中老鐵路膨脹性鹽巖地層隧道結構體系優化及施工技術探究

王志杰， 李金宜， 周飛聰， 姜逸帆， 周 平， 鄧宇航， 林嘉勇

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

0 引言

鹽巖是由質量分數為35%以上的石鹽和其他常伴生的石膏、芒硝、白鈉鎂礬、雜鹵石、鉀石鹽、光鹵石、黏土、有機質及鐵質化合物等混入物所組成的巖石，是由含鹽度較高的溶液或鹵水通過蒸發濃縮作用形成的化學沉積巖。

鹽巖的蠕變性與重結晶性使其在地下能源儲存及核廢料封存上占據重要地位，其遇水溶解形成的地下空腔已是國際首選天然氣儲備場所[1]。故目前對鹽巖儲氣庫設計[2]、儲氣庫穩定性[3]以及鹽巖蠕變[4-5]的研究較多。

膨脹性圍巖對隧道的危害不斷凸顯，現已有不少研究者對膨脹性圍巖進行研究。Oldecop等[6]依托西班牙拉里隧道，采用室內試驗對巖體針狀石膏膨脹過程進行研究。Zhang等[7]采用X射線衍射分析、電鏡掃描試驗，證明蒙脫石膨脹是造成貴州小屯煤礦頂板、井壁變形坍塌的原因。崔蓬勃等[8]通過Ansys對不同膨脹性工況隧道二次襯砌進行受力分析，各工況二次襯砌安全系數均會下降。陳有亮等[9]基于濕度應力場理論，推導了考慮膨脹應力和剪脹的深埋圓形隧道彈塑性解以及濕度擴散非穩態解。蒲文明等[10]對膨脹巖進行分類并對本構模型進行歸納總結，指出膨脹巖隧道開挖時應減少對地層的擾動。

鹽巖具有強腐蝕性、強膨脹性以及水溶性，在鹽巖地層中修建隧道極其困難。目前，在交通領域中關于鹽巖的研究較少，僅有黃東海[11]、于占華[12]對含鹽地層隧道施工技術進行了簡要闡述，肖勇剛[13]、劉高金等[14]對含鹽地層隧道結構損傷的原因進行了簡要分析，關于鹽巖隧道設計施工技術的研究還處于空白，基本沒有形成較為有效的措施和控制體系。本文依托中老鐵路跨境隧道鹽巖段工程，在考慮地層膨脹壓力的前提下比選變更設計斷面、選擇施工方法，并提出隧道支護防水等新工藝，以期為后續施工提供指導，為其他鹽巖地層隧道開挖提供新思路。

1 膨脹性鹽巖地層隧道特點

友誼隧道位于中老鐵路磨憨站至磨丁站(老撾境內)區間，穿越國境線，為設計時速160 km的單線鐵路隧道。隧道全長9 595.407 m，其中，老撾境內長2 425 m，起訖里程為DK0+000～DK2+425，最大埋深243 m，均為Ⅳ、Ⅴ級圍巖。隧道3#斜井進入正洞段后，揭示圍巖主要為含硬石膏、泥灰質角礫石鹽巖，最大含鹽量超過90%，鹽巖呈條帶狀，寬0.1～1.0 cm。在DK0+730取巖樣，顯微鏡下觀察為中晶—巨晶結晶粒狀結構，塊狀構造，成分主要為石鹽(質量分數77%～79%)，夾部分泥灰質、硬石膏角礫，電鏡下巖塊見圖1。

圖1 電鏡下巖塊

1.1 水文地質情況

隧址區地勢低緩，地表水為溝水、河水，水量受大氣降水控制，旱季溝內水量減小或干涸。溪溝地表水屬2HCO3-·Cl--Ca2+·Na+型水。地下水主要類型有第四系孔隙水、基巖裂隙水，下伏基巖巖體破碎，基巖裂隙水較發育，主要受大氣降水及地表水補給。地下水對混凝土結構具有硫酸鹽侵蝕、氯鹽侵蝕及鹽類結晶破壞侵蝕，正洞DK0+000～+900段及3#斜井環境作用等級分為H2、L3、Y3；正洞DK0+900～DK2+425段環境作用等級分為H2、Y2。預測友誼隧道老撾境內正洞正常涌水量為3 000 m3/d，雨季最大涌水量為3 600 m3/d。

1.2 原隧道斷面設計參數

隧道原設計斷面如圖2所示。隧道原設計為三心圓馬蹄形斷面。根據圍巖分級及地質構造，采用不同的支護參數，Ⅳ級圍巖采用Ⅳb型復合式襯砌，Ⅴ級圍巖采用Ⅴb型復合式襯砌(通過班博騰斷層段采用Ⅴc型襯砌)，各類型襯砌支護參數見表1。

圖2 隧道原設計斷面(單位： cm)

表1 原設計襯砌參數

1.3 隧道結構損傷形態

鹽巖屬于易溶化學沉積巖，具有溶蝕性及化學侵蝕性，遇水具有強烈的喀斯特巖溶特征，鹽巖地下水對隧道襯砌結構具有不同程度的化學侵蝕。鹽巖遇水溶解后重結晶體積增大以及硫酸鹽侵蝕造成含鹽地層隧道圍巖具有強膨脹性。膨脹性、腐蝕性導致隧道防水襯砌結構損傷，強度降低，混凝土破損嚴重，一旦發生病害，整治的難度將會很大。

鹽巖引起隧道最直觀的結構損傷即襯砌裂縫、仰拱開裂，如圖3所示。友誼隧道在施工階段出現較嚴重的襯砌裂縫及仰拱開裂。自2018年7月起，DK0+670～+675兩側矮邊墻縱向開裂，裂紋寬0.001～0.015 m；DK0+695～+683仰拱縱向開裂，裂紋寬0.005～0.010 m。開裂段為45 cm厚C45素混凝土，裂縫數量逐漸增多，長度、寬度逐漸發展，目前裂縫已有42條。

1.4 隧道結構損傷機制分析

隧道結構損傷與鹽巖的膨脹性密切聯系，膨脹壓力形成機制如圖4所示。襯砌腐蝕劣化的原因包括物理膨脹和化學膨脹。物理膨脹是指無水硫酸鈉吸水轉換成十水硫酸鈉晶體時體積膨脹，產生較大結晶壓力。物理膨脹主要為高礦化度的地下水，通過擴散、毛細管、滲透、電化學遷移等作用進入混凝土結構，水分蒸發并析出結晶鹽，此時的結晶鹽產生膨脹壓力導致混凝土內部裂縫發展。此時的膨脹壓力主要是由無水硫酸鈉晶體(Na2SO4)吸水轉化成十水硫酸鈉晶體(Na2SO4·10H2O)的過程中晶體體積膨脹314%造成的。

圖3 襯砌及仰拱開裂

圖4 膨脹壓力形成機制

化學膨脹為地下水進入混凝土內部后與混凝土組成成分及鋼筋發生化學反應，產生膨脹壓力，最終導致襯砌劣化。作用機制可分為2個方面： 1)化學生成物(如鈣礬石、石膏、碳硫硅鈣石等)體積較反應物大，在混凝土孔隙中脹大，產生膨脹壓力，引起襯砌內部微裂縫發展。2)進入混凝土內部的Cl-會與鋼筋發生電化學反應，造成鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕體積會增大2～4倍，產生銹脹壓力作用于混凝土。同時，混凝土C-S-H凝膠等成分被反應消耗，混凝土內部膠結能力下降，最終導致襯砌耐久性、承載力降低。

1.5 襯砌優化

原隧道按三心圓馬蹄形斷面施工，大量裂紋發展，隧底有空腔發育。經專家討論分析，選定圓形為隧道新斷面，并在仰拱向下擴挖1 m施作隔水混凝土，襯砌內輪廓預留30 cm補強空間。襯砌形式分為A、B 2種，A型襯砌用于巖體較完整且干燥無水段，B型襯砌用于圍巖裂隙發育或地下水發育段。初期支護采用“錨網噴+全環格柵鋼架”，A型襯砌和B型襯砌設計參數僅在初期支護上有所區別，A型襯砌在拱墻設置3 m長錨桿，B型襯砌在洞周全環設5 m長注漿錨管。A、B型襯砌結構形式如圖5所示。

(a) A型襯砌

1.6 施工難點

隧道結構形式特殊，仰拱深、斷面大。為避免地下水向結構內滲，造成結構腐蝕和破壞，設計采用全包防水，綜合考慮水壓、鹽巖結晶壓力、圍巖壓力等，隧道結構采用圓形斷面，同時對仰拱進行加深，開挖斷面達到142 m2。

隧道結構復雜，施工工序多，施工組織難度大。隧道結構由3層支護和2層防水組成，由巖面向洞內分別為初期支護、一次防水層、隔水混凝土、二次防水層、二次襯砌。作業面作業工序達到10余個，作業工區長約260 m，狹長空間內施工干擾大，施工組織難度大。

為提高結構抗滲性和耐腐蝕性，工程采用了大量新材料、新工藝，例如： C25摻納米復合材料早高強噴射混凝土、C35混凝土隔水層、可維護式注漿管等。該新材料、新工藝可借鑒的案例較少，工藝要求高。

2 數值模擬計算分析

2.1 膨脹壓力確定

根據王超等[15]的研究，含有質量分數為97%的CaSO4石膏地層巖樣最大膨脹壓力為330.6 kPa。友誼隧道硫酸鹽含量極高，可將文獻[15]室內試驗所得的膨脹壓力作為參考。同時，龐山等[16]基于《鐵路隧道設計規范》提出，采用圍巖降級的方法計算圍巖松動壓力，即膨脹性圍巖膨脹壓力等于無膨脹性圍巖原松動壓力。友誼隧道圍巖多為Ⅴ級圍巖，故膨脹壓力計算過程如下。

式中：B為隧道寬度；ω為寬度影響系數；i為隧道寬度每增減1 m時的圍巖壓力增減率，按規范取值；γ為圍巖重度；s為圍巖級別。

由式(1)計算所得膨脹壓力不超過330.6 kPa，同時參考友誼隧道設計資料，徑向地層膨脹壓力取250 kPa，計算時采用的膨脹壓力示意如圖6所示。

(a) 普通支護斷面 (b) 多層支護斷面

2.2 計算工況

根據現場實際情況，并參考成昆復線隧道工程等國內含鹽地層隧道，擬定2種開挖工法。為探明徑向地層膨脹壓力的影響以及多層支護、仰拱加深的作用，用控制變量法共建立5個計算工況(見表2)進行對比分析。

表2 計算工況

各種工法臺階長度、開挖進尺的不同均會產生不同的計算結果，為保證變量的單一性，故保持各工況開挖進尺及臺階長度一致。

2.3 模型建立

根據友誼隧道變更設計資料，采用FLAC3D建立隧道開挖模型。圓形斷面隧道開挖直徑為11.5 m，根據圣維南原理，模型左右、上下邊界均取4倍開挖直徑，開挖長度取80 m，模型尺寸為103.5 m×104.5 m×80 m，計算模型如圖7所示。圍巖單元采用摩爾-庫侖模型，支護結構單元采用彈性模型。除頂部邊界外，其余各邊界均采用單向固定約束，前后邊界不發生縱向位移，左右邊界不發生橫向位移，底面不發生豎向位移。

D為開挖直徑。

根據友誼隧道地質勘察資料及基本力學試驗，得出圍巖力學參數；根據《混凝土設計規范》取混凝土彈性模量，并將鋼拱架剛度等效折算，模型計算參數如表3所示。

表3 數值模型計算參數

鹽巖地層膨脹壓力主要由鹽類重結晶體積增大造成，故膨脹壓力在仰拱開挖完成后施加于洞周圍巖節點上。

記錄開挖過程中5種工況下Y=20 m斷面拱頂沉降、拱腳沉降、仰拱隆起、拱腰水平收斂、拱腳水平收斂、墻腳水平收斂等，監測點的布置如圖8所示。根據工況①②及③④，可分析地層膨脹壓力對襯砌結構安全性的影響；根據工況①③及②④，可分析多層支護及仰拱加深對圍巖、結構的影響；根據工況④⑤，可研究二臺階法、三臺階法膨脹性鹽巖地層隧道的適應性。

圖8 監測點布置

2.4 計算結果分析

2.4.1 洞周圍巖變形

將工況①②③④圍巖變形全過程進行對比，得出Y=20 m斷面洞周圍巖變形時程曲線圖(如圖9所示)，分析膨脹壓力、多層支護及仰拱擴挖對圍巖穩定性的影響。根據圖9，可得到以下結論。

1)圍巖仰拱隆起>拱頂沉降；拱腳水平收斂>墻腳水平收斂>拱腰水平收斂。

2)對比工況①②及③④可知，存在膨脹壓力時，水平收斂及豎向變形均明顯增大，且水平收斂增長幅度大于豎向變形。采用普通支護時，250 kPa地層膨脹壓力可使隧道拱頂沉降增大22.90%、仰拱隆起增加7.00%、最大水平收斂增大54.25%；當采用多層支護時，250 kPa地層膨脹壓力使隧道拱頂沉降增大22.33%、仰拱隆起增加7.68%、最大水平收斂增大36.85%。

(a) 拱頂沉降 (b) 拱腳沉降

3)對比工況①③及②④可知，采用多層支護可對洞周圍巖變形起到積極的約束作用。不存在膨脹壓力時，水平約束效果與豎向約束效果基本一致，采用多層支護時較采用普通支護時拱頂沉降減小12.99%、仰拱隆起減小11.11%、最大水平收斂減小13.04%。當地層存在250 kPa膨脹壓力時，水平收斂約束效果大于豎向變形，采用多層支護時較采用普通支護時拱頂沉降減小13.40%、仰拱隆起減小10.55%、最大水平收斂減小22.85%。

2.4.2 掌子面縱向擠出變形

整個計算模型長80 m，開挖至50 m時隧道掌子面縱向擠出變形如圖10所示。由圖可得出以下結論。

1)各工況最先行掌子面縱向擠出變形最大處位于幾何中心，且與掌子面面積有關。上臺階開挖卸荷引起下臺階表面發生較大的隆起。由于空間效應，下臺階開挖面頂部縱向擠出變形最大，其擠出量甚至超過最先行掌子面。

2)加荷時，膨脹地層壓力均處于XOY平面，故無沿隧道縱向的分力。對比圖10中(a)(b)及(c)(d)可知，250 kPa膨脹壓力對隧道掌子面縱向擠出變形基本沒有影響。

3)對比圖10中(a)(c)及(b)(d)，采用多層支護后，掌子面縱向擠出變形明顯減小。由于對仰拱進行擴挖，模筑混凝土更厚，仰拱臺階開挖面擠出變形減小幅度大于上下臺階。

2.4.3 初期支護受力

隧道貫通后，提取Y=40 m斷面初期支護最大主應力和最小主應力，結果分別如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可得出以下結論。

1)隧道在拱頂、拱腰處最大主應力均為拉應力，其余各處最大主應力均為壓應力，且拱頂處大主應力絕對值最大。隧道最小主應力均為壓應力，且由于斷面類似圓形，小主應力沿斷面周圍分布較均勻，拱腳處最大。

2)對比圖11和圖12中(a)(b)及(c)(d)可知，拱頂處最大主應力為正值，即為拉應力。膨脹壓力會減小拱頂處的最大主應力，但最小主應力會較大幅度增長，且仰拱處增長幅度最大，易造成支護被壓壞。

3)對比圖11和圖12中(a)(c)及(b)(d)，多層支護對初期支護最大主應力的影響不大。由于墻腳曲率較小，無膨脹壓力時，多層支護引起墻腳最小主應力突增，其余各處應力較為接近。有膨脹壓力時，除在墻腳有應力集中外，多層支護可減小其他部位的最小主應力，尤其是拱頂附近。

(a) 二臺階普通支護無膨脹壓力 (b) 二臺階普通支護有膨脹壓力 (c) 二臺階多層支護無膨脹壓力

(a) 二臺階普通支護無膨脹壓力 (b) 二臺階普通支護有膨脹壓力 (c) 二臺階多層支護無膨脹壓力

2.4.4 工法比選

三臺階法支護封閉時間長于二臺階法，圍巖變形時間長，變形量大。根據圖9可知，膨脹性鹽巖地層隧道開挖采用三臺階法時，拱頂沉降、仰拱隆起、最大水平收斂值均比采用二臺階法時大，分別大5.63%、11.73%、13.24%。由于三臺階法上臺階開挖斷面較小，故拱頂沉降增大幅度小于仰拱隆起及水平收斂。同時，三臺階法開挖斷面的減小導致最先行掌子面縱向擠出變形小于臺階法。根據圖11可知，三臺階法施工時，圍巖應力釋放時間長，拱頂、拱腰初期支護最大主應力略有下降。根據圖12可知，三臺階法上臺階開挖后，臺階面位于隧道拱腰，拱腰、拱頂最小主應力大；二臺階法上臺階開挖后，臺階面位于隧道拱腳，拱腳最小主應力大； 2種施工方法下墻腳、仰拱處初期支護最小主應力基本一致。

隧道開挖工法適應性比選，不僅需要從圍巖穩定、結構受力方面考慮，還需要與施工速度、施工經濟性相聯系。二臺階法開挖工序少，開挖速度快，初期支護及二次襯砌均較早封閉，洞周圍巖位移小，但圍巖壓力釋放較少，掌子面擠出變形最大，初期支護壓應力承受的最大壓力略大于臺階法。但由于膨脹壓力及類圓形斷面，其支護受力均勻，承載能力強，且施工靈活多變，施工斷面較大，可采用大型機械開挖，工效快。三臺階法除掌子面擠出變形以外，其余各處圍巖變形均略大于二臺階法； 同時，考慮到施工成本及工作段長度，認為二臺階法較三臺階法更適用于膨脹性鹽巖地層隧道施工。

3 現場實測驗證

隧道施工現場斷面如圖13所示。在變更隧道斷面形式、支護類型前后對隧道變形進行了現場監測。本文選取變更設計前后含鹽量接近的4個斷面進行變形分析，馬蹄形斷面為DK0+690、DK0+700，圓形斷面為DK1+240、DK1+250。將隧道4個斷面拱頂沉降及拱腳水平收斂繪制成圖，并用指數函數(y=a×e(-x/t)+y0)對圓形斷面變形曲線進行擬合。拱頂沉降及拱腳水平收斂變化曲線分別如圖14和圖15所示。通過擬合方程預測其變形穩定值，最終與數值計算結果進行對比驗證。

由圖14和圖15可知： 1)隧道采用二臺階法開挖時，馬蹄形斷面隧道開挖27 d后拱頂平均沉降達115 mm，拱腳收斂超過85 mm； 2)圓形斷面隧道開挖變形量顯著減小。通過擬合公式可預測DK1+240及DK1+250拱頂平均下沉穩定值為37.9 mm，拱腳最大水平收斂平均穩定值為55.8 mm。實測結果與數值計算結果對比如表4所示。由表4可知，采用多層支護后，隧道水平收斂較豎向變形能更快穩定。拱頂及拱腳預測變形量均大于數值計算結果，但最大差值率不超過20%，計算結果基本可信。

圖13 隧道施工現場斷面

圖14 拱頂沉降變化曲線

圖15 拱腳水平收斂變化曲線

表4 實測結果與數值計算結果對比

4 其他施工技術

4.1 洞身開挖工序

隧道洞身開挖流程復雜，工序繁多，具體工序如圖16所示。首先，采用自制鑿巖臺架配合手持風鉆鉆孔，弱爆破上臺階及下臺階①部； 通風排煙20 min后，檢查爆破效果，排查有無盲炮等； 確認無誤后，初噴4 cm厚噴射混凝土，施作上臺階及下臺階初期支護Ⅰ，復噴C25混凝土至設計厚度，施作臺階徑向注漿Ⅱ。下臺階開挖完成后，進行仰拱開挖②及檢底，檢底完成后，施作仰拱初期支護Ⅲ、隧底徑向注漿Ⅳ。隧底注漿施工完成后，鋪設第1層防水，施作換填隔水層混凝土Ⅴ，再鋪設第2層防水，后澆筑仰拱混凝土Ⅵ及填充C20混凝土Ⅶ。仰拱施工支護完成后，鋪設拱墻初期支護第1層防水，利用臺車施作拱墻隔水層混凝土Ⅷ、拱墻隔水層混凝土第2層防水，澆筑拱墻二次襯砌混凝土Ⅸ。最后施工水溝、電纜槽等附屬工程Ⅹ。

圖16 洞身開挖工序

4.2 注漿參數

超前小導管采用熱軋鋼花管，鋼管內壁采用普通單層環氧粉末進行防腐，厚度≥300 μm，外層采用加強雙層環氧粉末，厚度≥500 μm，且應具有抗劃傷耐磨性能。A型襯砌全環采用PVC鋼花管進行注漿，單根長度為0.5 m，拱墻間距為1.5 m×1.5 m，隧底間距為1 m×1 m。注漿配合比為普通P·O 42.5水泥質量∶水質量=2∶1。進漿壓力一般為2～3 MPa，注漿終壓為4 MPa。B型襯砌全環采用φ42 mm環氧涂層鋼花管對5 m范圍內的圍巖進行加固、堵水，環向間距×縱向間距為1 m×1 m，交錯布置。漿液按照超細水泥質量∶水質量=1∶0.5進行拌制。

4.3 阻水榫施工

為抑制含鹽地下水在隧底的縱向流動，減少仰拱脫空、底鼓，在鹽巖襯砌段設置隧底阻水榫，間距50 m，尺寸為1 m(高)×1 m(厚)，與隧底隔水層結構一起整體澆筑，混凝土材料與隔水結構一致。另外，在鹽巖含量變化較大、地下水變化較大處增設阻水榫。

隧道開挖后，阻水榫附加斷面及時施作錨噴網，采用人工風鎬擴挖。阻水榫范圍內不設鋼架，不設土工布+EVA防水板。阻水榫橫斷面和縱斷面如圖17所示。經現場觀測，隧道變更為圓形斷面并采用多層支護、向下擴挖仰拱，同時采用“四新”開挖技術、注漿技術及隧道阻水榫等施工防水技術后，襯砌表面無裂縫發展，無鹽類結晶析出，仰拱底鼓情況得到有效控制。

(a) 橫斷面圖

5 結論與討論

本文依托中老鐵路友誼隧道工程鹽巖特殊段，采用現場調查、數值模擬、監控量測等手段，對膨脹性鹽巖地層工程特性、隧道結構設計、施工方法等關鍵技術進行了研究，得出以下結論。

1)鹽巖具有腐蝕性、膨脹性，含鹽地下水對混凝土的侵蝕引起的膨脹壓力是原馬蹄形隧道襯砌開裂的根本原因之一。

2)250 kPa的地層膨脹壓力可大幅度增大圍巖變形，尤其是最大水平收斂，但其對隧道掌子面縱向擠壓變形基本沒有影響。膨脹壓力可減小拱頂處的最大主應力(拉應力)，但會大幅度增大仰拱處最小主應力，易造成仰拱被壓壞。

3)采用多層支護可對洞周圍巖變形起到積極的約束作用，存在地層膨脹壓力時，多層支護對水平收斂的約束效果大于對豎向變形的約束效果。多層支護也可使掌子面縱向變形明顯減小，仰拱臺階開挖面擠出變形減小幅度大于上下臺階。多層支護對初期支護最大主應力基本無影響。無膨脹壓力時，會引起墻腳最小主應力突增；有膨脹壓力時，可減小其他部位的最小主應力。

4)綜合考慮圍巖穩定性、支護受力、施工效率及工程經濟性等，膨脹性鹽巖地層多層支護隧道施工宜采用二臺階法。

5)現場實測證明隧道結構形式優化效果明顯，通過指數函數擬合的圍巖變形預測值與數值計算值誤差不超過20%。

6)隧道結構采用3層襯砌、2層防水，在富水段全環注漿并施作隧底阻水榫后，襯砌開裂、仰拱底鼓得到控制。

監測數據顯示，隨著時間的增長，隧道結構仍有一定變形，因此，需進一步研究鹽巖的膨脹性和其蠕變性的關系，以保障鹽巖地層隧道結構的長期健康服役功能。