玉磨鐵路太達村隧道穿越粉細砂地層的施工關鍵技術

蔣勝光

粉細砂地層具有異常復雜的巖性特征和水穩特性，隧道施工安全風險極高，施工過程中易出現坍塌、突水涌砂、軟巖大變形等現象。如何安全、有效地穿越粉細砂地層仍是擺在眾多隧道工作者面前的難題。本文詳細闡述了針對太達村隧道穿越粉細砂地層采取的各項處理措施，為類似工點提供參考。

The silty-fine sand stratum is featured by extremely complex lithologic characteristics and water stability， and crossing such stratum is subject to extremely high safety risk， which means that collapse， water inrush， and sand gushing， large deformation of soft rock， and other phenomena are easy to occur during tunneling. How to safely and effectively cross the silty-fine sand stratum is still a difficult problem for tunneling. In this paper， various treatment measures for Taidacun Tunnel crossing silty-fine sand stratum are elaborated in detail， which can provide a reference for similar construction sites.

一、引言

隧道工程穿越飽和粉細砂地層，由于其膠結物質差、圍巖強度較低、開挖臨空后巖層間結合力及穩定性差、飽水遇臨空面時呈流沙狀等特點，坍塌、突水涌砂、沉降變形大等時常發生。粉細砂地層具有異常復雜的巖性特征和水穩特性，隧道施工安全風險極高。如何安全、有效地穿越粉細砂地層仍是擺在眾多隧道工作者面前的難題，極有必要進一步研究。

新建玉磨鐵路太達村隧道DK241+504～DK241+594、DK241+694～DK241+784段180m穿越下第三系全風化粉細砂段，自穩性極差，現場施工中多次出現坍方、突水涌砂、初支變形等。為此，中鐵二院通過采用音頻大地電磁法（AMT法）和瞬變電磁法（TEM法）等物探測試輔以地表深孔鉆探等綜合超前地質預報手段，對粉細砂段施工關鍵技術進行了研究、專家論證和工程實踐，提出了全斷面帷幕注漿、加強襯砌結構及支護措施、增設迂回平導開辟工作面、洞內降水、隧道均布豎向旋噴樁加固等綜合處理措施，有效縮短了施工工期，確保了現場施工及后期運營結構安全。

二、工程背景

（一）工程概況

太達村隧道位于中老鐵路國內段玉溪至磨憨段寧洱站至普洱站區間，為設計時速160km客貨共線鐵路雙線隧道，隧道進口里程為DK239+810，出口里程為DK245+625，全長5815m。隧區屬低中山地貌，洞身分布下第三系漸新至始新統（E2-3）礫巖、砂巖夾泥巖，白堊系下統曼崗組中段（K1m2）泥巖夾砂巖等。該隧道地處青藏滇緬印尼“歹”字型構造中段的東支哀牢山西側及永平-思茅槽地的東南部，構造行跡屬于經向構造體系，洞身發育普洱斷裂西支和蠻帕山斷層，地震動峰值加速度為0.15g。

（二）穿越粉細砂地層情況

根據超前地質預報、鉆孔勘探及掌子面開挖揭示情況，太達村隧道洞身DK241+504～DK241+594、DK241+694～DK241+784段180m巖性為全風化粉細砂巖（E2-3）。

（三）粉細砂段物理力學特性研究

太達村隧道全風化粉細砂巖，顆粒組成以細粒為主，顆粒較均一，泥質弱膠結，成巖差。礦物成分以石英、長石為主。天然狀態時處于密實狀，開挖擾動或遇水后成散砂、稀糊狀，局部伴有涌水、涌砂現象，工程性質迅速惡化。補勘深孔鉆探過程中該地層均出現埋鉆現象。

強風化狀砂巖經取樣浸泡后，1h～2 h出現崩解。強風化泥巖浸泡后，2.5h出現崩解。砂狀松散全風化砂巖，浸泡約0.5h崩解。

據取樣分析，以細粒為主，占71.9%～75.5%，黏粒含量平均約占10.4%。含水程度存在不均，含水率5%～20%;滲透系數5×10-5～2×10-4cm/s，孔隙率26%～31%。具體物理指標見表1。

三、施工中出現的問題

太達村隧道斜井工區小里程DK241+784處開挖揭示地層為第三系全風化粉細砂層，施工過程中多次出現坍塌、突水涌砂、軟巖大變形等情況（見圖1），施工難度極大、安全風險高。

四、粉細砂段施工控制技術

（一）全斷面帷幕注漿加固

（1）DK241+786～+756段帷幕注漿加固

DK241+784～+786段上斷面施作2m厚C25混凝土止漿墻后，對DK241+786～+756段（30m）于上斷面施作全斷面超前帷幕注漿加固（如圖2）。注漿范圍為開挖輪廓線外5m，注漿材料以水泥漿為主，水量較大部位采用水泥-水玻璃雙液漿（體積比1：1），注漿壓力根據現場試驗確定。由于巖質軟弱，成孔困難，拱部采用前進式注漿，其余部位原則上采用后退式注漿。注漿施工完畢后通過鉆孔取樣（如圖3），帷幕注漿施工效果明顯，基本滿足設計要求。

（二）加強襯砌結構及支護措施

根據施工揭示地質條件、圍巖變化情況、專家會意見及結構計算結果，為保證施工安全及運營安全，對襯砌結構及支護措施予以調整。

變更設計采用VI級K0.5加強復合式襯砌，初支采用全環I25b鋼架，間距0.5m/榀;拱部161°密排φ108大管棚，縱向間距10m/環，每根長15m，搭接5m，環向間距0.108m，每環175根，外插角3°～5°;二襯采用ANSYS進行結構檢算，施工圖設計襯砌經驗算仰拱受拉控制，受力不利，考慮調整增大仰拱矢跨比。變更設計襯砌仰拱矢跨比采用1：8.4（原設計1：12.6），檢算時二襯縱向長度取1m，隧道按承受0.5Mpa水壓力考慮，二襯采用65cm～75cm厚鋼筋混凝土滿足承載力和裂縫要求。

（三）增設迂回平導

為縮短施工工期，確保太達村隧道按期貫通，太達村隧道建設者通過先后增加進口迂回平導（807m施工完成）、斜井工區左側迂回平導（施工90m因涌砂封閉）、斜井工區右側迂回平導（施工158m因探孔涌砂封閉），實現了“長隧短打”“超前地質預報”“超前泄水”“多工作面超前預處理”等多種目標，對穿越長段落第三系弱膠結含水砂巖十分必要。

（四）洞內降水

因粉細砂巖具有十分復雜的水穩特性，穩定性隨含水率變化和時間延續具有顯著變化的特點。為提高圍巖自穩能力，太達村隧道采取了“平導輔助正洞泄水+拱墻超前泄水+徑向泄水+真空降水”的綜合降水措施，有效疏干了圍巖，提高了圍巖的自穩能力。泄水孔內安裝φ76無縫鋼管，鋼管采用絲扣連接，沿鋼管縱向間距50cm設置1環5個溢水孔，溢水孔φ20mm。溢水孔采用紗布包裹，溢水孔兩端5cm加設φ6鋼筋箍，保證紗布安裝質量和泄水效果。

（五）隧底均布豎向旋噴樁加固

太達村隧道DK241+552～DK241+594段、DK241+622～DK241+634段、DK241+680～DK241+764段洞身揭示下第三系漸新至始新統（E2-3）弱膠結砂巖，砂巖黏粒含量極低，膠結物質差，具有一定的滲透性，受開挖的擾動及地下水滲透作用，其物理力學指標降低。開挖揭示呈粉砂狀，飽水時自穩性極差。根據施工中多次出現地下水位水壓較高及現場施工擾動導致的涌突事件，顯示其具有類似震動液化特征，對施工及運營不利。為提高隧底承載力、增強地基抗液化能力及有效控制基底沉降，隧底采用均布旋噴樁加固。豎向旋噴樁樁徑φ600mm，間距按2m（縱向）×1.0m（橫向），樁長按底部高程低于仰拱底8m控制。

五、粉細砂段支護及施工控制效果評價

項目部于2019年11月13日至19日在掌子面施作8個檢查孔，其中1孔取芯驗證（如圖4），其余風鉆成孔驗證，以檢測在此地質條件帷幕注漿的加固效果。從注漿取芯形態來看，成塊成巖效果比較明顯。從溢漿現象來觀察，部分漿液從平導溢出，注漿壓力及擴散半徑滿足要求。

六、結論及建議

隧道穿越粉細砂地層時極易出現坍塌、涌砂等風險事故，對該地層采用全斷面帷幕注漿加固輔以洞內降水能有效提高洞內圍巖的自穩能力。對粉細砂地層隧道處理建議如下：

（一）施工處理前應加強地質勘察工作，盡可能探明粉細砂地層不良地質體邊界;

（二）全斷面帷幕注漿加固處理因其造價高昂，容易出現注漿盲區等，需施作試驗段對比其他處理措施，評判方案的可行性;

（三）工期緊張的情況下，增設迂回平導增加工作面，探明前方圍巖情況很有必要;

（四）洞內降水疏干圍巖可有效改善圍巖，提高圍巖的自穩能力;

（五）若隧底仍存在粉細砂地層，需詳細研究隧底加固處理方案，開挖仰拱時應注意對隧底圍巖的保護。