泥與水玻璃混合配比mC∶mS=1∶1。

(4)注漿工藝：全斷面超前注漿采用“鉆桿后退式注漿”施工工藝，分段長2 m。施工采用多功能地質(zhì)鉆機開φ130 mm孔，開孔深1.5 m，安設1.5 m長φ108 mm孔口管，再通過孔口管鉆設φ63 mm的孔進行注漿施工。為進一步明確加固范圍內(nèi)圍巖情況，先施作B1、B4、B7、B10、B13、B16、B18孔作為超前地質(zhì)探孔，對地質(zhì)情況進行判釋。在上述7孔施作完畢后，注漿順序按發(fā)散-約束型注漿原則進行，采用“先外后內(nèi)、由下到上、間隔跳孔”的原則進行其他注漿孔施工。注漿結(jié)束標準采取定壓定量相結(jié)合的控制標準，注漿終壓為3～4 MPa。注漿設計參數(shù)如表5所示。

表5 注漿設計參數(shù)

4 注漿效果分析

(1)掌子面穩(wěn)定性

注漿段開挖過程揭示，整個掌子面漿液擴散均勻，漿脈粗壯清晰，漿液結(jié)石體固結(jié)強度高呈硬塑狀，注漿后圍巖含水率顯著降低，實測結(jié)果表明，掌子面前方土體含水率從注漿前的26%～32%降至10%～13%，開挖時無滲水現(xiàn)象，圍巖不再發(fā)生坍塌、掉塊，加固效果良好，如圖5所示。

圖5 注漿加固后掌子面情況

(2)圍巖變形情況

為進一步驗證超前深孔劈裂注漿對富水黃土圍巖變形控制效果，分別在上莊隧道斜井及正洞鄰近段落上設置對比監(jiān)測斷面，對有、無注漿加固措施條件下的拱頂沉降和邊墻水平收斂變化情況進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明(圖6、圖7)，斜井未實施注漿斷面(DK982+110)在18 d內(nèi)拱頂累計沉降47.53 cm、水平收斂值20.72 cm，斜井實施注漿斷面(DK982+070)在18 d內(nèi)拱頂累計沉降18.36 cm、水平收斂值8.99 cm；正洞未實施注漿斷面(DK983+100)在18 d內(nèi)拱頂累計沉降45.04 cm、水平收斂值19.58 cm，正洞實施注漿斷面(DK982+055)在18 d內(nèi)拱頂累計沉降19.01 cm、水平收斂值9.86 cm。

圖6 上莊隧道斜井試驗段圍巖變形時程曲線

圖7 上莊隧道正洞試驗段圍巖變形時程曲線

可以看出，在相似的富水黃土地層條件下，采用超前深孔劈裂注漿，將隧道拱頂沉降量從45～47 cm降低至18～19 cm，邊墻水平收斂值從19～21 cm降低至8～10 cm，圍巖變形減小比率約60%；同時，注漿后圍巖變形發(fā)展基本在6～8 d內(nèi)趨于穩(wěn)定，說明超前深孔劈裂注漿對富水黃土圍巖變形控制效果顯著，滿足隧道安全施工要求。

此外，上述超前深孔劈裂注漿技術(shù)在安定隧道、魏家咀隧道等工程中進一步應用，黃土圍巖含水率明顯減小、掌子面整體穩(wěn)定性較好，反映出該方案處理效果理想、措施合理得當，對后續(xù)類似工程具有較高的推廣價值。

5 結(jié)語

(1)黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)地質(zhì)條件易形成連續(xù)的高含水率黃土地層，隧道施工風險和難度極大。提出的“超前深孔高壓劈裂注漿”以改善黃土物理力學性質(zhì)的加固方案，可有效控制掌子面突水涌泥，提高圍巖穩(wěn)定性。

(2)通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，采用普通水泥-水玻璃雙液漿，水泥與水玻璃配比1∶1，注漿終壓3～4 MPa，配合“鉆桿后退式注漿”施工工藝，可一次性加固掌子面前方25 m范圍的高含水率黃土圍巖。