高原富水冰磧隧道洞內(nèi)坍塌成因與處置技術研究
——以拉林鐵路米林隧道為例

陳天明

(中鐵十九局集團有限公司，北京 100176)

0 引言

加快我國西南地區(qū)鐵路建設，改善其交通運輸條件與投資環(huán)境，是促進該地區(qū)繁榮與經(jīng)濟快速發(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)復雜。拉林鐵路米林隧道是我國首條穿越冰磧層地質(zhì)的隧道，復雜的富水冰磧地質(zhì)給隧道施工帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。能否解決隧道穿越高原富水冰磧地層的技術難題，既關系到拉林鐵路的建設質(zhì)量和能否按期建成通車，也關系到西南冰磧地區(qū)今后的隧道建設。冰磧地層廣泛分布于歐洲、北美洲和中國西部的高原山地，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)工程建設的逐步開展，對冰磧地層工程地質(zhì)特性和工程處治措施的研究引發(fā)了國內(nèi)外關注，并逐步成為研究熱點。自20世紀50年代，國內(nèi)許多專家、學者進行了相關的研究和探索，并取得了一定成果，可以歸納為以下8個方面： 1)冰磧土的力學性質(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、地表水對冰磧地層的破壞作用及其對工程建設的影響[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方面尚有待探索。在我國西部高原山地冰磧地層廣泛分布以及當前國內(nèi)推行“一帶一路”建設和西部大開發(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進行探索，以期為解決我國西部地區(qū)富水冰磧地層鐵路隧道建設中的技術難題提供借鑒。

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，地勢起伏跌宕，海拔在2 940～4 230 m。隧道縱斷面標高在2 965～3 076 m，隧道最大埋深為1 200 m。隧道進、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控制工程，也是沿線地質(zhì)條件最復雜的隧道。隧道起訖里程為D2K378+111～D2K389+671，全長11 560 m。LLZQ-12標施工斜井—出口段(D2K384+085～D2K389+671)長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)局部夾細砂層透鏡體，且由D2K387+503.4向D2K387+469開挖方向，細砂、粉土等細顆粒含量明顯增多，圓礫土以上粗顆粒含量僅占20%～30%，其余為細砂及黏性土等充填。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給，水位位于拱頂以上約73.5 m處，地下水對混凝土結構無侵蝕性。

1.3 冰磧段預設計開挖支護方案

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，由于施工時掌子面圍巖尚能自穩(wěn)，水量有所減少，故取消了該段原設計的帷幕注漿，其余開挖與襯砌方案仍執(zhí)行原設計。

1.4 洞內(nèi)坍塌情況

發(fā)生洞內(nèi)坍塌時，全隧上、中臺階及線路右側下臺階的開挖和初期支護工作均已完成，僅剩余線路D2K387+477～+485段約8 m范圍內(nèi)的左下臺階尚未開挖。2020年5月2日0時10分，在線路D2K387+485處進行左側下臺階開挖時，發(fā)現(xiàn)該處初期支護已發(fā)生變形；至0時40分，D2K387+485處附近中臺階的初期支護鋼架開始垮塌；至1時20分，拱部鋼架開始垮塌；至1時45分，線路左側邊墻及拱部鋼架垮塌至D2K387+477處。截至當日5時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邊墻，最大塌腔斷面發(fā)生在D2K387+480處，目測拱部最大塌腔高度為8～10 m，線路左側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冰川消融過程中，由冰川遷移所挾帶和搬運的未經(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)為無分選、無定向、無磨圓、無層理等。

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

4)堆積物中含有適應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的特殊形成過程。

2.3 富水冰磧地層的工程力學特征

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

1)卵石土層(密實)，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)成分以弱風化片麻巖為主，空隙以坡積的細角礫及粉土充填，其厚度為5～36 m，部分稍厚，屬Ⅳ級軟石，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)，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、細角礫充填，屬Ⅳ級軟石，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]在對川藏線拉林鐵路隧道穿越的富水冰磧層試樣進行大型三軸剪切試驗研究后發(fā)現(xiàn)，拉林段富水冰磧地層土壤為級配不良土。其試驗表明： 隨著相對密實度的增加，冰磧層的抗剪峰值強度呈先增加后平穩(wěn)的變化趨勢，黏聚力總體呈逐漸增大趨勢；隨著含水率的增加，冰磧層的抗剪峰值強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；飽和含水率下的黏聚力為天然含水狀態(tài)下的23%，顆粒間的黏聚強度對抗剪峰值強度有明顯影響。因此，在施工中應特別注意冰磧層的含水率。

同時，實踐表明，地下水對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配不良的卵石、漂石及細砂、粉土層，具有半膠結(泥質(zhì)膠結)及超固結特性，在干燥狀態(tài)下，承載力可達500 kPa以上，遠大于一般的卵石、漂石及細砂、粉土層。但在水的浸泡和擾動作用下，結構會迅速遭到破壞，呈現(xiàn)散粒狀或泥狀，冰磧層的承載力和穩(wěn)定性會迅速降低。在地下水流作用下，冰磧地層中細小顆粒受水流沖刷會發(fā)生遷移，在水流經(jīng)過區(qū)域形成松動的架空漂卵石結構，在水流外露區(qū)域形成細粒土匯聚地層，而細粒土含量的不同又會引起土體結構的變化，從而導致水流外露區(qū)圍巖抗剪強度降低。蔣德旺等[7]的研究表明，當冰磧地層中細顆粒(2 mm以下)含量有一定程度的增加時，土體抗剪強度會有所增大，但當細顆粒含量達到23.6%后，土體抗剪強度會隨著細顆粒含量的增加而明顯降低，容易發(fā)生剪切破壞。

此外，嚴健等[5]對隧道冰磧地層圍巖凍脹力的現(xiàn)場原位測試表明： 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，凍融圈厚度達2 m左右，原位測定的凍脹壓力為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]對冰磧層圍巖的穩(wěn)定性及亞分級的研究表明，冰磧層圍巖的抗剪強度隨其含石量的增大而增大；當含石量小于30%時，增速較緩；當含石量大于30%時，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及工程力學特征，經(jīng)綜合分析，由地質(zhì)問題導致隧道洞內(nèi)坍塌的原因主要有以下幾個方面：

1)坍塌段屬于富水冰磧地層，圍巖中細砂、粉土等細顆粒含量較高，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)形成松動的架空漂卵石結構，在地下水出露區(qū)形成細顆粒匯聚，引起冰磧地層土體結構發(fā)生變化，導致地下水出露區(qū)抗剪強度顯著下降。

2)坍塌段地下水較為發(fā)育，水量較大，不但對冰磧地層起到了侵蝕、軟化作用，而且為冰磧地層中細砂、粉土等細顆粒的遷移創(chuàng)造了條件，最終導致在遠離掌子面的圍巖中形成松散的架空漂卵石結構，圍巖自穩(wěn)性下降，在地下水出露區(qū)形成細顆粒匯集和擁堵，造成掌子面水壓增加和土體結構發(fā)生變化，圍巖抗剪強度顯著下降。地下水對細砂、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，全隧右側、拱頂和左側上中臺階均已貫通，并完成初期支護封閉，僅剩余8 m范圍內(nèi)左下臺階尚未開挖，全隧絕大部分的襯砌封閉造成了外泄地下水的匯聚，導致開挖面水量和水壓增加，進一步加速了開挖面的坍塌。

4)在坍塌段富水冰磧地層中，局部夾細砂層透鏡體，且隨著D2K387+503.4向D2K387+469開挖方向細砂、粉土等細顆粒含量明顯增多，土體中含石量的減少顯著降低了冰磧圍巖的抗剪強度和自穩(wěn)性，加劇了地下水對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)場勘察，結合對隧道坍塌段地質(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方面：

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

2)現(xiàn)場施工時，開挖、支護欠規(guī)范，超前支護與系統(tǒng)支護未達到預期效果，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)性初期支護失穩(wěn)，從而導致了垮塌范圍的擴大。

3)施工方對富水冰磧地層工程地質(zhì)特性認識不足，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致圍巖穩(wěn)定性顯著下降時，缺乏相應的警覺和應對坍塌的工程技術措施。

3.3 設計原因

根據(jù)施工開挖揭示的地質(zhì)情況，雖然在當前的圍巖狀態(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，圍巖的膠結力和抗剪強度會迅速降低，在地下水對冰磧地層中細顆粒的沖刷和遷移作用下，隧道冰磧圍巖的穩(wěn)定性也會隨之下降。如果該段仍能執(zhí)行原設計的帷幕注漿加固措施，雖然工程成本會有所增加，但是可以阻止此次坍塌的發(fā)生。因此，取消該段地層原設計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、勘察設計、施工與監(jiān)理單位4方現(xiàn)場踏勘，結合隧道洞內(nèi)坍塌與所處富水冰磧地層實際情況，經(jīng)會議商定，擬采取以下措施對坍塌段進行加固和處治：

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構的土體強度和穩(wěn)定性，對塌腔內(nèi)回填的松散碴體和地下水遷移產(chǎn)生的架空結構采用超前帷幕注漿加固，以填充回填碴體和架空結構間的空隙。

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

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

4)為防止在封閉后的塌腔中形成水囊，對隧道圍巖和護拱造成長期侵蝕，吹砂結束后，在吹砂管底部連接排水盲管，并接入側溝，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構積水，以致冬季發(fā)生凍脹，針對高原氣候寒冷、冬季漫長和冰磧地層常年富水等特點，對隧道塌腔及兩端一定長度范圍內(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為Ⅴ2亞級圍巖，結合王明年等[9]的研究成果，對坍塌段采用“帷幕注漿+管棚+小導管”超前加固和Vd型復合襯砌支護措施。

4.2 處治方案

在對富水冰磧地層隧道塌腔進行處理時，嚴格遵循“穩(wěn)固塌體、填充塌腔、加強監(jiān)測、謹慎通過”的處置原則進行施工，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、勘察設計、施工與監(jiān)理單位4方對富水冰磧地層地質(zhì)與隧道洞內(nèi)塌陷狀況的現(xiàn)場踏勘、分析，綜合上述處治思路后，確定采用“塌腔及兩端回填反壓+灌注塌腔混凝土護拱+兩端穩(wěn)定段徑向注漿與套拱加固+側重左側壁周邊超前帷幕注漿+超前小導管+大管棚+三臺階法開挖支護+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段進行分層回填反壓，層高按1 m控制，對線路左側塌腔盡量回填充滿，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，并在遠離塌腔端各施作1個長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，以便于機械作業(yè)。

4.3.2 灌注塌腔混凝土護拱

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間距預埋1排φ108 mm×6 mm、長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，對塌腔進行封閉，并在每端預埋3根φ42 mm的排氣管。從兩端預留口同時向塌腔內(nèi)泵送C20自流混凝土，形成厚度不小于3 m的混凝土護拱。塌腔內(nèi)混凝土護拱分2層進行灌注，間隔時間約8 h。

4.3.3 兩端穩(wěn)定段加固

對D2K387+434.6～+470與D2K387+486～+494段采用φ42 mm鋼花管徑向注漿，長度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鋼架焊接，加強鎖腳。對斜井端D2K387+461.6～+467左側邊墻變形段空腔采用砂漿充填，然后進行拱架拆換；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，首先在線路左側施作局部超前帷幕注漿,側重于加固線路左側混凝土護拱以下滑塌形成的松散體及左側拱圈外圍巖，注漿段長度為16 m，注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m、隧底以下2 m； 其次對中部及線路右側上臺階處拱圈進行帷幕注漿加固，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： 出口端上臺階右側共布設注漿孔6排16孔，通過調(diào)整外插角實現(xiàn)中、下臺階的加固，開孔間距為50 cm。

②區(qū)加固： 出口端鉆注一體機后退一定距離，于平臺上斜向施作中、下臺階補強注漿孔，補強孔的孔數(shù)、位置及角度根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

③區(qū)加固： 斜井端于封閉面施作上、中臺階補強孔，注漿加固斜井端在帷幕注漿時預留的5 m安全區(qū)，頂部孔水平設置，下部孔根據(jù)現(xiàn)場情況按20°～30°布孔。

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

⑤區(qū)加固： 出口端左側自拱頂向下沿開挖輪廓線按1.0 m間距布設注漿孔5個(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。帷幕注漿后鉆孔驗證注漿效果，達到要求后方可進行開挖。

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22 m。管棚注漿采用單液漿。

4.3.6 開挖支護

帷幕注漿完成后，在護拱和管棚掩護下對洞內(nèi)加固后的坍塌土體采用三臺階法開挖，初期支護時拱頂位置按設計預留變形量8～10 cm，左、右拱腰鋼架按預留變形量10～12 cm。上臺階開挖循環(huán)長度為50 cm，下臺階開挖循環(huán)長度為150 cm，臺階高度按圖4設置，采用人工配合風鎬進行開挖，嚴禁爆破開挖。

在開挖時，對D2K387+470～+486段拱墻施作φ42 mm超前小導管進行支護；對D2K387+461.5～+470段中、下臺階施作超前小導管進行支護。超前小導管環(huán)向間距均為0.2 m，單根長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。

對塌方的D2K387+470～+486段加強支護采用全環(huán)I20b型鋼鋼架，間距0.5 m，每榀鋼架上、中、下臺階鎖腳均采用2根5 m長φ42 mm鋼花管，每2榀施作6 m長φ76 mm鎖腳錨管，及時注漿。D2K387+470～+486段取消系統(tǒng)錨桿，全環(huán)設置φ42 mm徑向鋼花管注漿加固圍巖及堵水，單根長5 m，左側邊墻及拱頂范圍內(nèi)間距為0.8 m(縱向)×0.6 m(環(huán)向)，右側邊墻范圍內(nèi)間距為0.8 m×0.8 m，交錯布置。注漿采用上述的水泥-水玻璃雙液漿。開挖后應立即初噴混凝土，及時架設鋼架，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體系，共同受力。開挖后，對基底承載力進行檢測，如承載力小于200 kPa，應及時采取加固措施。

4.3.7 吹砂回填

在初期支護完成后，在拱頂和兩側拱腰位置設置變形監(jiān)測點，對隧道初期支護變形進行觀測。施工期間在7個斷面設置監(jiān)測點，監(jiān)測變形情況如表2所示。除個別斷面拱架變形較大侵出設計初期支護面，須換拱后二次澆筑混凝土襯砌處理外，其余斷面初期支護變形侵出設計初期支護面均小于5 cm，在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

表2 塌方段斷面監(jiān)控量測沉降與收斂值

待隧道初期支護變形穩(wěn)定及處理結束后，對D2K387+470～+486段混凝土護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對護拱及拱架造成過大沖擊，并注水泥漿對砂層予以加固，防止富水地層中砂土流失。塌腔吹填完成后，于吹砂孔底面設置3根φ80 mm排水盲管，并接入側溝。

4.3.8 二次襯砌

初期支護完成后，沿隧道拱墻鋪設防水板。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)向主筋由原來的單層φ20@200 mm調(diào)整為2φ22@150 mm，縱向分布鋼筋按原設計φ14@250 mm布置。二次襯砌完成后，對洞身受冬季低溫凍脹影響進行觀測，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 結論與建議

本文以新建拉林鐵路米林隧道為例，對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進行了深入探索，主要結論與建議如下。

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、大小無分選、排列無定向，土體級配不良，地層無層理、透水性較好、低溫易凍脹； ②富水冰磧圍巖的抗剪強度隨著圍巖含石量和密實度的增加而增大，隨著圍巖細顆粒含量和含水率的增加而減小；③地下水對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構區(qū)和細顆粒匯集區(qū)，嚴重破壞圍巖結構，降低圍巖抗剪強度和穩(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，主要包括以下幾個方面： ①及時回填反壓和設置合適厚度的塌腔護拱，防止塌腔擴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吹砂回填設置緩沖層，防止冰磧圍巖中大塊漂石掉落對隧道護拱和拱架產(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，設置塌腔排水系統(tǒng)，對富水周邊圍巖注漿加固，減少地下水對圍巖的浸蝕和凍脹病害； ⑤按照富水冰磧地層的圍巖分級，采取相應的開挖方式和支護結構，保證工程質(zhì)量和施工安全。

3)在高原地區(qū)進行富水冰磧地層隧道施工時，應注意： ①須重點掌握隧道冰磧圍巖的地質(zhì)特征和水文狀況，施工前要判斷設計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的擾動，并制定防坍塌的相應安全、技術措施； ②要縮短開挖步距與暴露時間，加強圍巖變形和水量、水壓監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場圍巖和水量、水壓情況，及時調(diào)整開挖方式或爆破藥量，及時變更支護與加固方案，防止出現(xiàn)洞內(nèi)坍塌。