隧道穿越软塑性黄土地段施工技术研究

赵鸿志

（中铁二十二局集团第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

黄土地层在我国分布比较广泛，总覆盖面积达63.5万km2，随着我国西北地区铁路建设的步伐越来越快，我国在黄土隧道施工领域也积累了很多经验［1］。但是，对于隧道长距离穿越软塑黄土夹层影响段还没有非常成熟的工艺来指导施工。以新建西银客专上阁村隧道的工程背景为依托，在综合分析了隧道穿越软塑黄土夹层时的变形、塌方的基础上，通过多方案比选进一步优化了黄土隧道洞身、拱顶及隧底穿越软塑黄土地段的工程措施，解决了掌子面稳定性差、大变形、坍塌的问题及隧底穿越软塑黄土地段基底加固困难的难题，确保软塑黄土隧道工程快速、安全施工。

2 工程概况

上阁村隧道位于甘肃省庆阳市宁县境内，穿越世界规模最大的黄土塬（董志塬），两岸边坡高陡，多发育滑坡、错落、溜坍和黄土陷穴等不良地质现象［2］。隧道起讫里程 DK207＋501.55～DK214＋300，全长6 798.45 m，属Ⅰ级高风险隧道，是西银客专全线施工难度最大，安全风险最高，洞身穿越软塑黄土层最长的一座黄土隧道，拱顶、洞身及隧底受软塑黄土层影响段长达4 560 m。其中：DK208＋100～DK210＋225长2 125 m为拱顶以上受软塑黄土层影响段，软塑黄土层厚度约 16 m，埋深 69～102 m；DK210＋225～DK211＋420长1 195 m 为洞身受软塑黄土层影响段，埋深51～69 m；DK211＋420～DK212＋660长1 240 m为隧底受软塑黄土层影响段，埋深32～51 m。隧道通过软塑黄土段，黄土层垂直节理发育明显，具有典型的湿陷性特征，水敏性强，含水率高（25% ～33%），开挖后掌子面稳定性极差，易发生沉降、掉块、坍塌［3］，现场施工情况如图1、图2所示。

图1 正洞围岩含水率高拱脚积水

图2 拱脚软塑状土体流出

隧道通过软塑黄土地段设计采用拱部φ89管棚＋φ42小导管、三台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法的施工方法；基底采用φ194钢管桩进行加固处理，钢管桩深入软塑层以下不少于2 m，钢管内采用C30混凝土灌注。

3 施工关键技术

隧道通过软塑黄土段，按照设计的施工方法，极易出现变形、塌方事故。针对施工中出现的问题，后续施工采取了新的施工方案，取得了良好的效果。

3.1 按照原设计施工时现场出现的问题、形成的原因以及采取的措施

3.1.1 出现的问题

（1）当施工至 DK208＋592～DK208＋606软塑黄土段时初支表面突发环向裂缝，核查发现DK208＋592～DK208＋606段初期支护变形侵限，最大侵限约40 cm。

（2）当施工至DK208＋617软塑黄土段时，突发塌方，坍塌过程中引起地表直径18 m的陷坑。塌方时坍塌体为黏质黄土，充满掌子面，塌腔不可见。DK208＋617拱顶以上7 m为厚约16 m的软塑黄土夹层，地下水位在拱部上方18 m位置，施工时，此处正在实施地表深孔降水试验。

3.1.2 形成的原因

（1）变形形成的原因

①围岩地质情况推断不准确，设计支护参数与围岩实际情况不匹配（设计为Ⅳ级围岩，实际为Ⅴ级或Ⅵ级围岩）。

②开挖支护的工艺工法采用不尽合理，过程控制不到位。

③雨季时连续降雨，地表水下渗，软化了围岩，导致围岩松弛变形圈过大，对初期支护的压力增大，最终导致出现初期支护开裂、掉块、变形侵限等现象。

（2）塌方形成的原因

①原设计措施在软塑黄土地层支护强度明显薄弱。

②连续强降雨渗入到隧道拱顶及洞身，造成隧道上方土体及洞身土体软化，自重增加，是造成塌方的诱因。

③塌方段落地表临近冲沟边缘，冲沟下切严重，拱顶位于地下水位线及软塑黄土层影响段。受地下水径流影响，开挖后围岩含水率逐渐提高，自身稳定性降低也是塌方的原因。

3.1.3 采取的措施

（1）变形处理措施

①对于变形较小且初支未侵限的处理是待监测数据稳定后，现场对掌子面进行回填反压，设置临时横、竖撑，对变形范围内初支进行径向注浆，变形得到控制后开始掘进。

②对于变形后初支段侵限的处理要结合监测数据，待趋于稳定且保证安全的前提条件下，及时进行回填反压，跟进仰拱及填充，然后在回填反压平台上设置临时仰拱，中、下台阶钢架拱脚增设大锁脚或斜撑，再施作止浆墙进行洞内帷幕注浆，后续每拆换拱处理一榀，拆除临时仰拱一榀。

（2）塌方处理措施

首先，塌方及其影响段监控量测稳定且确认安全后，进行回填反压，设置止浆墙并跟进二次衬砌；地表塌陷体进行三七灰土夯填。

其次，洞内帷幕注浆加固，注浆加固范围为掌子面、拱墙开挖轮廓线外5 m。

再次，在坍塌体范围内进行地表深孔袖阀管注浆加固。

3.2 新的施工方案

针对上阁村隧道软塑黄土段前期出现的问题，经科研技术攻关，发现解决软塑黄土段施工最好的办法是用浆液填充隧道洞身和洞身以外4～5 m周圈范围内的黄土裂隙和打井降水的方法抽排走裂隙水。软塑黄土影响段施工时，洞内采用了拱部φ 89管棚＋φ42小导管、四台阶临时仰拱、四台阶、大锁脚及分区段采取洞内帷幕注浆、地表深孔袖阀管注浆、地表深孔降水等工程措施。其中，DK208＋620～DK208＋900，DK209＋210～DK209＋290，DK210＋110～DK210＋270，DK210＋740～DK210＋905，DK211＋673～DK211＋709段计721 m洞内采用拱部φ42小导管、大锁脚、四台阶预留核心土法及地表深孔袖阀管注浆法施工；DK208＋512～DK208＋562，DK208＋900～DK209＋210，DK209＋350～DK209＋820，DK210＋000～DK210＋050，DK210＋390～DK210＋660段计1 150 m洞内采用拱部φ89管棚＋φ42小导管、大锁脚、四台阶临时仰拱法及地表深孔降水法施工；DK208＋272～DK208＋512，DK208＋562～DK208＋622，DK209＋290～DK209＋350，DK209＋820～DK210＋000，DK210＋050～DK210＋110，DK210＋270～DK210＋390，DK210＋660～DK210＋740段计800 m洞内采用拱部φ42小导管、大锁脚、四台阶预留核心土法及洞内帷幕注浆法施工。通过新的施工方案，解决了软塑黄土层施工时遇到的黄土裂隙和裂隙水，极大提高了围岩的稳定性，确保了施工安全，施工进度也由原来的20～30 m/月提高到了70～80 m/月。

基底加固由钢管桩调整为袖阀管注浆加固，解决了钢管桩加固过程中开挖、初支、仰拱衬砌等多种工序交叉相互干扰的难题，使隧道长期存在的基底变形问题得到了根本解决。

3.3 软塑黄土段施工关键技术

3.3.1 洞内帷幕注浆技术

当黄土隧道软弱层进入节理裂隙发育和富水地层时，宜采用洞内帷幕注浆工艺辅助施工，帷幕注浆后洞内掌子面情况如图3所示。洞内帷幕注浆时隧道每循环加固长度为25 m（不含止浆墙），每循环开挖20 m，注浆加固范围为隧道拱部180°至开挖轮廓线外5 m［4］。止浆墙宽2.0 m，止浆墙背后若有空腔应采用水泥砂浆回填［5］。在拱顶内轮廓线下4.7 m处设置临时仰拱，作为钻机操作平台，注浆采用一定比例配置而成的水泥单液浆或水泥-水玻璃双液浆［6］。水泥-水玻璃浆液配合比为1∶1，水泥单液浆配合比 W∶C＝（0.6～0.8）∶1，注浆孔设计扩散半径2.0～3.0 m，注浆终压2～3 MPa。当注浆压力达到设计压力并稳压10 min后，即可结束该孔注浆；若注浆压力达不到设计压力，当注浆量达到设计值2倍时立即停止注浆［7］。

图3 帷幕注浆后效果

3.3.2 地表深孔降水技术

上阁村隧道地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水，黄土塬地下水埋深约50～70 m，根据深钻孔资料表明孔深在埋深58.5～69 m、95～125 m段为出水段落，含水层厚度为10～30 m［8］。当掌子面含水率为23%～28%时宜采用地表深孔降水辅助洞内施工。为达到降水效果，降水井应提前掌子面120 m或提前2个月施作，地表降水井布置于正洞轮廓线外侧边缘左右侧 4 m 处［9］，沿纵向间隔20 m布置，降水井直径325 mm，降水井深度进入隧底高程以下20 m［10］，地 表 深 孔 降水后效果如图4所示。

图4 地表深孔降水后效果

3.3.3 地表深孔袖阀管注浆技术

地表袖阀管注浆一般适用于地表埋深不超过50 m的地层，本隧道软塑黄土地层埋深约51～102 m。经综合考虑和技术攻关，当掌子面含水率在28%以上时宜采用地表深孔袖阀管注浆技术，地表注浆施工时要超前掌子面不少于30 m的安全距离，注浆范围横向为最大跨两侧各4 m且不少于2排孔用水泥-水玻璃双液浆，洞身部分采用水泥单液浆；双液浆注浆范围竖向为仰拱底以下4 m至拱顶以上5 m，单液浆注浆范围竖向为拱顶以上5 m至拱顶以下1 m，仰拱底以下4 m至仰拱底以上1 m。当隧道下穿冲沟时，宜在冲沟及冲沟前后50 m范围内采用全断面地表注浆，注浆范围横向为最大跨两侧各4 m且不少于2排孔用水泥-水玻璃双液浆，洞身部分采用水泥单液浆；双液浆和单液浆注浆范围竖向为仰拱底以下4 m至拱顶以上5 m。

注浆量的计算：

式中，Q为注浆量；r为注浆扩散半径；h为注浆长度；n为地层空隙率（由现场试验确定，黄土地层一般为0.2～0.4）；α为浆液填充率（取值0.9～1）；β为浆液损失系数（取值0.1～0.3）。

注浆孔间距（1.8～2.25）m ×（1.8～2.25）m，梅花形布置，注浆扩散半径为1.1～1.3 m，注浆压力3～5 MPa，采用φ76 mm δ5 mm钢性袖阀管垂直注浆，接头采用φ89 mm δ5 mm无缝钢管。采用后退式分段注浆工艺［11］，分段长度为1～1.5 m。

地表深孔袖阀管注浆后掌子面开挖揭示黄土裂隙填充完好，注浆结石率高，浆脉可见且充填致密，土体胶结紧密，稳定性高。部分芯样及注浆效果如图5、图6所示。

图5 部分芯样

图6 地表深孔袖阀管注浆后填充效果

3.3.4 基底袖阀管注浆加固技术

（1）对于仰拱未施工段：仰拱部位初支施工时预埋φ89套管，施作袖阀管注浆对基底软塑层进行加固处理。注浆孔按2.25 m×2.25 m三角形布置，注浆扩散半径为1.3 m，注浆压力1.5 ～2 MPa，袖阀管采用 φ50 mm δ3.5 mm 刚性袖阀管，后退式分段注浆工艺，分段长度1.0～1.5 m，加固范围为仰拱开挖轮廓线外4 m，浆液选用普通硅酸盐水泥单液浆添加硫铝外加剂配合比W∶C＝0.8 ～1∶1［12］，注浆完成后仰拱及仰拱填充范围内采用双快水泥封口。

（2）对于仰拱已施工段：仰拱填充面打设φ90注浆孔，其余参数同仰拱未施工段。

4 结束语

隧道在拱顶、洞身及隧底长距离通过软塑黄土地层施工时极易发生变形、坍塌，主要原因是该地层中富含构造裂隙和裂隙水，可以分区段采取洞内帷幕注浆、地表袖阀管注浆、地表降水及隧底袖阀管注浆等工程技术措施（这些措施是依据土体含水率来定）来填充黄土裂隙和抽排走裂隙水，确保隧道穿越软塑黄土层的施工安全并有效避免工程隐患及工期风险。