高含水量火山堆積層隧道開挖失穩(wěn)特性與處治

詹德勝，董康強，靳自強，戴華明

（1.四川西南交大鐵路發(fā)展股份有限公司，四川成都 610091；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；3.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000）

1 引言

某國外高鐵，最高設(shè)計速度達350 km/h，其中某號隧道是其重要組成部分。然而，隧道穿越的地層為火山堆積層，含水量高且地質(zhì)條件不良，施工難度大，對技術(shù)要求高。在該地質(zhì)條件下進行隧道建設(shè)，開挖時地層勢必會因受到擾動而強度降低，從而導致隧道易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

高含水量火山堆積層不同于一般巖體，其含水率高，巖性復(fù)雜，這主要與其成因機制密切相關(guān)[1-4]。鑒于此，相關(guān)學者對火山堆積層的物理力學性質(zhì)進行了深入的研究，Srivastava 等[5]對印尼中部的Purna 盆地地層進行了研究，闡述了火山堆積層的性質(zhì)產(chǎn)狀和巖層構(gòu)造。劉之的等[6]基于巖石力學參數(shù)與有效應(yīng)力的關(guān)系，提出了利用巖石泊松比來計算巖石的有效應(yīng)力的方法，從而預(yù)測火山堆積層的孔隙水壓力大小。苗天雨等[7]通過現(xiàn)場直剪試驗以及室內(nèi)試驗得到了火山堆積層的物理力學性質(zhì)，并利用數(shù)值模擬軟件對隧道超前支護措施進行了研究。馬百財[8]采用收集資料、現(xiàn)場調(diào)查、鉆探、原位測試、室內(nèi)試驗等綜合勘探方法研究了西爪哇島火山堆積層工程地質(zhì)特性及主要工程地質(zhì)問題。為了給工程設(shè)計提供合理的巖土參數(shù)及切實可行的工程措施和建議，之前少部分學者對火山堆積層的工程地質(zhì)特性進行了相關(guān)研究。楊奕曜等[9]通過X 衍射、電子探針、掃描電鏡、激光拉曼等方法對新西蘭北島Taupo 火山帶Waiotapu 地熱區(qū)火山噴口堆積物巖礦特征及特殊結(jié)構(gòu)進行了研究，結(jié)果表明，火山口堆積物可分為球粒流紋巖、流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r和硫磺土3 類。

許多學者針對高含水量火山堆積層隧道建設(shè)方案進行了研究，胡啟升等[10]提出了火山堆積層隧道修建的施工方案，并對地表下沉、拱頂下沉、水平收斂進行了監(jiān)控量測。韓華軒等[11-12]基于印尼雅萬高鐵1 號隧道穿越互通橋臺樁底、收費站樁底、寺廟等困難問題，對穿越清障方案、繞避方案、隔離加固方案進行了可行性論證。針對火山灰軟土隧道預(yù)加固，提出了旋噴樁預(yù)加固處理手段。龔翼等[13]對火山堆積層隧道修建過程中的淺埋偏壓地段，提出了“早進晚出，零仰坡”的原則組織施工，提倡“零開挖”安全進洞，利用洞口大管棚超前支護技術(shù)有效解決了施工難題。

雖然相關(guān)學者對高含水量火山堆積層成因、物理力學性質(zhì)、工程地質(zhì)特性以及隧道建設(shè)方案進行了一些研究，但對于隧道失穩(wěn)破壞特征以及相應(yīng)的控制措施研究甚少。因此，研究如何控制隧道開挖大變形病害，并采取相應(yīng)的控制措施以確保施工安全，具有非常重要的意義。本文基于某國外鐵路某號隧道修建過程中產(chǎn)生的失穩(wěn)破壞問題，分析其破壞特征類型，提出了相應(yīng)的控制措施，為類似工程研究提供了借鑒經(jīng)驗。

2 工程概況

2.1 工程背景

某國外鐵路某號隧道位于普望加達西南側(cè)，地勢起伏較大，隧道附近有村落，地表多為農(nóng)田和樹林。隧道全長1 052 m，設(shè)計速度目標值為350 km/h，為單洞雙線隧道，最大埋深約53.6 m，最小埋深僅4.0 m，且右側(cè)偏壓。隧道進口至DK74+200 范圍內(nèi)縱坡為17‰上坡，DK74+200 至DK75+062 范圍內(nèi)縱坡為30‰上坡，洞門、明洞段采用明挖法施工，其余區(qū)段采用三臺階臨時仰拱法施工。

2.2 地質(zhì)條件及水文發(fā)育特征

隧道均為V 級圍巖，隧道穿越的不良地質(zhì)包括火山堆積層、膨脹土、膨脹巖，火山堆積層地層含水量高，孔隙比大，土石交界處容易產(chǎn)生塌方；膨脹土具有弱膨脹性，自由膨脹率為40%～54%；膨脹巖具有中等膨脹性，自由膨脹率為68%～80%。

隧道洞身從DK74+216 處起存在基巖裂隙水，滲水量較小，呈滴狀，到DK74+224 段開挖面呈股狀流水，局部滲漏點涌水量達到33.2 m3/天。隧址區(qū)范圍雨季部分沖溝內(nèi)有季節(jié)性流水，地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，鉆探揭露埋深2.35～5.25 m，火山成因黏性土孔隙比大、含水率高，隧道洞身存在孔隙水及基巖裂隙水。

2.3 氣候特征

隧址沿線屬熱帶雨林氣候，終年炎熱而潮濕，按降雨量大小分為旱季、雨季。11 月至次年3 月為雨季西北季風期，多雨多云，4～10 月為旱季東南季風期，晴天多而雨量少，年平均降雨量為2 400 mm，對隧道施工影響較大。

3 高含水量火山堆積層隧道變形失穩(wěn)特征與控制措施

3.1 隧道地表沉降開裂特征分析與控制措施

在強降雨的影響下，隧道掌子面施工至DK74+187處時，隧道地表發(fā)生開裂，拱頂最大沉降41.1 mm，距離隧道中線右側(cè)17～30 m 范圍內(nèi)幾處磚房出現(xiàn)較大開裂，地表出現(xiàn)5～15 cm 寬的貫通裂縫。在隧道DK74+196～DK74+202 處正洞拱頂上方出現(xiàn)沉降塌坑，經(jīng)測量塌坑直徑約8 m，深度約5 m，塌方量約130 m3。如圖1、圖2 所示。

圖1 隧道地表開裂

圖2 隧道地表沉降塌坑

采取的控制措施為疏散居民，封閉地表裂縫，完善截排水措施，錨網(wǎng)噴封閉掌子面，初支施工時采用斜撐、豎撐進行臨時支頂，并在初支底部增加套拱加固。在DK74+190～DK74+225 段進行地表注漿加固措施，恢復(fù)DK74+189～DK74+205 段換拱施工后及時進行換拱封閉成環(huán)，換拱作業(yè)采用雙側(cè)壁導坑法。通過以上控制措施有效控制了隧道施工地表的開裂與沉降，經(jīng)過注漿處理后，恢復(fù)了換拱作業(yè)，未出現(xiàn)異常情況。

3.2 隧道初支沉降開裂特征分析與控制措施

隧道施工在DK74+800 附近拱部滲水嚴重，軟化了泥巖，造成該段沉降較大單日最大沉降值為124.4 mm。同時換拱施工過程中DK74+189～DK74+193.2 段初支發(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂縫，開裂過程伴隨著掉塊，經(jīng)過測量初支沉降約為40 cm，如圖3 所示。

圖3 隧道初支開裂

采取的控制措施為對隧道上臺階、中臺階施作臨時仰拱，臺階開挖過程中增加臨時中支撐，拱腳部位增加斜撐，同時拱腳施作大拱腳。對隧道滲水較大的部位增加了徑向注漿堵水。在DK74+189 處進行超前注漿加固，在DK74+189.6 處打設(shè)超前中管棚注漿加固，恢復(fù)換拱施工后及時進行換拱封閉成環(huán)，如圖4 所示。以上控制措施有效抑制了初支的進一步沉降開裂，但在恢復(fù)掌子面施工后，該段沉降繼續(xù)發(fā)展。

圖4 隧道初支臨時支護措施

3.3 隧道進口突泥特征分析與控制措施

3.3.1 隧道進口突泥特征分析

在隧道進口初噴過程中拱頂右側(cè)部位出現(xiàn)掉塊，噴射混凝土無法封住掉塊部位，掉塊量不斷增大，并在掌子面第一次出現(xiàn)突泥，突泥持續(xù)時間為3 min，方量約 60 m3。掌子面回填即將完成時，出現(xiàn)第二次突泥，突泥持續(xù)時間為8 min，方量約800 m3，受地下水的軟化作用影響，突泥大部分為流塑狀淤泥土，如圖5、圖 6 所示。

圖5 隧道進口突泥

圖6 隧道進口掌子面情況

根據(jù)地質(zhì)鉆孔情況判斷，地層埋深10～23 m 范圍內(nèi)存在飽和水砂層，該段砂層含黏土呈流塑狀態(tài)，極易通過地層裂隙下滲，泥巖在地下水的作用下軟化，造成洞內(nèi)溜渣，洞內(nèi)溜渣形成上下通道，地表砂層順著通道溜出，形成掌子面突泥，洞內(nèi)流出的淤泥與地表砂層類似。

隧道從丘陵低洼處通過，地勢左低右高，地表水匯集后從隧頂通過，同時地表覆黏土滲透性強，對隧道洞身地下水進行補給，加劇了圍巖的軟化，降低了圍巖承載力和穩(wěn)定性。

3.3.2 隧道進口突泥控制措施

（1）洞內(nèi)處理。對隧道進口段清除突泥，并回填摻水泥的拌合土，水泥摻量為5%～8%。通過水泥拌合土反壓回填，形成一條掌子面通道，回填寬度約隧道寬度的2/3，左側(cè)回填至掌子面時調(diào)轉(zhuǎn)方向，向洞口方向置換水泥土，置換泥漿平面示意圖如圖7 所示。為了使控制效果更佳，在置換的水泥土頂面施做止?jié){墻。

圖7 置換泥漿平面示意圖

（2）地表處理。對隧道進口段松散地層進行注漿加固以及打設(shè)降水井。降水井打入隧底以下5 m，注漿加固范圍為隧道最大跨開挖輪廓線外 5 m至隧道拱頂以上20 m。注漿參數(shù)設(shè)計為灌漿孔平面按間距2 m×2 m 梅花型布置，如圖8 所示。灌漿漿液水灰比為1 ∶ 1、0.5 ∶ 1 逐級變換，當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或當注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時，不改變水灰比；當某一比級漿液注入量已達300 L 以上，或灌注時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無顯著改變時，換更濃一級水灰比漿液灌注。灌漿采用自下而上分段阻塞方式進行，通過注漿加固和打設(shè)降水井措施，隧道進口突泥情況得到了有效地控制。

圖8 地表注漿孔平面布置圖（單位：mm）

4 結(jié)論

本文針對某國外鐵路某號隧道工程開挖大變形特征，采取了相應(yīng)的控制措施來克服地層大變形導致的失穩(wěn)問題，得出以下結(jié)論。

（1）隧道地表在強降雨的影響下，易發(fā)生沉降塌坑和開裂破壞現(xiàn)象，貫通裂縫寬5～15 cm，塌坑直徑約8 m，針對性地采用封閉地表裂縫、完善截排水措施，換拱封閉成環(huán)等措施。

（2）隧道拱部滲水嚴重，導致泥巖軟化，初支產(chǎn)生裂縫，且伴有掉塊現(xiàn)象，初支沉降約為40 cm，針對性地采用施作臨時仰拱、在拱腳部位增加斜撐、進行超前注漿加固和管棚注漿加固等措施。

（3）隧道進口段砂層含黏土呈流塑狀態(tài)，極易通過地層裂隙下滲，泥巖在地下水的作用下軟化，降低了圍巖承載力和穩(wěn)定性。針對性地采用洞內(nèi)置換泥漿以及地表注漿加固等措施可有效控制隧道突泥。