雅万高铁膨胀土围岩隧道大变形综合治理研究

王晓伟 庞磊磊

摘 要：膨胀土具有吸水膨胀和失水收缩特性，容易给隧道工程施工带来诸多危害。本文通过监控量测数据，分析雅（雅加达）万（万隆）高铁膨胀土围岩隧道大变形表象及成因，对比分析2号隧道进口坍塌段的CRD工法、双侧壁导坑法施工效果，这对同类型山岭隧道施工具有一定的借鉴意义。

关键词：雅万高铁;膨胀土;隧道;大变形;综合治理

中图分类号：U452.12文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）17-0080-05

Research on Comprehensive Treatment of Large Deformation of Tunnel in Expansive Soil Surrounding Rock of Jakarta-Bandung High-Speed Railway

WANG Xiaowei PANG Leilei

（PowerChina Railway Construction Investment Group Co.， Ltd.，Beijing 100070）

Abstract： Expansive soil has the characteristics of water-absorbing expansion and water-loss shrinkage， which is easy to bring many harms to tunnel construction. This paper analyzes the large deformation appearance and cause of the tunnel in the expansive soil surrounding rock of the Jakarta-Bandung high-speed railway through monitoring and measurement data， and compares and analyzes the construction effect of the CRD method and the double-side heading method in the collapse section of the No. 2 tunnel entrance， which has certain reference significance for the construction of mountain tunnels of the same type.

Keywords： Jakarta-Bandung high-speed railway;expansive soil;tunnel;large deformation;comprehensive treatment

受吸水膨胀、失水收缩的特性影响，膨胀土会给岩土工程施工带来危害，特别是隧道工程，在干湿循环环境作用下，施工中容易出现拱顶沉降、边墙收敛、仰拱起鼓现象，甚至造成衬砌开裂。工程技术人员从胀缩原理、支护结构改善等方面进行了广泛而深入的研究。本文结合雅万高铁项目2号隧道进口坍塌治理实例，综合分析交叉中隔墙法（简称CRD工法）、双侧壁导坑法的优缺点及适用范围，供同类型地质围岩隧道借鉴。

1 工程概况

雅万高铁是中国“一带一路”倡议和印度尼西亚全球海洋支点战略对接的标志性项目、国家对外投资优先项目、中国高铁“走出去”先行项目，是中国成套技术整体走出去的首条高铁，也是东南亚第一条时速350 km的高铁。雅万高铁连接印度尼西亚首都雅加达和第四大城市万隆，正线长为142.3 km，最高设计时速为350 km。铁路沿线设Halim、Karawang、Walini、Tegal Luar 4座車站和Tegal Luar动车段。其中，桥梁长度为76.79 km，隧道长度为16.47 km，路基长度为48.94 km。2018年6月9日，项目正式开工，合同工期为36个月。

中电建铁路建设投资集团有限公司承建的雅万高铁DK74+020～DIK114+500段40.5 km线路范围布设12条山岭隧道，总长为14 788 m。Ⅴ级围岩、Ⅵ级围岩占比高，其中，Ⅴ级围岩为10 848 m，占73.4%，Ⅵ级围岩为395 m，占2.7%;岩性差，黏土、黏性土、泥岩具有膨胀性;埋深浅，12条隧道中11条埋深不足100 m。

2号隧道进口里程为DK74+010，出口里程为DK75+062，全长为1 052 m，为单洞双线隧道，线间距为5.0 m，洞身最大埋深约为53.6 m。隧道呈单向纵坡，进口至DK74+200范围内纵坡为17‰上坡，DK74+200至出口范围为30‰。隧道位于普旺加达南侧，处于丘陵区，地势起伏大，植被覆盖率较高。地势总体西低东高。隧道调查区内，山脊大致呈东西向展布，形成多处局部分水岭。隧道进口自然坡度为8°～11°，隧道出口自然坡度为13°～30°。设置1座155 m施工斜井，采用单车道无轨运输。鉴于隧道大变形严重，复合式衬砌采用Ⅵb级围岩复合式衬砌。Ⅵa级围岩复合式衬砌参数如表1所示，Ⅵb级围岩复合式衬砌断面图如图1所示，Ⅵb级围岩复合式衬砌钢架总装图如图2所示。

2 施工进展及存在的问题

2019年3月22日，2号隧道进口开始进洞。2021年3月13日，斜井与正洞交汇，开始进行横向棚洞法施工。截至2021年6月8日，4个掌子面施工方面，进口端剩余278 m，出口端剩余216 m，按照EOT（Extension of Time）工期2021年8月20日贯通，工期压力大。

2.1 历史进度指标分析

统计近一年施工月（2020年5月至2021年4月）进度，如表2所示，2号隧道最快进度为24 m/月，扣除2号隧道进口坍塌及换拱影响因素，月平均进度不足8 m。

2.2 存在的问题

2号隧道进口多次出现大变形，地表开裂，形成渗水通道，加剧膨胀土劣化，出现掌子面坍塌现象。2号隧道进口险情统计结果如表3所示。

3 大变形表象及成因分析

3.1 隧道开挖松动区裂缝引发地表水下渗

根据2号隧道进口7次险情统计结果，其均发生在雨季或雨后。Ⅵb级围岩复合式衬砌开挖轮廓线跨度为1 520 cm，高度为1 298 cm，每延米开挖方量为166.92 m3，隧道掘进开挖扰动围岩形成松动圈，裂缝大量产生，形成地表水下渗通道。在雨季或雨后，膨胀性围岩遇水膨胀产生胀缩力，造成支护结构破坏失稳[1]。掘进扰动引发松动区裂缝→地表水下渗→膨胀土胀缩→支护结构失稳→围岩变形裂缝进一步发展的恶性循环，甚至造成隧道坍塌、浅层滑坡事故[2]。2号隧道进口地表裂缝如图3所示，2号隧道进口掌子面坍塌如图4所示。

3.2 受力不均，局部产生大变形

隧道开挖轮廓线内，各点所含膨胀土土性特征、微观结构不同，膨胀变形具有差异性，局部产生大变形。采取临时横撑措施，抵抗局部大变形[3]。局部大变形临时横撑加固如图5、图6所示。

3.3 变形持续时间长，仰拱封闭成环后方趋于稳定

膨胀土隧道掘进施工中，在干湿环境循环作用下，围岩周期性胀缩，应力平衡难以建立，变形持续时间长。以2号隧道进口DK74+193断面观测数据为例，2020年3月8日至11月12日，累计沉降1 214.5 mm，持续沉降8个月时间，直至2020年11月13日，初期支护失稳坍塌。采用双侧壁导坑法处理坍塌地段，2021年4月30日仰拱封闭成环后，初期支护变形监测数据显示1个月沉降20.9 mm，初支基本趋于稳定，开始施作二衬（见图7、图8）。这说明因膨胀土遇水膨胀，在膨胀力作用增强的同时，围岩遇水弱化，承载力降低，造成支护结构失稳。

3.4 中、下台阶施工锁脚失稳

锁脚为[Φ]89 mm锁脚铆管，但在三台阶七步法预留核心土或CRD工法施工过程中，因空间限制，锁脚铆管无法及时施作，只能以[Φ]42 mm锁脚锚杆临时锁定，在掌子面推进一定距离后方能补打锁脚，在一定时间内存在锁脚强度不足现象，引发拱架下沉[4]。

3.5 拱架支护刚度满足

沉降观测数据显示，除因膨胀土特性差异造成局部大变形外，拱架呈现整体沉降趋势。大变形段及塌方段处理过程中，开挖出来的侵限拱架未出现S形扭曲变形，如图9所示。这说明Ⅵb级围岩复合式衬砌支护刚度满足设计要求。

4 大变形综合治理措施

4.1 加强地表及洞内监控量测

根据DK74+158～DK74+225段滑移体监测数据，开挖后拱顶最大沉降量为796 mm，拱脚向线路左侧的最大水平位移为104.2 mm，仰拱未发生位移，判定该处山体为浅层滑坡。根据洞内监测及地层综合分析，滑移体堆积在隧道顶部，加之受降雨入渗影响，洞顶土压力增大，从而加剧拱顶和地面变形，引起洞顶地层受扰动后土体强度进一步降低，拱顶压力进一步加大，拱架变形和地面沉降再次加剧，从而形成恶性循环。应对斜坡进行治理，防止坡体进一步滑动。

4.2 隧道上方地表开裂、滑坡整治

DK74+158～DK74+262段，隧道中线左、右两侧各12.5 m位置打设两排平行于隧道的抗滑桩。抗滑桩采用C35钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长（由地表至仰拱底）为5 m，规格为[Φ]1 500 mm@2.5 m，桩顶设置1.7 m×1.0 m（宽×高）冠梁，冠梁顶埋入地面0.5 m。

地表袖阀管注浆加固，封闭地表水下渗通道。DK74+175～DK74+265段，采用地表袖阀管注浆加固，注浆横向范围为沿隧道洞身开挖轮廓线外5 m，竖向范围为从隧道上台阶至地表（平均加固高度 35m），间距为1 m×1 m，注浆材料选用水泥-水玻璃双液浆。

4.3 调整施工方法

4.3.1 由三台阶七步法调整为CRD工法。鉴于2号隧道进口DK74+180～DK74+220大变形段（埋深33.66～42.62 m）于2020年7月3日、2020年11月13日、2021年2月15日出现3次坍塌，围岩结构松弛，无自稳能力，首先从塌口DK74+180处进行反压回填，防止坍塌引发地表大面积滑移。支护参数由Ⅴs-p-1复合式衬砌提升至Ⅵb复合式衬砌，施工方法由三台阶七步法变更为CRD工法，CRD工法施工图如图10所示。根据监控量测数据，在上台阶、中台阶、下台阶开挖接腿及中壁拆除时，沉降变形大，多次发出预警。为控制大变形，采取I25b工字钢对既有初支钢架进行内套拱加强，增加中隔壁、双层临时仰拱措施，临时支护用钢量大;上臺阶、中台阶无法使用机械开挖，工效低，循环作业时间长，无法满足工期要求[5]。

4.3.2 施工方法调整为双侧壁导坑法。双侧壁导坑法是利用两个中隔壁把整个隧道大断面分成左、中、右3个小断面施工，左、右导洞先行，中间断面紧跟其后;初期支护仰拱成环后，拆除两侧导洞临时支撑，形成全断面。两侧导洞有利于控制拱顶下沉，虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，施工中变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工图如图11所示。

5 结语

双侧壁导坑法较CRD工法，机械化程度高、作业连续性好、工后沉降变形量小，施工安全、进度可控。一是机械化程度高。左侧壁导坑、上部核心土、右侧壁导坑设置15.2 m初支净空，能保障每个作业面5 m作业空间，满足机械设备同步作业要求，机械化程度高。CRD工法上台阶机械无法回转，基本靠人工挖掘;中、下台阶，由于临时仰拱限制，边角部位需要人工修整。二是可连续施工。导坑与台阶的距离以导坑施工和台阶施工不发生干扰为原则，上、下台阶的距离取10～15 m;左、右侧导坑错开的距离以开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑为原则，纵向间距不小于10 m。左侧壁导坑、上部核心土、右侧壁导坑可同步作业，互不干扰。三是工后沉降变形小。2号隧道进口DK74+180～DK74+220大变形坍塌段，2021年3月28日开始双侧壁导坑法施工，2021年6月8日中导坑进入原始围岩，72 d处理坍塌段落40 m，基本保障一天一循环（钢拱架间距0.6 m）进度。一个月沉降观测数据显示，围岩变形量小，初期支护收敛，变形速率趋零，满足拆除侧壁临时支撑施作二衬的条件，圆满完成2号隧道进口膨胀土软弱围岩大变形治理。

参考文献：

[1]李国富.膨胀型软岩变形机理与特种控制技术[J].金属矿山，2006（9）：18-21.

[2]谭波，徐良，倪秋奕，等.干湿循环作用下膨胀土裂隙发育规律及影响因素[J].桂林理工大学学报，2021（3）：22-23.

[3]陶伟明，李化云，张志强，等.浅埋膨胀土隧道围岩抗剪强度与支护结构受力特征关系研究[J].现代隧道技术，2020（1）：36-43.

[4]胡世权.过膨胀土隧道塌方段施工技术与研究与应用[J].山东建筑大学学报，2013（1）：73-77.

[5]马乐乐.膨胀土条件下隧道下穿既有地铁车站CRD开挖工法优化[J].市政技术，2021（1）：66-73.