富水昔格達組軟弱易滑地層PBA進洞法實踐

王立川， 李志鵬， 劉志強， 王曉兵 ， 羅 榮， 吳 劍， 趙秋實， 匡 亮， 楊 波

(1. 中國鐵路成都局集團有限公司， 四川 成都 610082； 2. 中鐵十四局集團有限公司， 山東 濟南 250014；3. 中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731； 4. 成昆鐵路有限責任公司， 四川 成都 610031；5. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

昔格達地層在攀西地區(qū)內分布較廣，其成分復雜，物理力學物性值離散性大，主要覆蓋于第三系之上，分布于川南金沙江、大渡河、雅礱江等河谷及山間寬谷地帶[1-3]，地勢一般較平坦。

昔格達地層具有強度低、膠結弱、變形大、遇水易軟化甚至崩解[4]、受擾動時易沿緩傾硬質界面滑動等特點。國內外學者和工程師對昔格達地層的特性及工程措施開展了相關研究，周平等[5]研究了不同含水率對昔格達地層黏聚力和內摩擦角的影響，對昔格達地層圍巖進行了亞分級； 廖珩云[6]通過直剪蠕變試驗，獲得了相應的蠕變試驗參數(shù)和長期強度極限； 文獻[7-10]針對昔格達地層中隧道施工工法、工藝及處理措施進行研究，提出超短臺階施工、增加管棚注漿壓力、加強鎖腳錨桿和盡早封閉成環(huán)、重視排水及CRD法施工等建議。

文獻[11-12] 通過對暗挖車站施工進行總結及數(shù)值計算分析，研究了PBA法的受力特點及關鍵技術； 李皓等[13]通過計算，對比4種開挖方案引發(fā)的地表沉降，得出PBA法施工中導洞施作引起的沉降規(guī)律，并提出最優(yōu)施工方法； 韋京等[14]通過監(jiān)測與計算分析，提出PBA法地鐵車站下穿橋梁施工中關鍵施工階段對地層和樁基的影響規(guī)律； 羅富榮等[15]通過案例總結，認為不同的地層采用PBA法施工所引起的地表沉降相差較大。

綜上，現(xiàn)有研究成果主要集中在隧道洞身開挖上，而關于富水昔格達組地層在洞口段相對較硬的巖石界面上滑動導致的不穩(wěn)定性問題，工程案例及研究較少。本文以成昆鐵路擴改工程前家山隧道進口段為工程背景，闡述前2次常規(guī)進洞工法失敗與第3次PBA工法成功進洞的實踐經驗，分析PBA進洞法的優(yōu)勢，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

前家山隧道長5 115 m(D3K520+425～D2K525+540)，為設計時速160 km的單洞雙線長隧道，線路縱坡為4‰(2 475 m)和 3‰(2 640 m)的人字坡； 最大埋深275 m，進出口段為富水昔格達地層，洞身主要通過玄武巖、泥巖夾砂巖、角礫巖、灰?guī)r地層，穿越2條斷層。

1.1 地質條件

該隧道進口段覆蓋層為0～5 m厚的坡殘積層粉質黏土，下伏第三系上統(tǒng)昔格達組泥巖夾砂巖、頁巖。該地層以泥巖、頁巖、砂巖為主，成巖作用差，結構、致密性、物理力學性能差別較大，屬易滑地層，主要特征如下:

1)天然密度與干密度差異顯著，失水質輕。

2)巖層傾角平緩，向谷地帶及盆地中心微傾，豎向(陡傾)節(jié)理發(fā)育。

3)水穩(wěn)性差，浸水易軟化甚至崩解，黏聚力比天然狀態(tài)明顯降低。

4)透水性弱，泥頁巖常起隔水作用，在地表水下滲、排水不暢情況下，易發(fā)生沿昔格達界面滑動問題，以昔格達上的第四系覆蓋層或堆積物滑動為主。

在該地層中修建隧道易產生長時程大尺度變形、掉塊、坍塌(頂)等病害。

1.2 地表水

該隧道進口段位于山腳下，左側有明顯沖溝，枯水季節(jié)無地表水，豐水季節(jié)地表水豐富。

1.3 洞口段原施工圖設計概況

進口洞門為擋墻式(見圖1)。首次進洞時按設計施作如下工程措施:

1)洞口設置4根高為18 m的2.0 m×1.5 m錨固樁。

2)邊仰坡坡率均為1∶1.5，臨時防護為錨網噴混凝土，φ22 mm×4 m梅花形布置砂漿錨桿，間距1 m×1 m；φ8 mm@25 cm×25 cm鋼筋網； C25噴混凝土厚12 cm。

3)邊坡永久防護為10 m長錨桿框架梁，仰坡永久防護為10 m和8 m長的錨桿框架梁，錨桿間距為3 m×3 m。

4)大管棚超前支護。

圖1 進口洞門形式

2 首次進洞措施和問題

2.1 進洞措施

1)錨固樁: 2016年9月17日完成洞口4根高18 m的錨固樁施作，以策應確保洞口段邊坡橫向穩(wěn)定性的設計意圖。

2)邊仰坡開挖和部分臨時防護工程平行和交叉施作(未完成)。

3)及時反壓回填: 在邊仰坡開挖(基本做到持續(xù)開挖)中，2016年10月9日發(fā)現(xiàn)此前布設在仰坡頂外的地表監(jiān)測點位出現(xiàn)位移變化，地表開裂，已危及施工安全。現(xiàn)場依據(jù)應急機制立即對邊仰坡進行臨時反壓回填，現(xiàn)場觀測表明地表位移及地表裂縫變化明顯下降，地表活(滑)動暫時穩(wěn)定。

需說明的是，洞口段防排水系統(tǒng)尚未合格完成。

2.2 施工中呈現(xiàn)的問題

2.2.1 地下水豐富

錨固樁挖孔揭示開挖頂面以下6～20 m內均有水流出(見圖2)，多次發(fā)生垮塌，自穩(wěn)性極差。

圖2 錨固樁內地下水豐富

邊仰坡開挖時洞口段地下水位較高，坡面及地表均有水溢出。山體地下水豐富(見圖3)，地下水位高程約為1 240.70 m。

圖3 山體地下水豐富且水位高

2.2.2 地表變形大

即使采用了洞口錨固樁、噴錨等防護措施，仰坡頂外地表仍出現(xiàn)3條寬3～5 cm的裂縫(見圖4)。地表沉降觀測點出現(xiàn)較大位移，平面位移最大值為7.5 cm。相關監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5和表1。

2.3 首次進洞失敗原因分析

2.3.1 圍巖自穩(wěn)性較差

隧道進口圍巖主要為殘坡積層粉質黏土，下伏昔格達地質，自穩(wěn)性較差，邊仰坡開挖后，殘坡體易產生滑動。

圖4 洞頂?shù)乇砹芽p

圖5 隧道進口1#、2#、3#、4#平面高程位移曲線(錨固樁)(2016年)

2.3.2 洞口地下水影響

坡面上透水性強的膨脹性土體和昔格達泥巖全風化層間結合較差，極易松動滑移； 下部昔格達泥巖強風化層為相對隔水層，在排水不暢的情況下易在層間界面形成飽和甚至過飽和保水帶。受局部地下水重力性滲透影響，使具有膨脹性的土體和全風化泥巖被水浸泡后，飽和自重增加，其抗剪強度等物理力學指標驟降； 邊坡橫向臨空效應引起的橫向不穩(wěn)定和仰坡縱向臨空效應引起的縱向不穩(wěn)定成為蠕動動因，牽引仰坡頂坡面土體出現(xiàn)3條張拉裂縫，并導致已噴護仰坡混凝土變形開裂，同時牽引左側邊坡土體與昔格達地層接觸面發(fā)生局部土體開裂和位移，在開挖的臨空面上出現(xiàn)明顯的剪出面，受其影響，開挖直立面時出現(xiàn)蠕動變形現(xiàn)象。

2.3.3 錨桿施工的影響

除受鉆孔用水的不利影響外，常規(guī)的坡面防護錨桿施工很難做到密實灌漿，也可引起地層壓密性沉降，甚至開裂。2種疑似必然的沉降疊加，加劇了施工段落及其牽引區(qū)域的開裂和滑移。

注: 表中位移為累計位移。下同。

3 第2次進洞措施和問題

3.1 第2次進洞措施

經建設、設計單位多次踏勘，按設計單位意見實施φ50 cm@1 m×1 m地表高壓旋噴樁加固，以穩(wěn)定滑動體。地表加固縱向范圍為自洞門向進洞方向20～35 m，橫向范圍為洞身主體向外拓展5 m，加固深度為隧道拱頂下1 m(見圖6)。

1)旋噴樁加固: 按上述參數(shù)施作地表高壓旋噴樁加固，于2016年11月18日完成。

2)邊仰坡防護: 與旋噴樁基本同步完成。

(a) 橫斷面圖

(b) 平面圖

3)大管棚施工(未完成): 2016年11月下旬立即開展大管棚施工，期間多處地表位移監(jiān)測點數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)生頻次、幅度差異明顯的變化，至12月10日，平面位移最大值為7.5 cm，相關監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2和圖7； 仰坡頂線外地表再現(xiàn)3條裂縫，最大裂縫約長48 m、寬6 cm、深1.2 m； 仰坡開挖立面及大管棚導向墻出現(xiàn)不規(guī)則擠壓變形裂縫(見圖8)； 左側立面粉質黏土與昔格達地層接觸面間蠕動錯位明顯，位移最大值為12 cm(見圖9)。已嚴重危及施工安全。

3.2 加固效果

地表加固后的開挖結果表明采取的措施收效甚微，開裂和變形持續(xù)發(fā)展。

3.3 第2次進洞失敗原因分析

3.3.1 大管棚施工的影響

在軟弱地層條件下施工的常規(guī)大管棚的“群孔聯(lián)孔”效應可引起地層在管棚密實灌漿前發(fā)生前置壓密性沉降，附加鉆孔用水的不利影響，加劇了施工段落及其牽引區(qū)域的開裂和滑移。

表2 前家山隧道進口地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(大管棚)

圖7 隧道進口1#、2#、3#、4#平面高程位移曲線(大管棚) (2016年)

3.3.2 滑動未制止

由圖8和圖9可見，膨脹性土體和昔格達地層的滑動面處于隧道開挖拱頂下約2.5 m，而地表高壓旋噴樁的加固深度并未穿越此滑動面，僅起到將滑動面上膨脹性土體整體化的作用，且增加了滑動動力； 同時未采取任何排水措施或阻滯地下水下滲措施，層間保水帶狀況絲毫未改善； 未采取任何主動抵抗縱向不穩(wěn)定措施，并未制止滑動。

3.3.3 無縱向平衡措施

未采取任何工程措施(諸如抗滑樁或回填等平衡或制約坡面滑動措施)，坡面縱向下滑力未改變。

4 第3次進洞措施及效果

筆者對成昆峨米段重點隧道進行例行檢查時，應建設指揮部和施工單位項目部之約增加該工點巡查，于2016年12月11日在現(xiàn)場聽取相關介紹和分析后，基于對PBA工法特點的經驗認知[11-13]，及文獻[14-15]等對PBA工法在各類地鐵工況中的成功應用，提出“基槽適度回填+PBA法加長明洞+拱頂回填”的綜合工程措施，設計單位以此進行深化設計。

(a) 仰坡開挖直立面蠕動

(b) 大管棚導向墻裂縫

4.1 進洞措施

PBA進洞法的工程設計見圖10—12，現(xiàn)場施作主要步序照片見圖13。施工措施順序如下。

(a) 錯位整體圖

(b) 錯位部位詳圖

圖10 增加明洞

1)防排水系統(tǒng): 完善洞口段防排水系統(tǒng)，力保地表水較充分引排，以確保施工安全。

2)在仰坡腳回填基槽至滑動面上約1.0 m時，坡面趨穩(wěn)，以平行和(或)交叉作業(yè)方式，完成剩余大管棚和邊仰坡防護工作量。

3)鉆孔樁P(pile): 在明洞結構水平投影外緣，按直徑150 cm 、長20 m、間距(4.5 m+3.5 m+4.5 m)施作左右2排鉆孔樁灌注樁，以樁作為坡面縱橫抗滑和明洞部分自重的支承。樁頂標高在軌面上2.27 m。

4)冠(托)梁B(beam): 在樁頂沿隧道縱向施作16 m×0.8 m×1.5 m的冠(托)梁。

5)護拱A(arch): 以冠梁為拱座，以“型鋼鋼架+鋼筋網+噴混凝土”先形成薄拱，再以此為內模和承力架、外扎鋼筋形成模架系統(tǒng)，模筑 80 cm 厚C35鋼筋混凝土護拱。

6)明洞回填: 護拱混凝土達設定齡期后，采用C20混凝土及土石進行反壓回填，頂部最小回填厚度為2 m，頂面縱坡6%。

7)暗洞施工: 挖除明洞腔體內土石并實施結構閉合，按設計參數(shù)以三臺階臨時仰拱法(上臺階預留核心土、中臺階設臨時仰拱)進行暗洞施工，至2017年4月3日暗洞完全進入。

8)明暗洞分界處理: 為防止分界處發(fā)生襯砌結構裂損，除在明暗分界處全環(huán)設置2 cm沉降縫外，同時加強隧道變形和沉降監(jiān)測； 直至2017年5月9日研判暗洞初期支護及明洞護拱回填變形均趨穩(wěn)后，順序施作了洞口段襯砌。

9)差異沉降監(jiān)測: 襯砌后，自2017年6月1日開始對明暗結構分界處進行差異沉降專項監(jiān)測； 至6月28日分界處達到同步微量沉降，7月12日沉降穩(wěn)定，累計差異沉降3.1 mm。

4.2 處理效果

坡腳回填后坡面滑動明顯減速，明洞回填后坡面已處于穩(wěn)定，暗洞進洞100 m以后，地表和隧道變形量值和速率均在規(guī)范可接受范圍內。

1)地表沉降變形環(huán)比最大值為0.70 mm，累計最大值為29.30 mm，地表沉降已穩(wěn)定。

2)明洞拱頂(D3K520+425)沉降累計值為31.30 mm，日速率最大值為3.00 mm，上、中、下臺階累計收斂值依次為36.35、31.96、17.30 mm； 暗洞拱頂(D3K520+430)沉降累計值為37.10 mm，日速率最大值為3.70 mm，上、中、下臺階累計收斂值依次為33.10、22.12、8.50 mm； 初期支護閉合成環(huán)后洞口段逐漸趨于穩(wěn)定。

3)雖有預判，也采取了針對性措施，但明暗交界處仍出現(xiàn)了最大縫寬約10 mm的初期支護環(huán)向裂損和3.10 mm的結構差異沉降。

(a) 正面(1∶200)

(b) 錨固樁平面布置圖(1∶200)

4.3 效果初步分析

在該隧道富水昔格達地層進口淺埋段連續(xù)遭遇進洞失敗時，作者執(zhí)念將已廣泛運用于地鐵超大斷面暗挖工程中的PBA工法移植到該工程的主要原因如下:

1)完善防排水系統(tǒng)，減少地表水入侵和(或)滯留導致的土層軟化滑動。

2)根據(jù)淺埋段西格達地層的滑動面位置和附近地表變化，洞察和把握了該滑動的動因和機制。

3)采用樁P、梁B、拱A組成的結構體系，巧妙地從三維角度對邊仰坡的縱、橫向不穩(wěn)定和可能的豎向承載力不足予以響應，解決了地層的穩(wěn)定性、明洞結構及回填荷載的支承，有利于上部結構與回填層的盡早穩(wěn)定； 既能為構建穩(wěn)定安全的明洞創(chuàng)造條件，又能使新構建的明洞與將建的洞口結構在位移上具有一定的協(xié)調性。

4)足夠長度的明洞結構及其回填物所稟賦的平衡和支承作用，富有余地克服了以縱向滑動為主的不穩(wěn)定性，使明洞結構、回填物、原有滑動地層構架成一個綜合穩(wěn)定體。

圖12明洞護拱及反壓回填(單位： cm)

Fig. 12 Protective arch and backpressure backfilling of open-cut tunnel (unit： cm)

(a) 灌注樁

(b) 托梁

(c) 護拱

5)明暗交界處襯砌待初期支護及回填物穩(wěn)定后施作，減少或防止初期支護差異沉降向襯砌傳遞集中形變荷載。

6)明暗交界處產生的3.10 mm結構差異沉降，對有碴軌道尚可接受； 對無碴軌道而言，則須再研究。

4.4 相關事項說明

1)樁型選擇: 設計方曾習慣性地堅持采用挖孔方樁，而忽視了此地質條件下挖孔樁的施工風險和施工期長的弊端，在筆者一再闡明鉆孔灌注樁同時具有抗滑功能后才勉強接受。

2)回填取舍: 筆者現(xiàn)場明確主張，先回填壓實坡腳下基槽，待樁(P)、梁(B)結構完成即回填壓夯土石形成拱的內胎模，但變更設計時仍堅持采用雙層拱結構，是明洞變形較大的主要原因。

3)PBA進洞法的推廣: 設計方已悄然將此法推廣到頗具類似特征的楊家灣隧道進口。

5 結論與討論

對前家山隧道富水昔格達地層進洞的3種工法實踐總結，得到如下結論和建議:

1)錨固樁、旋噴樁工法均導致地表開裂、大尺度變形，平面位移最大值為7.5 cm，未能解決前家山隧道進洞的問題。

2)隧道洞口采用PBA法后，地表及拱頂沉降最大值分別為29.3 mm和31.3 mm，初期支護閉合成環(huán)后洞口段逐漸趨于穩(wěn)定。

3)邊仰坡開挖時須實施足夠的工程措施以平衡或抵抗其不穩(wěn)定性，包含洞口切槽引起的縱、橫向臨空不穩(wěn)定性，且在昔格達地質條件下縱向不穩(wěn)定影響要大于橫向不穩(wěn)定，PBA法處置隧道進洞縱向不穩(wěn)定性的力學基礎明確，實踐驗證該工法是頗具針對性的有效措施。

4)本文案例中PBA法參數(shù)均按經驗類比法確定,結構能力存在過度和冗余再所難免, 類似案例可通過補勘獲得洞口段必要和全面的地質參數(shù),經力學分析和量化研究以獲得針對性和具體的參數(shù)。

5)PBA法應用于昔格達地層的作用機制值得進一步深入分析與探討。