石樓隧道粉質粘土富水段施工方法

孫晉鋒

(中鐵十七局集團有限公司，山西太原 030001)

0 引言

石樓隧道粉質粘土具有粒度細，粘土礦物含量高的特殊性。其強度與含水率密切相關，隨著含水率的增加而減小，當含水率達到塑限(18.2% ～19.0%)后，物理力學指標發生明顯變異，強度明顯降低，同時在較高應力水平作用下，很快達到急劇流動階段，土樣很快破壞。這說明蠕變變形性狀在一定應力水平下才能表現出來。因此對于隧道深埋段，由于應力水平較高，粉質粘土蠕變特性顯著，圍巖極易因蠕變而產生大變形甚至坍塌。

1 工程概況

山西中南部通道重載鐵路石樓隧道位于呂梁山西坡、黃河左岸黃土峁梁區，海拔高程1 039.5 m～1 324 m，相對高差10 m～155 m，本地區長期受水流侵蝕作用，形成了典型的黃土丘陵地貌，黃土梁峁和深切沖溝是本區主要的微地貌類型。地勢總體北高南低，坡陡谷深，地形起伏大，沖溝發育。石樓隧道全長12 807 m，其中6 000 m洞身穿越三趾馬紅土(N2)地層，4 440 m處于地下水位線以下，穿越淺埋、富水、砂層、土石分界等不良地質段。隧道于2010年6月開始施工，2013年5月20日全部貫通。

2 隧道圍巖分級和主要支護參數

石樓隧道各段圍巖分級和支護參數詳見表1和表2。

監控量測斷面布置根據圍巖級別、隧道斷面尺寸及埋深等確定，Ⅴ級圍巖地段為5 m，Ⅳ級圍巖地段為10 m。水平收斂采用數顯收斂儀監測，拱頂下沉采用全站儀測量。

表1 石樓隧道各段圍巖分級

表2 石樓隧道各圍巖級別支護參數表

石樓隧道粉質粘土段原設計全部采用短臺階法開挖，為了減少開挖過程中對圍巖的擾動，根據現場實際部分調整為三臺階七步開挖法。

三臺階七步開挖法是以弧形導坑預留核心土法為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進的施工方法。

三臺階七步開挖法施工工序示意圖見圖1。

圖1 三臺階七步開挖法施工工序示意圖

3 粉質粘土段多因素作用下施工方法

石樓隧道三粉質粘土段按照原設計圍巖級別和初支參數施工時，受圍巖裂隙、地下水及不良地質(如淺埋、砂層、土石分界)等多因素影響，開挖過程中出現掉塊、坍塌，造成超挖;初支后圍巖收斂值較大，導致初支開裂、變形、侵限，甚至坍塌。為此，根據現場實際，及時調整了支護參數和施工方法。

3.1 飽和水+拱部砂層狀態下施工方法

石樓隧道施工至DK223+040后，隧道三趾馬紅土圍巖掌子面拱部出現了水平狀砂層，砂層中含細圓礫土，交界處出現線狀滲水;土體裂隙部位出現滲水現象，含水率達到18%～21.6%。初期支護按照Ⅴ級圍巖地段參數進行施工(拱墻、隧底全環設置Ⅰ18拱架，間距1 m/榀，預留變形量10 cm)，隧道水平收斂值6.5 cm～8.5 cm。但施工至DK223+170時，掌子面拱部砂層發生變化，呈細砂狀，潮濕、易坍塌;土體裂隙發育呈塊狀且伴隨掉塊，含水率進一步增大至21.5%～23%，由潮濕變為飽和;隧道收斂速率加大，累計收斂值由8.5 cm跳躍至11.3 cm(見表3，圖2);初期支護表面出現濕漬，后期出現滲水，局部變形或開裂，已完成的初期支護存在一定安全隱患。結合監控量測數據綜合判定，我們認為，隧道該段圍巖在砂層、水和圍巖裂隙的共同作用下，當含水率達到22%以后，需要再次調整初期支護參數來保證施工安全。

表3 土體含水率與累計收斂值關系表(一)

后續施工中將隧道圍巖由Ⅴ級調整為Ⅴ級加強，并將鋼拱架由Ⅰ18調整為Ⅰ20，間距由1.0 m/榀調整為0.75 m/榀。隧道初期支護參數加強后，監控量測數據顯示(見表4，圖3)，收斂值得到控制，累計沉降值低于預留沉降量10 cm。后續隧道在施工過程中，按照調整后的圍巖級別和初支參數施工，施工安全和進度都得到了保證。

圖2 土體含水率與累計收斂值關系曲線（一）

圖3 土體含水率與累計收斂值關系曲線（二）

表4 土體含水率與累計收斂值關系表(二)

3.2 潮濕+細砂層+土石分界狀態下施工方法

隧道施工進入DK223+850時，掌子面底部出現泥巖層，到DK223+920時抬升至下臺階;在DK223+850～DK223+920段施工過程中，發現土體含水率增大，細砂層與粉質粘土、粉質粘土與泥巖交界面均出現線狀、片狀滲水，收斂速度也隨之增加。經過對掌子面圍巖觀察和對土體含水率的測定，我們發現:1)拱部砂層厚度(0 cm～40 cm)對初期支護收斂值有一定影響。2)下部泥巖層抬高造成水位上升，導致洞身土體含水率變大，由16.5%增加至18.5%，土質變差。局部裂隙見明流水，上、中、下臺階呈線狀出水。按照原設計方案施工后，初期支護表面出現濕漬，后期出現滲水，局部開裂。監控量測數據對比顯示(見表5，圖4)，隨著含水率的增大，初期支護收斂速度明顯加大，收斂值由6.3 cm增大至8.3 cm，超過最大預留變形量8 cm。

表5 土體含水率與累計收斂值關系表(三)

經對現場地質情況及監控量測數據分析，粉質粘土含水率達到18%以上，隧道初期支護收斂值就超過設計預留變形量8 cm。為保證施工安全，后續施工段落隧道圍巖由Ⅳ級調整為Ⅴ級，并將隧道初期支護格柵拱架調整為鋼拱架。

圖5 土體含水率與累計收斂值關系曲線（四）

圖4 土體含水率與累計收斂值關系曲線（三）

隧道初期支護參數加強后，監控量測數據顯示(見表6，圖5)，收斂值得到控制，累計沉降值低于預留沉降量10 cm。

表6 土體含水率與累計收斂值關系表(四)

3.3 過飽和水狀態下施工方法

石樓隧道施工至DK231+880后，圍巖裂隙發育呈塊狀、片狀，拱部見線形狀滲水，中、下導兩側邊墻見線狀、股狀出水，施工過程中伴隨坍塌、掉塊。土體含水率增加至23.4%，達到過飽和水狀態。初期支護完成后，掌子面與二襯間初支兩側邊墻出現大面積滲水濕漬，拱部雨滴狀滴水;后期出現變形，局部開裂。監控量測數據對比顯示(見表7，圖6)，隨著含水率增大，初期支護收斂速度明顯加大，收斂值由8.3 cm增大至10.5 cm，超過最大預留變形量10 cm，已完成的初期支護存在一定安全隱患。

經對現場地質情況及監控量測數據分析，粉質粘土含水率達到23%以上，隧道初期支護收斂值就超過設計預留變形量10 cm。為保證施工安全，后續施工段落隧道圍巖由Ⅴ級調整為Ⅴ級加強，并將鋼拱架間距由1 m/榀調整為0.75 m/榀。

隧道初期支護參數加強后，監控量測數據顯示(見表8，圖7)，收斂值得到控制，累計沉降值低于預留沉降量10 cm。

表7 土體含水率與累計收斂值關系表(五)

表8 土體含水率與累計收斂值關系表(六)

4 建議和結論

4.1 建議

1)嚴格貫徹落實鐵建設[2010]120號文《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》中關于隧道開挖、安全步距等各項要求:Ⅴ級、Ⅴ級加強開挖進度不大于1榀鋼架間距，Ⅳ級開挖進度不大于2榀;Ⅴ級圍巖二襯距掌子面間距不大于90 m，Ⅳ級不大于70 m。

圖6 土體含水率與累計收斂值關系曲線（五）

圖7 土體含水率與累計收斂值關系曲線（六）

2)要高度重視開挖后初噴的作用，及時封閉，特別是仰拱開挖后要及時封閉，盡量避免圍巖因應力重新分布造成工程特性極度降低。工序銜接應緊湊，對于節理、裂隙發育或富水的粘土地層，應及時封閉，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩。

3)施工過程中可視圍巖具體情況采用增加拱(墻)腳鎖腳錨桿(管)、增設鋼架拱(墻)腳部位縱向連接筋(或型鋼加強)、擴大拱(墻)腳初期支護基礎及增設拱(墻)腳槽鋼墊板等增強拱(墻)腳承載力等措施控制變形。

4.2 結論

根據圍巖裂隙、含水率及不良地質程度，結合石樓隧道施工情況，建議粉質粘土段處于干燥、稍濕狀態時，采用常規臺階法施工，臺階長度需根據圍巖實際情況動態調整;含水率達到潮濕、飽和、過飽和或兼有其他不良地質情況出現時，宜采用三臺階七部開挖法進行施工，有待于在以后類似地層中檢驗或完善相應措施。

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