隧道穿越軟塑性黃土地段施工技術研究

趙鴻志

（中鐵二十二局集團第四工程有限公司 天津 301700）

1 引言

黃土地層在我國分布比較廣泛，總覆蓋面積達63.5萬km2，隨著我國西北地區鐵路建設的步伐越來越快，我國在黃土隧道施工領域也積累了很多經驗［1］。但是，對于隧道長距離穿越軟塑黃土夾層影響段還沒有非常成熟的工藝來指導施工。以新建西銀客專上閣村隧道的工程背景為依托，在綜合分析了隧道穿越軟塑黃土夾層時的變形、塌方的基礎上，通過多方案比選進一步優化了黃土隧道洞身、拱頂及隧底穿越軟塑黃土地段的工程措施，解決了掌子面穩定性差、大變形、坍塌的問題及隧底穿越軟塑黃土地段基底加固困難的難題，確保軟塑黃土隧道工程快速、安全施工。

2 工程概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣境內，穿越世界規模最大的黃土塬（董志塬），兩岸邊坡高陡，多發育滑坡、錯落、溜坍和黃土陷穴等不良地質現象［2］。隧道起訖里程 DK207＋501.55～DK214＋300，全長6 798.45 m，屬Ⅰ級高風險隧道，是西銀客專全線施工難度最大，安全風險最高，洞身穿越軟塑黃土層最長的一座黃土隧道，拱頂、洞身及隧底受軟塑黃土層影響段長達4 560 m。其中：DK208＋100～DK210＋225長2 125 m為拱頂以上受軟塑黃土層影響段，軟塑黃土層厚度約 16 m，埋深 69～102 m；DK210＋225～DK211＋420長1 195 m 為洞身受軟塑黃土層影響段，埋深51～69 m；DK211＋420～DK212＋660長1 240 m為隧底受軟塑黃土層影響段，埋深32～51 m。隧道通過軟塑黃土段，黃土層垂直節理發育明顯，具有典型的濕陷性特征，水敏性強，含水率高（25% ～33%），開挖后掌子面穩定性極差，易發生沉降、掉塊、坍塌［3］，現場施工情況如圖1、圖2所示。

圖1 正洞圍巖含水率高拱腳積水

圖2 拱腳軟塑狀土體流出

隧道通過軟塑黃土地段設計采用拱部φ89管棚＋φ42小導管、三臺階預留核心土法、三臺階臨時仰拱法的施工方法；基底采用φ194鋼管樁進行加固處理，鋼管樁深入軟塑層以下不少于2 m，鋼管內采用C30混凝土灌注。

3 施工關鍵技術

隧道通過軟塑黃土段，按照設計的施工方法，極易出現變形、塌方事故。針對施工中出現的問題，后續施工采取了新的施工方案，取得了良好的效果。

3.1 按照原設計施工時現場出現的問題、形成的原因以及采取的措施

3.1.1 出現的問題

（1）當施工至 DK208＋592～DK208＋606軟塑黃土段時初支表面突發環向裂縫，核查發現DK208＋592～DK208＋606段初期支護變形侵限，最大侵限約40 cm。

（2）當施工至DK208＋617軟塑黃土段時，突發塌方，坍塌過程中引起地表直徑18 m的陷坑。塌方時坍塌體為黏質黃土，充滿掌子面，塌腔不可見。DK208＋617拱頂以上7 m為厚約16 m的軟塑黃土夾層，地下水位在拱部上方18 m位置，施工時，此處正在實施地表深孔降水試驗。

3.1.2 形成的原因

（1）變形形成的原因

①圍巖地質情況推斷不準確，設計支護參數與圍巖實際情況不匹配（設計為Ⅳ級圍巖，實際為Ⅴ級或Ⅵ級圍巖）。

②開挖支護的工藝工法采用不盡合理，過程控制不到位。

③雨季時連續降雨，地表水下滲，軟化了圍巖，導致圍巖松弛變形圈過大，對初期支護的壓力增大，最終導致出現初期支護開裂、掉塊、變形侵限等現象。

（2）塌方形成的原因

①原設計措施在軟塑黃土地層支護強度明顯薄弱。

②連續強降雨滲入到隧道拱頂及洞身，造成隧道上方土體及洞身土體軟化，自重增加，是造成塌方的誘因。

③塌方段落地表臨近沖溝邊緣，沖溝下切嚴重，拱頂位于地下水位線及軟塑黃土層影響段。受地下水徑流影響，開挖后圍巖含水率逐漸提高，自身穩定性降低也是塌方的原因。

3.1.3 采取的措施

（1）變形處理措施

①對于變形較小且初支未侵限的處理是待監測數據穩定后，現場對掌子面進行回填反壓，設置臨時橫、豎撐，對變形范圍內初支進行徑向注漿，變形得到控制后開始掘進。

②對于變形后初支段侵限的處理要結合監測數據，待趨于穩定且保證安全的前提條件下，及時進行回填反壓，跟進仰拱及填充，然后在回填反壓平臺上設置臨時仰拱，中、下臺階鋼架拱腳增設大鎖腳或斜撐，再施作止漿墻進行洞內帷幕注漿，后續每拆換拱處理一榀，拆除臨時仰拱一榀。

（2）塌方處理措施

首先，塌方及其影響段監控量測穩定且確認安全后，進行回填反壓，設置止漿墻并跟進二次襯砌；地表塌陷體進行三七灰土夯填。

其次，洞內帷幕注漿加固，注漿加固范圍為掌子面、拱墻開挖輪廓線外5 m。

再次，在坍塌體范圍內進行地表深孔袖閥管注漿加固。

3.2 新的施工方案

針對上閣村隧道軟塑黃土段前期出現的問題，經科研技術攻關，發現解決軟塑黃土段施工最好的辦法是用漿液填充隧道洞身和洞身以外4～5 m周圈范圍內的黃土裂隙和打井降水的方法抽排走裂隙水。軟塑黃土影響段施工時，洞內采用了拱部φ 89管棚＋φ42小導管、四臺階臨時仰拱、四臺階、大鎖腳及分區段采取洞內帷幕注漿、地表深孔袖閥管注漿、地表深孔降水等工程措施。其中，DK208＋620～DK208＋900，DK209＋210～DK209＋290，DK210＋110～DK210＋270，DK210＋740～DK210＋905，DK211＋673～DK211＋709段計721 m洞內采用拱部φ42小導管、大鎖腳、四臺階預留核心土法及地表深孔袖閥管注漿法施工；DK208＋512～DK208＋562，DK208＋900～DK209＋210，DK209＋350～DK209＋820，DK210＋000～DK210＋050，DK210＋390～DK210＋660段計1 150 m洞內采用拱部φ89管棚＋φ42小導管、大鎖腳、四臺階臨時仰拱法及地表深孔降水法施工；DK208＋272～DK208＋512，DK208＋562～DK208＋622，DK209＋290～DK209＋350，DK209＋820～DK210＋000，DK210＋050～DK210＋110，DK210＋270～DK210＋390，DK210＋660～DK210＋740段計800 m洞內采用拱部φ42小導管、大鎖腳、四臺階預留核心土法及洞內帷幕注漿法施工。通過新的施工方案，解決了軟塑黃土層施工時遇到的黃土裂隙和裂隙水，極大提高了圍巖的穩定性，確保了施工安全，施工進度也由原來的20～30 m/月提高到了70～80 m/月。

基底加固由鋼管樁調整為袖閥管注漿加固，解決了鋼管樁加固過程中開挖、初支、仰拱襯砌等多種工序交叉相互干擾的難題，使隧道長期存在的基底變形問題得到了根本解決。

3.3 軟塑黃土段施工關鍵技術

3.3.1 洞內帷幕注漿技術

當黃土隧道軟弱層進入節理裂隙發育和富水地層時，宜采用洞內帷幕注漿工藝輔助施工，帷幕注漿后洞內掌子面情況如圖3所示。洞內帷幕注漿時隧道每循環加固長度為25 m（不含止漿墻），每循環開挖20 m，注漿加固范圍為隧道拱部180°至開挖輪廓線外5 m［4］。止漿墻寬2.0 m，止漿墻背后若有空腔應采用水泥砂漿回填［5］。在拱頂內輪廓線下4.7 m處設置臨時仰拱，作為鉆機操作平臺，注漿采用一定比例配置而成的水泥單液漿或水泥-水玻璃雙液漿［6］。水泥-水玻璃漿液配合比為1∶1，水泥單液漿配合比 W∶C＝（0.6～0.8）∶1，注漿孔設計擴散半徑2.0～3.0 m，注漿終壓2～3 MPa。當注漿壓力達到設計壓力并穩壓10 min后，即可結束該孔注漿；若注漿壓力達不到設計壓力，當注漿量達到設計值2倍時立即停止注漿［7］。

圖3 帷幕注漿后效果

3.3.2 地表深孔降水技術

上閣村隧道地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，黃土塬地下水埋深約50～70 m，根據深鉆孔資料表明孔深在埋深58.5～69 m、95～125 m段為出水段落，含水層厚度為10～30 m［8］。當掌子面含水率為23%～28%時宜采用地表深孔降水輔助洞內施工。為達到降水效果，降水井應提前掌子面120 m或提前2個月施作，地表降水井布置于正洞輪廓線外側邊緣左右側 4 m 處［9］，沿縱向間隔20 m布置，降水井直徑325 mm，降水井深度進入隧底高程以下20 m［10］，地 表 深 孔 降水后效果如圖4所示。

圖4 地表深孔降水后效果

3.3.3 地表深孔袖閥管注漿技術

地表袖閥管注漿一般適用于地表埋深不超過50 m的地層，本隧道軟塑黃土地層埋深約51～102 m。經綜合考慮和技術攻關，當掌子面含水率在28%以上時宜采用地表深孔袖閥管注漿技術，地表注漿施工時要超前掌子面不少于30 m的安全距離，注漿范圍橫向為最大跨兩側各4 m且不少于2排孔用水泥-水玻璃雙液漿，洞身部分采用水泥單液漿；雙液漿注漿范圍豎向為仰拱底以下4 m至拱頂以上5 m，單液漿注漿范圍豎向為拱頂以上5 m至拱頂以下1 m，仰拱底以下4 m至仰拱底以上1 m。當隧道下穿沖溝時，宜在沖溝及沖溝前后50 m范圍內采用全斷面地表注漿，注漿范圍橫向為最大跨兩側各4 m且不少于2排孔用水泥-水玻璃雙液漿，洞身部分采用水泥單液漿；雙液漿和單液漿注漿范圍豎向為仰拱底以下4 m至拱頂以上5 m。

注漿量的計算：

式中，Q為注漿量；r為注漿擴散半徑；h為注漿長度；n為地層空隙率（由現場試驗確定，黃土地層一般為0.2～0.4）；α為漿液填充率（取值0.9～1）；β為漿液損失系數（取值0.1～0.3）。

注漿孔間距（1.8～2.25）m ×（1.8～2.25）m，梅花形布置，注漿擴散半徑為1.1～1.3 m，注漿壓力3～5 MPa，采用φ76 mm δ5 mm鋼性袖閥管垂直注漿，接頭采用φ89 mm δ5 mm無縫鋼管。采用后退式分段注漿工藝［11］，分段長度為1～1.5 m。

地表深孔袖閥管注漿后掌子面開挖揭示黃土裂隙填充完好，注漿結石率高，漿脈可見且充填致密，土體膠結緊密，穩定性高。部分芯樣及注漿效果如圖5、圖6所示。

圖5 部分芯樣

圖6 地表深孔袖閥管注漿后填充效果

3.3.4 基底袖閥管注漿加固技術

（1）對于仰拱未施工段：仰拱部位初支施工時預埋φ89套管，施作袖閥管注漿對基底軟塑層進行加固處理。注漿孔按2.25 m×2.25 m三角形布置，注漿擴散半徑為1.3 m，注漿壓力1.5 ～2 MPa，袖閥管采用 φ50 mm δ3.5 mm 剛性袖閥管，后退式分段注漿工藝，分段長度1.0～1.5 m，加固范圍為仰拱開挖輪廓線外4 m，漿液選用普通硅酸鹽水泥單液漿添加硫鋁外加劑配合比W∶C＝0.8 ～1∶1［12］，注漿完成后仰拱及仰拱填充范圍內采用雙快水泥封口。

（2）對于仰拱已施工段：仰拱填充面打設φ90注漿孔，其余參數同仰拱未施工段。

4 結束語

隧道在拱頂、洞身及隧底長距離通過軟塑黃土地層施工時極易發生變形、坍塌，主要原因是該地層中富含構造裂隙和裂隙水，可以分區段采取洞內帷幕注漿、地表袖閥管注漿、地表降水及隧底袖閥管注漿等工程技術措施（這些措施是依據土體含水率來定）來填充黃土裂隙和抽排走裂隙水，確保隧道穿越軟塑黃土層的施工安全并有效避免工程隱患及工期風險。