重载铁路隧道高膨胀泥灰岩施工技术研究与应用

文章依托浩吉铁路土建工程18标段方山1号隧道，对在重载铁路隧道施工中遇到的特殊地质——高膨胀泥灰岩进行了泥质灰岩性能试验研究，对发生的主要病害进行原因分析，总结不同工况下隧道泥灰岩治理技术，特别是在高膨胀泥灰岩出水治理、确保扩挖换拱安全方面提出了新的解决方案，为隧道高膨胀泥灰岩施工提供技术支持。

重载铁路; 隧道; 高膨胀; 泥灰岩; 施工技术

U455.49B

[定稿日期]2021-07-06

[作者简介]王天西（1985～），男，本科，工程师，从事铁路工程施工技术管理工作。

1 工程概述

本文依托工程为浩吉铁路土建工程十八标段方山1号隧道工程。浩吉铁路是中国迈入高铁时代修建的唯一一条国家干线的重载货运通道铁路，设计时速120 km/h以上，全长1 837 km，设计年输送能力2×108 t以上。浩吉铁路方山1号隧道全长1 135 m，单洞双线，无砟轨道。隧道洞身下伏白云岩、局部夹泥质白云岩，浅灰色，岩质较硬，强风化—弱风化，岩体较破碎—较完整，岩层产状为：314～46 °∠47～83 °，地下水不发育，隧道多岩溶发育带。

2016年7月至10月为南阳地区雨季，降雨充沛，地下水补给充足。在方山1号隧道施工过程中，隧道初期支护表面出现多处渗水，局部出现了线状流水。受到岩溶地质影响，每次连续降雨或者强降雨后，隧道到的渗水现象尤为明显。存在渗滴水的区域内，先后有多处出现了初期支护开裂。9月份之后，初期支护开裂开始加剧，监控量测的水平收敛、拱顶下沉数据急剧增大，先后发生多次黄色预警、红色预警，隧道险情的出现，引起各参建单位的高度关注。

为了探明隧道险情发生的主要原因，预防更大险情的出现，项目对隧道进行了全面排查，主要采取以下两种手段：

（1）对已开挖、仰拱未施工段落，采用钻探的方式进行地质探测，对初支开裂情况进行破检。

（2）对已施做仰拱和拱墙二衬的段落，结合开挖期间揭示围岩情况，对二衬开裂情况进行破检。

排查发现，方山1号隧道揭示5段（共长285 m）与出现险情部位围岩类似，为灰绿色围岩，遇水易崩解，其中二衬已施工的3段（共长124.5 m），仰拱已施工、二衬未施工1段（长15.5 m），仰拱未施工2段（共长145 m）。

为了排除隧道出现的险情，制定合理的除险加固方案，确保隧道施工安全和机构稳定，项目首先开展了对隧该灰绿色围岩的试验研究。

2 隧道不良地质围岩的调查及试验研究情况

为了进一步验证隧道不良地质洞段灰绿色围岩的特性，进行了岩石泡水试验、成分化验和膨胀性试验。

2.1 岩石泡水试验

在方山1号隧道不良地质围岩洞段取岩石样品，加工成长×宽×高为5 cm×5 cm×5 cm的正方形试样，进行室内泡水试验。试验过程及结果如图1所示。

试验结果表明，泥灰岩在天然状态下，岩质坚硬，遇水后体积变大，逐步崩解。

2.2 岩石成分化验和膨胀性试验

在现场取两组试样进行室内试验，第一组为边墙裂缝处，第二组为下台阶处。

第一组岩样（边墙裂缝处）：灰绿色岩样，磨片鉴定为泥灰岩，其中方解石含量60 %～65 %，黏土矿物及绢云母（风化变质产物）含量约30 %～35 %。为遇水易软化的硬岩。

第二组岩样（下台阶处）：鉴于现场泥灰岩软硬不均，且长期泡水后岩体软化明显，强度降低，现场局部泥质含量较高的岩样泡水在30 min内发生崩解。提取该处岩样，取其0.5 mm以下颗粒做土的膨胀性试验TB10102-2010《鐵路工程土工试验规程》、TB10103-2008《铁路工程岩土化学分析规程》），结果为：自由膨胀率30 %，判定为膨胀岩。

岩石成分化验和膨胀性试验成果见表1。

根据两次取样化验、膨胀性试验结果，结论如下：

（1）该隧道不良地质围岩鉴定为泥灰岩，泥灰岩具有一定的膨胀性，遇水易崩解。

（2）隧道不同部位的泥灰岩性质差异较大，泥质含量越高的泥灰岩的膨胀性越高。

3 隧道泥灰岩主要病害分析及施工难点

经过岩石成分化验和膨胀性试验，隧道不良地质围岩确定为泥灰岩。结合前期的排查情况，泥灰岩是隧道施工安全及结构的主要病害。由于方山1号隧道泥灰岩被定性时，初期支护已经施工160.5 m，二衬已施工124.5 m，虽然前期已经采取了部分措施，但是处理措施不准确，处理效果较差。对于方山1号隧道泥灰岩已经造成初支开裂、局部严重侵限、二衬开裂等病害必须采取行之有效的处治理方案和施工方法，保证泥灰岩隧道施工安全和结构稳定。

从国内外研究情况来看，关于泥灰岩地质隧道研究较少，可拱参考施工技术资料极少，为了有效地治理泥灰岩的病害，亟待解决四个方面的施工问题：

（1）如何系统治理隧道渗水问题，防止泥灰岩遇水膨胀变形。

（2）如何治理初期支护已施工段泥灰岩造成的开裂（局部严重侵限）问题。

（3）如何治理仰拱未施工段泥灰岩造成的隧底承载力不足的问题。

（4）如何治理二衬已施工段泥灰岩造成的二衬开裂问题。

4 初支开裂成因分析及治理

4.1 初支开裂案例

方山1号隧道某洞段监控量测显示某测点（水平收敛）日变化量为2 mm，同时在临近位置线路左边墙初支变形并沿环向开裂，裂缝宽度4 mm、长度3 m。凿孔发现初支背后围岩遇水软化崩解，且监控量测断面水平收敛值持续增大（图2、图3）。

4.2 初支开裂成因分析

开挖、支护成型后，初期支护在降雨期出现渗漏水现象，初支背后泥质灰岩遇水膨胀，导致初支出现多处开裂，对隧道结构不利。

4.3 隧道膨胀岩地质排水装置的应用

在初期支护施工后，由于泥灰岩遇水膨胀是造成初期支护及二衬开裂主因，因此，在隧道泥灰岩地质洞段，做好泥灰岩的排水设计尤为重要。经过现场试验，常规的排水孔，泥灰岩遇水崩解后，排水孔易被崩解的岩屑堵塞，严重的顺着排水通道流入隧道纵向排水管，影响隧道的系统排水。为了有效治理泥灰岩段初期支护渗水，发明了一种隧道膨胀岩地质排水装置，装置主体为钢管，分为自由排水端和固定端（图4）。

装置自由排水端设置排水孔，排水孔按照梅花形布置，钢管外包土工布，每1 m采用外绕方式固定，水经土工布渗入排水管内，而崩解的岩屑被隔离在土工布外侧，既保证了排水，又可以避免崩解的岩屑堵塞排水管。

固定端使用药包固定，主要考虑泥灰岩遇水膨胀后会对排水管形成挤压应力，不仅起到了排水作用，同时可以支撑围岩、加固围岩的作用。

最终排水装置与隧道的整体土工布、防水板、纵向排水盲管等排水结构形成系统排水，引排至隧道侧沟内。

4.4 治理效果

在方山1号隧道泥灰岩段初支开裂洞段系统布置了排水孔，全部安装了排水装置，同时加密排水板布置，与系统排水连接后引排至侧沟内。安装了排水装置的部位初期支护未再次发生开裂，监控量测数据显示变形稳定，二衬施工后，整体结构稳定。

5 初支严重侵限的成因分析及治理

5.1 初支严重侵限案例

方山1号隧道某段围岩衬砌类型由Ⅲa 、IVa级调整为Ⅴc级， 初支拱墙采用I22工字钢，间距0.6 m/榀，初支厚度拱墙30 cm，二衬厚度55 cm。其中小里程侧前期按照采用Ⅳa复合式衬砌施工，初期支护发生严重变形，净空不能满足二衬要求，需要进行换拱处理。

5.2 初支严重侵限成因分析

初期支护背后泥质灰岩在受到强降雨影响，地下水补给充足，大面积遇水膨胀，导致已经施做的初期支护严重变形，侵入二衬施工界限，对侵限严重部位，必须采取工字钢套拱等多种措施加强，保证隧道结构安全。

5.3 隧道膨胀岩段扩挖换拱施工方法应用

以往Ⅳ级围岩应急处理后常采用的换拱方法，对于膨胀岩段施工该换拱方法具有一定的局限性，格栅钢架间距1.2 m，工字钢架加固间距1.2 m，由于膨胀岩遇水膨胀的特性，中间间隔的部分膨胀开裂情况严重，为了治理初支严重变形，总结了一种隧道膨胀岩段扩挖换拱施工方法（图5）。

在膨胀岩段增设径向注浆、超前小导管等加固措施;拆除工字钢架，凿除两既有钢架中部的混凝土，凿除宽度为1.0 m，喷射混凝土拆除按“先拱后墙”的原则进行，最后拆除变形严重的边墙混凝土;扩挖至设计断面后，进行初喷支护，然后安装新拱架，连接两侧钢筋网片，喷射混凝土;后续钢架重复上述步骤。

5.4 治理效果

在浩吉铁路方山1号隧道、红土岭隧道多洞段推广应用了改隧道泥灰岩换拱扩挖施工方法，解决了膨胀岩段换拱施工的安全问题，有效控制了围岩变形。根据监控量测数据显示，处理过程未发生超限情况，该扩挖换拱工艺方法操作简便、安全可靠、经济实用。

6 隧底承载力不足成因分析及治理

6.1 隧底承载力不足

方山1号隧道某洞段围岩级别为Ⅲ级，衬砌类型为Ⅲa型，由于长期降雨影响，初支面出现裂缝，裂缝部位有渗水现象，初支后背围岩主要为泥质灰岩。仰拱施工至该段后，已开挖段揭示隧底为软基，强风化—全风化，局部为泥质灰岩，承载力不满足设计要求，钻孔检查深度3～3.5 m，推测尚未开挖前方地质情况类似。

6.2 地基承载力试验

2016年12月中旬，现场开展动力触探试验，探测深度为1～1.9 m，实测地基承载力为100～150 kPa，不满足承载力要求（200 kPa）。

6.3 隧底承载力不足成因分析

泥灰岩段隧底承载力不足主要有两个方面原因：

（1）泥灰岩遇水或者遇到潮湿空气崩解。

（2）泥灰岩在受到重型机械碾压后破碎。

崩解和破碎后隧底的承载力达不到重载铁路隧道底承载力200 kPa的要求。

6.4 隧底承载力不足治理

目前主要有两种方法进行治理：

（1）采用桩基增加地基的承载能力（适用于隧道明挖段）。

（2）采用换填仰拱同等级混凝土进行处理（适用于隧道暗挖段）。

在方山1号隧道采取了隧底1～2 m范围换填C20的混凝土的方式进行治理。

6.5 治理效果

方山1号隧道该洞段治理后，隧底承载力（不低于200 kPa）满足设计要求，二衬仰拱及仰拱填充施工后，未发生沉降、错台、开裂等质量问题，处理效果良好。

7 二衬开裂成因分析及治理

7.1 二衬开裂情况

方山1号隧道某洞段原设计为Ⅲ级围岩、衬砌类型为Ⅲa。施工期间已变更为Ⅳ级围岩，其中该段落小里程衬砌类型为Ⅳa、大里程衬砌类型为Ⅳb+。二衬施工后，经过一段时间沉降，在该段落中间位置已施工拱墙二衬的部位出现一条环向裂缝，裂缝贯穿整个二衬拱墙和仰拱。据测量数据显示，缝宽1～3 mm，顶拱部位缝面两侧错位约3.5 mm，边墙及仰拱暂无错台。

7.2 二衬开裂成因分析

在考虑二衬施工缝分缝时，未考到泥灰岩与凝灰岩、白云岩互层，泥灰岩产生不均匀沉降是导致二衬开裂的主要原因。

7.3 二衬开裂治理

目前能用于治理泥灰岩段二衬开裂的技术较少，开裂较轻的洞段加强本段及相邻段二衬观测，沉降稳定后对裂缝进行封堵加固处理，严重裂缝部位拆除二衬后，调整支护类型后重新施做二衬。在后续的施工中，遇圍岩软硬互层时，建议在围岩分界位置设置施工缝。

7.4 治理效果

浩吉铁路泥灰岩病害发现较早，二衬尚未全面施做，仅有部分二衬造成病害，建议在揭示泥灰岩地质时，应在二衬施工前治理完成，避免对二衬造成严重的质量问题。

8 结束语

本文就隧道高膨胀泥灰岩治理问题，试验研究了泥灰岩的性质，对隧道泥灰岩段选择复合式衬砌类型提供地质依据。研制了一种隧道膨胀岩地质排水装置，解决了隧道泥灰岩段的排水问题，降低了泥灰岩遇水膨胀后对隧道的危害。总结了一种隧道膨胀岩段换拱扩挖施工方法（自由膨胀率最高65 %），解决了膨胀岩应急处理时拱顶严重变形侵限的问题，确保了膨胀岩洞段换拱施工时的结构安全。

本文技术成果成功应用于浩吉铁路方山1号隧道、红土岭隧道等工程，专项技术为所在工程应急加固洞段排除险情5次，节约施工成本120余万元。形成的高膨胀泥灰岩施工技术进一步补充和完善了铁路、公路等隧道工程特殊地质施工技术，对今后类似工程施工具有参考价值。

参考文献

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