高含水量火山堆积层隧道开挖失稳特性与处治

2023-12-27詹德胜董康强靳自强戴华明

现代城市轨道交通 2023年12期

詹德胜，董康强，靳自强，戴华明

（1.四川西南交大铁路发展股份有限公司，四川成都 610091；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

1 引言

某国外高铁，最高设计速度达350 km/h，其中某号隧道是其重要组成部分。然而，隧道穿越的地层为火山堆积层，含水量高且地质条件不良，施工难度大，对技术要求高。在该地质条件下进行隧道建设，开挖时地层势必会因受到扰动而强度降低，从而导致隧道易发生失稳破坏。

高含水量火山堆积层不同于一般岩体，其含水率高，岩性复杂，这主要与其成因机制密切相关[1-4]。鉴于此，相关学者对火山堆积层的物理力学性质进行了深入的研究，Srivastava 等[5]对印尼中部的Purna 盆地地层进行了研究，阐述了火山堆积层的性质产状和岩层构造。刘之的等[6]基于岩石力学参数与有效应力的关系，提出了利用岩石泊松比来计算岩石的有效应力的方法，从而预测火山堆积层的孔隙水压力大小。苗天雨等[7]通过现场直剪试验以及室内试验得到了火山堆积层的物理力学性质，并利用数值模拟软件对隧道超前支护措施进行了研究。马百财[8]采用收集资料、现场调查、钻探、原位测试、室内试验等综合勘探方法研究了西爪哇岛火山堆积层工程地质特性及主要工程地质问题。为了给工程设计提供合理的岩土参数及切实可行的工程措施和建议，之前少部分学者对火山堆积层的工程地质特性进行了相关研究。杨奕曜等[9]通过X 衍射、电子探针、扫描电镜、激光拉曼等方法对新西兰北岛Taupo 火山带Waiotapu 地热区火山喷口堆积物岩矿特征及特殊结构进行了研究，结果表明，火山口堆积物可分为球粒流纹岩、流纹质晶屑熔结凝灰岩和硫磺土3 类。

许多学者针对高含水量火山堆积层隧道建设方案进行了研究，胡启升等[10]提出了火山堆积层隧道修建的施工方案，并对地表下沉、拱顶下沉、水平收敛进行了监控量测。韩华轩等[11-12]基于印尼雅万高铁1 号隧道穿越互通桥台桩底、收费站桩底、寺庙等困难问题，对穿越清障方案、绕避方案、隔离加固方案进行了可行性论证。针对火山灰软土隧道预加固，提出了旋喷桩预加固处理手段。龚翼等[13]对火山堆积层隧道修建过程中的浅埋偏压地段，提出了“早进晚出，零仰坡”的原则组织施工，提倡“零开挖”安全进洞，利用洞口大管棚超前支护技术有效解决了施工难题。

虽然相关学者对高含水量火山堆积层成因、物理力学性质、工程地质特性以及隧道建设方案进行了一些研究，但对于隧道失稳破坏特征以及相应的控制措施研究甚少。因此，研究如何控制隧道开挖大变形病害，并采取相应的控制措施以确保施工安全，具有非常重要的意义。本文基于某国外铁路某号隧道修建过程中产生的失稳破坏问题，分析其破坏特征类型，提出了相应的控制措施，为类似工程研究提供了借鉴经验。

2 工程概况

2.1 工程背景

某国外铁路某号隧道位于普望加达西南侧，地势起伏较大，隧道附近有村落，地表多为农田和树林。隧道全长1 052 m，设计速度目标值为350 km/h，为单洞双线隧道，最大埋深约53.6 m，最小埋深仅4.0 m，且右侧偏压。隧道进口至DK74+200 范围内纵坡为17‰上坡，DK74+200 至DK75+062 范围内纵坡为30‰上坡，洞门、明洞段采用明挖法施工，其余区段采用三台阶临时仰拱法施工。

2.2 地质条件及水文发育特征

隧道均为V 级围岩，隧道穿越的不良地质包括火山堆积层、膨胀土、膨胀岩，火山堆积层地层含水量高，孔隙比大，土石交界处容易产生塌方；膨胀土具有弱膨胀性，自由膨胀率为40%～54%；膨胀岩具有中等膨胀性，自由膨胀率为68%～80%。

隧道洞身从DK74+216 处起存在基岩裂隙水，渗水量较小，呈滴状，到DK74+224 段开挖面呈股状流水，局部渗漏点涌水量达到33.2 m3/天。隧址区范围雨季部分冲沟内有季节性流水，地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，钻探揭露埋深2.35～5.25 m，火山成因黏性土孔隙比大、含水率高，隧道洞身存在孔隙水及基岩裂隙水。

2.3 气候特征

隧址沿线属热带雨林气候，终年炎热而潮湿，按降雨量大小分为旱季、雨季。11 月至次年3 月为雨季西北季风期，多雨多云，4～10 月为旱季东南季风期，晴天多而雨量少，年平均降雨量为2 400 mm，对隧道施工影响较大。

3 高含水量火山堆积层隧道变形失稳特征与控制措施

3.1 隧道地表沉降开裂特征分析与控制措施

在强降雨的影响下，隧道掌子面施工至DK74+187处时，隧道地表发生开裂，拱顶最大沉降41.1 mm，距离隧道中线右侧17～30 m 范围内几处砖房出现较大开裂，地表出现5～15 cm 宽的贯通裂缝。在隧道DK74+196～DK74+202 处正洞拱顶上方出现沉降塌坑，经测量塌坑直径约8 m，深度约5 m，塌方量约130 m³。如图1、图2 所示。

图1 隧道地表开裂

图2 隧道地表沉降塌坑

采取的控制措施为疏散居民，封闭地表裂缝，完善截排水措施，锚网喷封闭掌子面，初支施工时采用斜撑、竖撑进行临时支顶，并在初支底部增加套拱加固。在DK74+190～DK74+225 段进行地表注浆加固措施，恢复DK74+189～DK74+205 段换拱施工后及时进行换拱封闭成环，换拱作业采用双侧壁导坑法。通过以上控制措施有效控制了隧道施工地表的开裂与沉降，经过注浆处理后，恢复了换拱作业，未出现异常情况。

3.2 隧道初支沉降开裂特征分析与控制措施

隧道施工在DK74+800 附近拱部渗水严重，软化了泥岩，造成该段沉降较大单日最大沉降值为124.4 mm。同时换拱施工过程中DK74+189～DK74+193.2 段初支发现肉眼可见的裂缝，开裂过程伴随着掉块，经过测量初支沉降约为40 cm，如图3 所示。

图3 隧道初支开裂

采取的控制措施为对隧道上台阶、中台阶施作临时仰拱，台阶开挖过程中增加临时中支撑，拱脚部位增加斜撑，同时拱脚施作大拱脚。对隧道渗水较大的部位增加了径向注浆堵水。在DK74+189 处进行超前注浆加固，在DK74+189.6 处打设超前中管棚注浆加固，恢复换拱施工后及时进行换拱封闭成环，如图4 所示。以上控制措施有效抑制了初支的进一步沉降开裂，但在恢复掌子面施工后，该段沉降继续发展。

图4 隧道初支临时支护措施

3.3 隧道进口突泥特征分析与控制措施

3.3.1 隧道进口突泥特征分析

在隧道进口初喷过程中拱顶右侧部位出现掉块，喷射混凝土无法封住掉块部位，掉块量不断增大，并在掌子面第一次出现突泥，突泥持续时间为3 min，方量约 60 m3。掌子面回填即将完成时，出现第二次突泥，突泥持续时间为8 min，方量约800 m3，受地下水的软化作用影响，突泥大部分为流塑状淤泥土，如图5、图 6 所示。

图5 隧道进口突泥

图6 隧道进口掌子面情况

根据地质钻孔情况判断，地层埋深10～23 m 范围内存在饱和水砂层，该段砂层含黏土呈流塑状态，极易通过地层裂隙下渗，泥岩在地下水的作用下软化，造成洞内溜渣，洞内溜渣形成上下通道，地表砂层顺着通道溜出，形成掌子面突泥，洞内流出的淤泥与地表砂层类似。

隧道从丘陵低洼处通过，地势左低右高，地表水汇集后从隧顶通过，同时地表覆黏土渗透性强，对隧道洞身地下水进行补给，加剧了围岩的软化，降低了围岩承载力和稳定性。

3.3.2 隧道进口突泥控制措施

（1）洞内处理。对隧道进口段清除突泥，并回填掺水泥的拌合土，水泥掺量为5%～8%。通过水泥拌合土反压回填，形成一条掌子面通道，回填宽度约隧道宽度的2/3，左侧回填至掌子面时调转方向，向洞口方向置换水泥土，置换泥浆平面示意图如图7 所示。为了使控制效果更佳，在置换的水泥土顶面施做止浆墙。

图7 置换泥浆平面示意图

（2）地表处理。对隧道进口段松散地层进行注浆加固以及打设降水井。降水井打入隧底以下5 m，注浆加固范围为隧道最大跨开挖轮廓线外 5 m至隧道拱顶以上20 m。注浆参数设计为灌浆孔平面按间距2 m×2 m 梅花型布置，如图8 所示。灌浆浆液水灰比为1 ∶ 1、0.5 ∶ 1 逐级变换，当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不改变水灰比；当某一比级浆液注入量已达300 L 以上，或灌注时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，换更浓一级水灰比浆液灌注。灌浆采用自下而上分段阻塞方式进行，通过注浆加固和打设降水井措施，隧道进口突泥情况得到了有效地控制。