蒙华铁路阳城隧道土石分界处地层大变形机理分析及整治措施

王志杰，李瑞尧，徐海岩，徐君祥，唐 力

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

随着交通建设的发展，穿越特殊地形、地貌、地质条件的隧道越来越多，在软弱围岩地质条件下施工的隧道与日俱增，隧道软岩大变形问题随之而来。大变形问题给隧道施工带来了极大的风险，同时也为隧道施工技术发展提供了新的动力。如何控制软岩大变形、降低大变形的危害已经成为隧道工程界亟待解决的重要问题。国内外相关学者的研究主要集中在隧道施工力学行为[1-2]、软岩大变形机理[3-5]以及软岩隧道施工控制技术[6-8]等方面。本文依托阳城隧道，对土石分界处地层大变形机理进行研究，并提出整治措施。

1 工程概况

蒙华铁路是中国继大秦铁路、朔黄铁路和山西中南部铁路后修建的又一运煤铁路。阳城隧道作为蒙华铁路关键性控制工程之一，位于陕西省榆林市靖边县，起讫里程为DK242+041—DK249+134，隧道全长7 093 m，最大埋深约207 m。隧道设计速度120 km/h。

隧址区沟壑纵横，古冲沟发育，是典型的黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地貌。区内地层主要为第四系上更新统风积砂质新黄土及黏质新黄土、第四系中更新统冲洪积中砂、白垩系下统洛河组砂岩。其中砂岩以强、全风化红砂岩为主，角砾松散结构，岩质较软弱，节理裂隙较发育，基岩面起伏较大。隧址区地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。

2 施工方案及工序

隧道洞身采用三台阶预留核心土法施工，为防止台阶溜垮并控制变形，要求初期支护距离掌子面不超过35 m(3倍洞径)，仰拱及填充层利用24 m液压栈桥一次性浇筑，辅以真空降水、施作密排超前导管及排砂管。洞身开挖施工工序见图1。

图1 洞身开挖施工工序

3 围岩变形对初期支护的破坏

隧道穿越的软弱地层:①富水砂层，局部夹薄层土；②全风化红砂岩，局部夹块石。大里程方向DK245+270—DK245+280正好处于土石分界处。

2017年10月15日01:00阳城隧道大里程方向土石分界处在平整台阶时发现中台阶左侧拱脚处局部发生涌水涌砂。为保证施工安全立即对初期支护进行加固，04:00里程DK245+270左侧边墙处初期支护开裂，并有发展趋势。04:10对大变形段反压回填，回填过程中左侧初期支护持续收敛，支护结构裂缝从中台阶左侧拱脚延伸至上台阶左侧拱腰，长约7 m。DK245+270—DK245+280段左侧初期支护持续快速收敛，通过采取控制措施，隧道的拱顶沉降大幅减小。

4 围岩变形机理分析

4.1 围岩基本物理性能

在大变形发生之前，课题组已经对大变形段掌子面中台阶左侧、核心土及右侧土样进行了物理性能指标测试、固结试验和直剪试验。结果见表1、表2、图2和图3。

表1 土样物理性能指标

表2 土样压缩性指标

图2 大变形段掌子面中台阶土样固结试验结果

由表1可知，大变形段掌子面处中台阶左侧土样孔隙比最大，最疏松，压缩性最高，更容易发生变形。

由图2和表2可知:①中台阶左侧土样压缩模量、孔隙比随竖直压力变化曲线的斜率相对更大；②左侧土样为高压缩性土，右侧土样为中压缩性土，核心土为低压缩性土；③从左侧土样到右侧土样再到核心土样，孔隙比和压缩系数逐渐减小、压缩模量总体上逐渐增大，土的压缩性逐渐降低；④左侧土样最松散、最不稳定，右侧土样次之。

由图3可知，大变形段掌子面中台阶左侧土、核心土及右侧土样抗剪强度存在较大差异。左侧土黏聚力最小，核心土黏聚力最大，三处内摩擦角无太大差异。

图3 大变形段掌子面中台阶土样直剪试验结果

4.2 工程地质、水文地质条件

大变形段位于古冲沟土石分界处，如图1所示。全风化红砂岩呈砂状，遇水软化，易崩解，自稳性较差。开挖后形成的临空面风化加剧，掌子面及边墙极易失稳，局部涌水涌砂，综合判定围岩级别为Ⅵ级。

大变形段土石分界处不同部位土样的物理力学性能存在较大差异。掌子面中台阶两侧土样物理力学性能较中部核心土差，左侧较右侧差。

围岩强度不均导致左侧应力集中，同时砂层在水的作用下趋于饱和，呈软塑甚至流塑状态，此时承载能力大大降低。左侧围岩易产生溜垮现象，随之发生大变形并使得初期支护向洞内挤出。

阳城隧道洞身位于地下水位以下，水从砂层中渗出，土石分界处砂岩遇水软化，强度骤减，出现溜垮现象，初期支护背后出现松散体。中台阶左侧土压缩性最高，孔隙比最大，在地下水的作用下最易遇水软化，承载能力急剧下降。在围岩压力作用下初期支护侵限。

4.3 施工及人为因素

隧道施工是影响围岩稳定性的主观因素。砂层自稳性极差，在富水条件下开挖极易造成坍塌而难以控制。施工过程中对中台阶基底加固不及时，初期支护未得到及时补强，围岩作用在承载能力不足的初期支护上使其破坏，从而产生较大变形。

5 整治措施

5.1 反压回填

对大变形段初期支护进行反压回填(见图4)，回填过程中分段逐层施工，每层填充完毕待挖机碾压密实后再进行下层填筑，以保证回填土具有足够反压力。

图4 反压回填示意(单位:cm)

5.2 加密降水

将大变形段初期支护开裂处混凝土凿除，并采用C25喷射混凝土对破损部位扫面封闭10 cm厚。待初期支护变形稳定后加密降水，加强疏干力度，防止地下水位抬升造成二次失稳。

5.3 注浆加固

对变形段进行径向注浆加固。注浆管采用长4 m、厚5 mm的φ42无缝钢管，注浆管间距为2.0 m×2.0 m。浆液采用P.O42.5水泥单液浆，自下而上间歇式注浆，注浆压力控制在1 MPa以下。

5.4 逐榀换拱

换拱遵循先支后拆、先上后下的原则，各台阶长度不大于5 m。换拱前先对大变形段进行钻探，验证注浆加固范围。为保证换拱施工质量，拱部受损拱架沿连接板整节拆除。施工工序:①拆除临时支撑，自上而下分段凿除拱架外侧喷射混凝土，将拱架分离；②凿除完成后立即喷射厚4 cm C25混凝土封闭开挖面，换入新拱架并采用螺栓连接牢固，对新旧混凝土连接处凿毛并预留相应变形量；③焊接连接筋，喷射厚37 cm C25混凝土，每榀钢架台阶处设4根长4.0 m、φ42锁脚锚管。

5.5 设置横撑

以变形段回填土顶部为施工平台，对大变形段设置I20a型钢横撑(见图5)，横撑与初期支护钢架焊接；支撑应榀榀对接，纵向连接采用φ22螺纹钢，同时架设连接筋以增强整体性。变形段支撑加固完成后，于其前方加设不小于3道I20型钢横撑，以防掌子面前方围岩受到变形段围岩牵引而使初期支护发生变形。

图5 横撑设置示意(单位:cm)

5.6 勤量测

换拱过程中增加量测频次，以准确掌握变形情况。在已拆换段布设测点，按5 m一个断面布设，如发现异常及时采取应急预警措施以确保施工安全。换拱完毕后进行二次注浆，量测持续跟进以便及时反馈该段情况。

6 结论

1)阳城隧道大里程方向土石分界处地层大变形是多种因素共同作用的结果。围岩条件极差、强度不均、饱水软化是内因。外因是对土石分界处地层认识不足、初期支护未及时补强、地层加固措施未及时跟进。

2)大变形处中台阶左侧土样与核心土、右侧土样相比，最松散，压缩性最大，强度最差。故大变形最先发生在左侧。

3)基于对阳城隧道土石分界处地层性质和大变形机理的分析，遵循先控制、后整治的思路，提出反压回填、加密降水、注浆加固、逐榀换拱、设置横撑以及二次注浆加固的整治措施。