雪峰山隧道小间距穿越软塑地层技术研究

余朝阳

(向莆铁路股份有限公司，福州 350013)

1 工程概况

1.1 设计概况

向莆铁路雪峰山隧道地处福建西北部，穿越雪峰山主峰，线路位于福建将乐县莫源乡和沙县夏茂镇境内，主要穿越将乐县莫源乡、南口乡、大坪、沙溪仔村、张源村、白沙公区、雪峰山主峰和后山山峰、大排山山峰以及沙县夏茂镇后垄村。进口位于将乐县城郊上苦竹村，出口位于沙县夏茂镇后垄村。向莆线以左线为设计基线，右线展线绕行。

雪峰山隧道为单线双洞设计，设计行车速度为200 km/h，并预留进一步提速条件。左线隧道进口里程为DK300+850，右线隧道进口里程为 YDK300+840;左线隧道出口里程为DK318+692，右线隧道出口里程为YDK300+676。左线隧道全线17 842 m，右线隧道全长17 836 m，隧道最大埋深948 m。

隧道采取矿山法(人工钻爆法)施工，区间为双洞单线，进口段设置一平行导坑。进口设置明洞，明暗分界里程为DK300+896，暗洞小间距段位于进口段，左线起始里程为DK300+896(右线为 YDK300+886)，左线终止里程为 DK302+082(右线为 YDK302+072)。平导与左线中线间距为25.00 m，净距为16.40 m。左右线中线间距为12.94～40.00 m，净距为2.94～30.00 m。详见图1。

图1 雪峰山隧道左右线暗洞小间距平面示意(单位:m)

1.2 工程地质

雪峰山隧道位于武夷山山脉的中段西南侧。地势以雪峰山为分水岭，中间高两头低，均为中低山丘陵貌，区内山高陡峻，沟谷纵横深切，植被发育，乔木、灌木、杂草、荆棘丛生，构成原始次生林。区内最高的山峰为雪峰山，海拔1 275.5 m，隧道通过的最高峰为1 195.48 m，自然山坡坡度一般为15°～35°。

区内水系发育，属东溪支流。本区水系发育，以雪峰山为分水岭，西北部为富屯溪支流，东南部属东溪支流。遍布全区，形成树枝状、网络状密集水系，由于植被发育，山地基岩被松散土体覆盖，主要为一些残坡积物覆盖，地表水相对较少。河流走向多为 NE～SW。隧道与沟谷夹角一般为10°～60°。

雪峰山地质复杂，隧道穿越40条断层，进口段更是具有不良地质与特殊岩土地质特征。经揭露，进口段特别是小间距段地质尤为复杂，表层为(Qel+dl)粉质黏土，硬塑，厚度3～6 m;以下为(Z1dn1)石英片岩夹变粒岩，变粒结构，条带状构造，全风化，砂黏土状，黏土饱和含水，可塑性强，遇水成泥，厚度＞20 m，为隧道穿越地层。开挖工作区域未揭露出图纸所示的其以下部分，即强风化 ～弱风化层。完整基岩弹性波速为2 101～2 454 m/s。F1断层与隧道中线斜交，岩石破碎，洞身稳定性差，易坍塌，弹性波速为1 573 m/s。

施工过程中变形累积大，钢支撑破坏扭曲严重，根据监控量测数据显示，累积变形达到60 cm以上，变形持续时间长，衰减现象不明显，且遇降水期间变形迅速增加。因此，铁道部工管中心多次派专家到现场进行方案会审，专题研究软流塑淤泥质粉质黏土地层的暗挖隧道施工技术，以安全保障为先决条件，实现月平均成洞15 m的目标。

2 软塑地层矿山法隧道施工难点

软塑粉砂质黏土具高压缩性、高灵敏度、低强度、易变形等特性，易产生软塑变形现象。这种特性给隧道施工带来诸多困难。

1)开挖后自稳能力极差，易坍塌，地下水作用下，大范围成泥，施工无法进行。

2)施工过程中，变形持续时间长，变形累积大，支护变形较大，拱顶下沉及净空收敛值异常增大，给支护造成破坏变形。

3)土体饱和含水，水系联系复杂，围岩软塑，内摩擦系数小，围岩几乎无抗拔约束能力。土体饱和含水，普通注浆吸浆量小，固结范围小，超前支护及系统锚杆无法发挥有效作用。

4)围岩本身无强度，支承力差，围岩 -支护结构不平衡，土体变形大，主动土压力大。拱架支承基础软弱，加之各单元节点位置锁脚支护不能发挥作用，拱架支护呈现为活铰结反应，无法充分发挥其作用。

综上所述，若坚持在该地层中用矿山法施工，必须增强围岩稳定管理性，增强围岩的抗剪强度以增加围岩对锚固约束的黏结力，在提高围岩稳定和支护安全的条件下方可进行施工。

3 结构设计方案

3.1 施工图设计方案

原设计方案进口段设置107 m明洞，暗洞进洞后为288 m连续Ⅴ级围岩，短台阶法开挖(加横撑)，采取Ⅴc支护形式。其后为 405 mⅣ、Ⅴ级交差围岩，(短)台阶法开挖，采取Ⅳc、Ⅴc支护形式(见图2)。以后以Ⅲ级围岩为主(全断面法开挖)，认为不良地质段已全部通过。

图2 小间距段衬砌结构示意(单位:cm)

设计建议工法:在进口段DK300+886—DK302+082段，左、右两条单线及平导相邻较近，为小净距隧道，中间岩柱厚度小，施工时应坚持“弱爆破、短进尺、少扰动、快加固、早封闭、勤量测”的原则。采用短台阶法 +横撑施工，中间土柱严格按照要求进行 φ42 mm小导管注浆加固，施工时应先后进行施工，后行隧道(本设计考虑为右线)应在先行隧道(本设计考虑为左线)的模筑衬砌达到设计强度后进行，且后行隧道开挖面应滞后先行隧道模筑衬砌不小于50 m。

3.2 施工过程中优化方案

实际揭露后，地质条件与设计地质描述相近，但全风化层长度和厚度远远超过设计预估范围，且土体饱和含水特性超出设计预估，原设计预测为砂土状，但实际呈软塑状饱和黏土，长度范围设计预测为288 m，实际超出了288 m加上405 m，工程特性不利于工程进展。

暗洞进洞时采用大管棚进洞，按照建议工法短台阶法施工，右洞先行，仰拱及时跟进，当右洞开挖至90～100 m时，左洞开挖至30 m左右时，埋深大约25～35 m，右洞发生变形，前方拱架扭曲，侵入限界明显，衬砌也无法跟进。

经四方勘察后，收集了大量的变形数据，并据此建立模型试验后，确定该段隧道按施工过程中的信息反馈进行动态设计。施工图预设计确定结构为复合式衬砌，增加预留沉降量至25 cm，调整初期支护参数，对拱架进行加密，拱架所用型钢加大，二次衬砌为模筑双层钢筋混凝土衬砌。但是，变形依然持续，被动支护结构，不足以抵抗软塑土体围岩的主动土压力荷载，洞室在开挖半月之后，拱架开始变形，预留限界依然侵入，已开挖初期支护需要换拱。

4 高压劈裂注浆

本着根据设计院既有方案，尽量少作变更原则，采取对土体进行改良和加固的方法，力图从工期、造价、社会效益乃至施工可行性等方面的综合分析后，决定在雪峰山隧道软塑地层段采用第一种方案——高压劈裂注浆加固法。超短台阶开挖法开挖，仰拱跟进台阶尾。施工方案示意见图3和图4。

软塑淤泥质粉质黏土地层中注浆参数确定比较困难，因为土体本身吸浆率较低，其注浆参数需根据实际试验数据取得。更由于施工过程中，同一参数的适应性有着明显的区别，不能直接拿来应用。向莆公司组织参建各方从现场收集数据开始，研究确定注浆加固的原理、可行性、加固范围与扩散半径、注浆压力、注浆

图3 大管棚与小导管注浆加固示意

图4 掌子面加固注浆孔布置及加固范围示意

量、浆体材料配合比、注浆效果等。

4.1 注浆加固的原理

专家组多次下工地现场取样查看，对于雪峰山这种地层，认为采用中低压力将浆液压注到地层中的裂隙、裂缝、空隙里凝固后将岩土和颗粒胶结为整体的渗透注浆方法不能达到预期效果。针对雪峰山地层颗粒更细，属于渗透性差的泥质地层，吸浆率低，经过在该地层多处试验确定采用高压劈裂注浆。其原理是采用高压浆液对黏土地层进行劈裂破坏，形成不规则的网状结构，在注浆孔周围脉状延伸，定向将岩体中的水分挤出，增加吸浆量，对土体形成加固和“加筋”的作用。

4.2 注浆压力的确定

根据地层条件、施工条件、涌水压力、理论计算和现场试验，确定注浆压力控制在1.0～1.5 MPa。

初始压力确定为1.0 MPa，如果注浆顺利且无支护变形或仰拱隆起现象时，则可适当调高注浆压力。否则，应降低注浆压力。当注浆量达到设计注浆量的80%以上时，应逐步降低压力。终压应控制在1.0 MPa。

注浆压力理论计算公式为

式中，pu为劈裂注浆的极限压力(MPa);γ为土的重度(kN/m3);l为注浆孔的深度(m);c为土体黏聚力(kPa);φ为土的内摩擦角(°)。

计算得到大管棚注浆压力pu=1.0～1.5 MPa。

掌子面中长孔注浆压力pu=0.5～1.5 MPa，若进行二次注浆，则第一次注浆压力 pu=0.6～0.8 MPa，第二次注浆压力 pu=1.0～1.5 MPa。小导管注浆压力 pu=0.6～1.0 MPa。

4.3 注浆加固范围和扩散半径

浆液扩散半径R理论计算公式为

式中，L0为小导管之间的中心距离(m):R为扩散半径(m)。

经计算得扩散半径R=0.42～0.49 m，结合经验法确定隧道洞周单根注浆管扩散半径为0.5 m，加固范围为开挖轮廓线外3 m范围内土体，设计小导管长度为5 m，倾角35°，搭接长度1.2 m。掌子面注浆加固范围为12 m，可保护条件下允许开挖8 m，留4 m作为止浆岩盘。

4.4 注浆量

单管注浆量计算公式

式中，Q为单孔注浆量(m3);L为注浆段长(m);R为浆液扩散半径(m);v为注浆段土层孔隙率;η为浆液损失率，取1.25。

4.5 浆体材料与配比

根据注浆工程的需要，水泥—水玻璃浆液的作用可以分为加固和堵水两方面，两者对凝胶时间、抗压强度有不同的要求。该工程注浆的主要目的是加固地层。

大管棚采用 P.O32.5级超细水泥—非碱性水玻璃双液浆(亦称CS浆液)，水玻璃浓度为25～40 B'e(一般为30 B'e)，细度模数 2.4～3.4。浆液水灰比0.631～0.831，水泥浆液与水玻璃的比例为1∶1。双液浆的凝结时间，现场试配确定。

小导管及中长PVC管由于在大管棚预期效果作用下，选用水泥净浆注浆，凝胶时间为 40～60 min，P.O42.5水泥净浆。

诸多实验表明，HC-T凝胶时间可调超细单液浆注浆效果明显好于水泥—水玻璃双液浆，但考虑工程造价和工期循环因素，雪峰山隧道在施工中依然大部分地段还是采用了双液浆。

4.6 注浆管施工

软塑土体中成孔困难，且在成孔过程中会造成土体的较大变形。根据软塑土体的力学特性，采用跟管法施工大管棚。小导管则直接顶入施工，小导管在顶入过程中挤压周围土体，排出部分水分，起到加固土体的目的，同时对土体的扰动较小。

4.7 注浆效果

经过对掌子面施工情况进行详实记录，施工期间，被加固土体变形受到明显抑制，横向支撑作用力也明显减小，施工进度明显提高。总之，劈裂注浆达到了预期效果，对土体起到了有效加固作用。

掌子面开挖过程中劈裂注浆形成的吸浆脉密布并且连续度较高，对土体中水分挤出作用明显。通过对取出岩样测试，其强度可达6～10 MPa，甚至更高。

5 施工效果

软塑地段至2010年5月基本安全施工完毕，保证了向莆线的总体工期。

1)注浆完成后，支护变形得到有效控制，现场施工有序进行，实现了月平均成洞15 m的稳定进度，化解了进口段工期控制的矛盾。

2)现场监控量测拱顶下沉值不超过50 mm，净空收敛控制在100 mm以内，表明该施工工法有效地控制了隧道变形。

3)掌子面开挖过程中对浆脉网的观察表明，浆脉呈纵向和水平分布，与理论分析吻合，对加固土体取样测试，物理力学指标均达到了加固要求。

向莆铁路雪峰山隧道进口 DK300+886—DK302+082范围内小间距隧道采用超短台阶开挖法，辅以大管棚加小导管超前预注浆加掌子面注浆加固、改良地层，成功通过了软塑粉质黏土地层小间距段。虽然进度较慢，但未发生恶性事故，可以为其它地下工程在类似地层的施工中提供一些宝贵经验。

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