紅黏土地層淺埋隧道沉降變形控制技術研究

摘要：柳梧鐵路紫荊瑤山隧道進口段穿越紅黏土地層工程因施工期間受較大降雨影響，地表水下滲造成圍巖軟化，施工過程中出現了初期支護侵限、地表下沉開裂等問題。文章提出通過地表注漿、洞內徑向注漿加固圍巖，同時加強超前支護及鎖腳等措施，有效控制并解決了紅黏土地層淺埋隧道開挖后出現的結構侵限及地表開裂等沉降變形問題。

關鍵詞：紅黏土；淺埋隧道；沉降變形控制

中圖分類號：U456.3+3 A 26 085 4

0 引言

我國紅黏土主要分布在西南、中南和華東地區，以貴州、云南和廣西最為典型和廣泛。在上述區域隧道工程建設過程中常遇到紅黏土地層，如云南宣曲高速海德隧道、銀西高鐵慶陽隧道等。在紅黏土淺埋隧道施工開挖中，因紅黏土具有高塑性、高含水性和低密度等特性，當雨季降水量大，地表匯水無法順利排走快速下滲時，隧道圍巖紅黏土含水量增大、土質變軟。同時，紅黏土還具有易失水收縮性，失水紅黏土一旦再遇水浸潤便濕化崩解，土體含水率的變化會直接影響隧道的穩定性，引起地表沉陷等［1-2］，還會由于土體力學性能發生顯著變化導致自穩性變差，對原設計隧道初期支護影響較大，往往伴隨拱頂出現較大程度的沉降變形［3-6］。因此，分析紅黏土地層淺埋隧道開挖沉降較大的原因及提出沉降控制方案，對于指導類似地質條件下隧道施工沉降變形控制具有重要的借鑒意義。

1 項目概況

柳梧鐵路為時速 160 km的客貨共線鐵路（滿足雙層集裝箱運輸條件），其最長隧道紫荊瑤山隧道全長 8 888 m，位于廣西來賓市武宣縣東鄉鎮至貴港市桂平市紫荊鎮，最大埋深約 682 m，為單洞雙線隧道。

1.1 工程地質概況

紫荊瑤山隧道地處中低山丘陵區，進口段埋深較淺（4～ 12 m），表層為全新統殘坡積（Qel+dl）粉質黏土，厚度為1～ 3 m，呈硬塑狀，黃褐色、紅棕色，局部夾少量全風化砂巖碎屑，巖土施工工程分級為Ⅱ級；下部為紅黏土，呈軟塑～硬塑狀，紅褐色、棕紅色，為白云巖及泥灰巖殘余堆積物，局部夾少量巖塊，厚度約為11.5～ 15.7 m，巖土施工工程分級為Ⅱ級。進口段圍巖總體受風化作用、裂隙和埋深等因素影響，圍巖穩定性差，易產生拱頂坍塌變形，成洞條件差。如圖1所示。

1.2 原設計概況

隧道進口段原設計采用Ⅴ級圍巖加強型復合式襯砌，初期支護采用厚 27 cm C25噴射混凝土，全環設置I20a型鋼鋼架、間距為 0.6 m/榀；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土（拱墻厚 50 cm、仰拱厚 55 cm）；DK95+776～DK95+846段采用 φ108 mm大管棚進行超前支護，DK95+846～DK95+876段采用 φ89 mm中管棚+小導管進行超前支護。該段地層基底承載力不滿足設計要求，采用鋼管樁注漿加固處理。該段采用三臺階臨時仰拱法施工。如圖2所示。

2 施工過程

隧道進口淺埋段按設計采用三臺階施工暗洞至上臺階掌子面距離洞口約 70 m處，監控量測發現隧道拱頂初支局部有橫向裂縫，并有圍巖裂隙水滲出。對沉降觀測數據進行分析發現，拱頂位置有不均勻沉降，且局部沉降量較大，累計最大沉降量達 515.6 mm。同時地表也存在不同程度的沉降，且地表局部出現較大縱向裂縫（見 圖3）。

在連續觀測中發現，單日沉降量及累計沉降量過大，超預警范圍，立即停止掌子面掘進施工，撤出人員、機械，對沉降超預警范圍立即采取現場增加補強措施，中臺階位置增設 φ108 mm鎖腳錨桿（長度為 6 m，每榀鋼架布置兩根）。施作后沉降速率有所緩解，但沉降較正常值變化依然很大，DK95+811～+816段落累計沉降量首先達到 16.8 cm，接著發現DK95+776～DK95+846段上臺階初期支護已不同程度侵限，其中DK95+799～DK95+805段拱部初支侵限7.5～15cm，DK95+813～DK95+844.5段拱部初支侵限10～ 31 cm。如圖4所示。

3 原因分析

3.1 主要原因

主要原因為紅黏土地層受地表水下滲影響力學參數發生劣化，隧道進口段淺埋段施工期間遭遇幾場持續時間較長的較大降雨，拱頂附近地表較平緩，局部存在坑洼現象，地表降水不能有效快速排出而迅速下滲，造成紅黏土含水率高，圍巖軟弱。經進行取土試驗，結果顯示，該段紅黏土地層受地表水下滲影響，雖不具有膨脹性，但具有膨脹性的潛勢，開挖后造成隧道圍巖紅黏土失水收縮，裂隙進一步發展，再遇降雨使地表水下滲更趨嚴重，土體含水率再次增大，濕化崩解、強度驟降，力學指標變化幅度大。紅黏土圍巖條件劣化導致開挖后圍巖自穩能力及成拱條件變差，且松散土壓力增大，進而導致初支發生變形侵限。勘察及施工階段紅黏土參數對比如表1所示。

3.2 其他原因

進口段開挖處理較大孤石時爆破裝藥量過大，較大的爆破振動沖擊波對圍巖產生擾動，加大了地表水下滲量，進而加劇了圍巖紅黏土劣化和變形侵限程度。

4 處理措施

通過原因分析，結合現場條件，研究制定了綜合處理措施。

4.1 地層加固措施

4.1.1 地表注漿

對未開挖淺埋紅黏土段落（DK95+846～DK95+876）進行地表注漿固結地層，以隧道開挖輪廓外 5 m為界，采用 φ50 mmPVC袖閥管注漿。袖閥管自隧道拱部以上 5 m加固至隧道結構底或土巖分界面，采用 1.5 m× 1.5 m梅花形布置，注漿漿液采用水泥漿，漿液配合比宜采用1∶1的純漿液，壓力控制為0.8～ 1.3 MPa，并持壓 10 min。如圖5所示。

4.1.2 洞內徑向注漿

已開挖段落（DK95+776～DK95+846）拱墻采取徑向注漿加固。注漿管采用 φ50 mm、壁厚 3.5 mm的熱軋無縫鋼管，小導管長 5 m，間距為 1 m× 1 m，梅花形布置，注漿材料選用水泥漿，注漿壓力0.5～ 2 MPa。如圖6所示。

4.2 加強超前支護及鎖腳

DK95+846～DK95+876段由原設計的 φ89 mm管棚+ φ42 mm超前小導管，調整采用 φ108 mm管棚+ φ42 mm超前小導管加強超前支護。 φ108 mm管棚為 10 m一節，環向間距為 40 cm，搭接長度為 3 m，超前小導管長度為 3 m，外插角為60°，間距為 0.4 m× 1.2 m（環×縱）。 φ108 mm管棚和 φ42 mm小導管均注水泥漿，并采用 φ89 mm鎖腳錨管（長 4 m）鎖腳，控制地表沉降。如圖7所示。

4.3 對侵限段落的處理

DK95+799～DK95+805段及DK95+813～DK95+846段進行換拱并加強鎖腳。拱架采用I20a工字鋼，0.6m/榀，每鋼架接頭處均設置2根 φ89 mm管棚（長 4 m）鎖腳，管棚與鋼架間采用U型筋雙面焊接牢固，焊接長度 ≥10 cm，管棚注漿密實。超前支護采用 φ42 mm小導管，長 4.5 m，間距為 0.4 m× 1.2 m（環×縱），注漿材料為水泥漿，水灰比1∶1。拆換拱過程中，每次開挖拆換一榀鋼架，確保施工安全。

4.4 地表加強排水處理

將隧道洞口DK95+800～DK95+820段右側地表洞頂土坑內的水疏干，采用不透水的土體回填，并分層夯實，壓實系數≥0.8，回填面距線路左線 ≤25 m部分的坡率≥2％，距離線路左線 ＞25 m部分的坡率≥1%。回填面應平順，將地表水引排至遠離隧道處。隧道洞口其余地表坑洼、鉆孔等處采用不透水土體回填，并分層夯實，回填面應平順，坡率≥1％，將地表水排至遠離隧道處。同時用防水薄膜覆蓋地表，防止地表水繼續下滲。

5 處理效果

5.1 地表注漿效果

通過地表防水處理，有效阻斷了地表水的下滲通道，減少了紅黏土地層因吸水飽和致物理力學參數發生劣化的外部條件。通過對未開挖段進行地表注漿，現場抽樣鉆探檢驗注漿質量顯示，漿液填充系數達到80%以上，芯樣完整性較好，密實情況及強度均有較大提升，極大地改善了圍巖條件。

5.2 侵限段變形控制情況

通過對侵限段采取洞內徑向注漿、換拱處理，以及加強鎖腳、增設鋼架間連接等措施后，隧道拱頂沉降得到有效控制，沉降速率明顯下降，最終穩定在 138.4 mm。

5.3 未開挖段變形控制情況

對于未開挖段，通過洞外地表注漿、洞內加強超前支護及鎖腳等措施處理后，隧道開挖后變形收斂穩定值均滿足設計要求。

針對紫荊瑤山隧道進口穿越紅黏土地層淺埋地段，通過采用上述綜合處理措施后，有效控制了沉降變形的進一步發展，現隧道二次襯砌已通過該地段，經過一個雨季觀測，未再發現地表變形開裂情況，隧道圍巖與初支及二襯已趨于穩定。如圖8所示。

6 結語

（1）紅黏土具有高塑性、高含水性和低密度特性，遇水后含水量增大，失水后易收縮，土質變軟，土體自穩性變差，淺埋隧道雨季施工地表排水不暢極易造成變形過大、初支侵限，地表開裂等問題。

（2）針對紅黏土地層遇水、失水后自穩性變差的特性，當地層無自穩能力時，可采取地表或洞內注漿措施改善圍巖，提高自承拱能力；同時做好地表的防排水工作，防止地表積水下滲后劣化圍巖。此外，還應注意隧道強超前支護，制定科學開挖工序工藝，初期支護盡早封閉成環，嚴格控制隧道沉降變形。

（3）在施工過程中還應加強監控量測，根據監控量測結果，及時調整工程措施，做到信息化動態施工，確保安全、快速通過紅黏土地層。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-20