高含水量火山堆積層隧道開挖失穩特性與處治

詹德勝，董康強，靳自強，戴華明

（1.四川西南交大鐵路發展股份有限公司，四川成都 610091；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；3.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000）

1 引言

某國外高鐵，最高設計速度達350 km/h，其中某號隧道是其重要組成部分。然而，隧道穿越的地層為火山堆積層，含水量高且地質條件不良，施工難度大，對技術要求高。在該地質條件下進行隧道建設，開挖時地層勢必會因受到擾動而強度降低，從而導致隧道易發生失穩破壞。

高含水量火山堆積層不同于一般巖體，其含水率高，巖性復雜，這主要與其成因機制密切相關[1-4]。鑒于此，相關學者對火山堆積層的物理力學性質進行了深入的研究，Srivastava 等[5]對印尼中部的Purna 盆地地層進行了研究，闡述了火山堆積層的性質產狀和巖層構造。劉之的等[6]基于巖石力學參數與有效應力的關系，提出了利用巖石泊松比來計算巖石的有效應力的方法，從而預測火山堆積層的孔隙水壓力大小。苗天雨等[7]通過現場直剪試驗以及室內試驗得到了火山堆積層的物理力學性質，并利用數值模擬軟件對隧道超前支護措施進行了研究。馬百財[8]采用收集資料、現場調查、鉆探、原位測試、室內試驗等綜合勘探方法研究了西爪哇島火山堆積層工程地質特性及主要工程地質問題。為了給工程設計提供合理的巖土參數及切實可行的工程措施和建議，之前少部分學者對火山堆積層的工程地質特性進行了相關研究。楊奕曜等[9]通過X 衍射、電子探針、掃描電鏡、激光拉曼等方法對新西蘭北島Taupo 火山帶Waiotapu 地熱區火山噴口堆積物巖礦特征及特殊結構進行了研究，結果表明，火山口堆積物可分為球粒流紋巖、流紋質晶屑熔結凝灰巖和硫磺土3 類。

許多學者針對高含水量火山堆積層隧道建設方案進行了研究，胡啟升等[10]提出了火山堆積層隧道修建的施工方案，并對地表下沉、拱頂下沉、水平收斂進行了監控量測。韓華軒等[11-12]基于印尼雅萬高鐵1 號隧道穿越互通橋臺樁底、收費站樁底、寺廟等困難問題，對穿越清障方案、繞避方案、隔離加固方案進行了可行性論證。針對火山灰軟土隧道預加固，提出了旋噴樁預加固處理手段。龔翼等[13]對火山堆積層隧道修建過程中的淺埋偏壓地段，提出了“早進晚出，零仰坡”的原則組織施工，提倡“零開挖”安全進洞，利用洞口大管棚超前支護技術有效解決了施工難題。

雖然相關學者對高含水量火山堆積層成因、物理力學性質、工程地質特性以及隧道建設方案進行了一些研究，但對于隧道失穩破壞特征以及相應的控制措施研究甚少。因此，研究如何控制隧道開挖大變形病害，并采取相應的控制措施以確保施工安全，具有非常重要的意義。本文基于某國外鐵路某號隧道修建過程中產生的失穩破壞問題，分析其破壞特征類型，提出了相應的控制措施，為類似工程研究提供了借鑒經驗。

2 工程概況

2.1 工程背景

某國外鐵路某號隧道位于普望加達西南側，地勢起伏較大，隧道附近有村落，地表多為農田和樹林。隧道全長1 052 m，設計速度目標值為350 km/h，為單洞雙線隧道，最大埋深約53.6 m，最小埋深僅4.0 m，且右側偏壓。隧道進口至DK74+200 范圍內縱坡為17‰上坡，DK74+200 至DK75+062 范圍內縱坡為30‰上坡，洞門、明洞段采用明挖法施工，其余區段采用三臺階臨時仰拱法施工。

2.2 地質條件及水文發育特征

隧道均為V 級圍巖，隧道穿越的不良地質包括火山堆積層、膨脹土、膨脹巖，火山堆積層地層含水量高，孔隙比大，土石交界處容易產生塌方；膨脹土具有弱膨脹性，自由膨脹率為40%～54%；膨脹巖具有中等膨脹性，自由膨脹率為68%～80%。

隧道洞身從DK74+216 處起存在基巖裂隙水，滲水量較小，呈滴狀，到DK74+224 段開挖面呈股狀流水，局部滲漏點涌水量達到33.2 m3/天。隧址區范圍雨季部分沖溝內有季節性流水，地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，鉆探揭露埋深2.35～5.25 m，火山成因黏性土孔隙比大、含水率高，隧道洞身存在孔隙水及基巖裂隙水。

2.3 氣候特征

隧址沿線屬熱帶雨林氣候，終年炎熱而潮濕，按降雨量大小分為旱季、雨季。11 月至次年3 月為雨季西北季風期，多雨多云，4～10 月為旱季東南季風期，晴天多而雨量少，年平均降雨量為2 400 mm，對隧道施工影響較大。

3 高含水量火山堆積層隧道變形失穩特征與控制措施

3.1 隧道地表沉降開裂特征分析與控制措施

在強降雨的影響下，隧道掌子面施工至DK74+187處時，隧道地表發生開裂，拱頂最大沉降41.1 mm，距離隧道中線右側17～30 m 范圍內幾處磚房出現較大開裂，地表出現5～15 cm 寬的貫通裂縫。在隧道DK74+196～DK74+202 處正洞拱頂上方出現沉降塌坑，經測量塌坑直徑約8 m，深度約5 m，塌方量約130 m3。如圖1、圖2 所示。

圖1 隧道地表開裂

圖2 隧道地表沉降塌坑

采取的控制措施為疏散居民，封閉地表裂縫，完善截排水措施，錨網噴封閉掌子面，初支施工時采用斜撐、豎撐進行臨時支頂，并在初支底部增加套拱加固。在DK74+190～DK74+225 段進行地表注漿加固措施，恢復DK74+189～DK74+205 段換拱施工后及時進行換拱封閉成環，換拱作業采用雙側壁導坑法。通過以上控制措施有效控制了隧道施工地表的開裂與沉降，經過注漿處理后，恢復了換拱作業，未出現異常情況。

3.2 隧道初支沉降開裂特征分析與控制措施

隧道施工在DK74+800 附近拱部滲水嚴重，軟化了泥巖，造成該段沉降較大單日最大沉降值為124.4 mm。同時換拱施工過程中DK74+189～DK74+193.2 段初支發現肉眼可見的裂縫，開裂過程伴隨著掉塊，經過測量初支沉降約為40 cm，如圖3 所示。

圖3 隧道初支開裂

采取的控制措施為對隧道上臺階、中臺階施作臨時仰拱，臺階開挖過程中增加臨時中支撐，拱腳部位增加斜撐，同時拱腳施作大拱腳。對隧道滲水較大的部位增加了徑向注漿堵水。在DK74+189 處進行超前注漿加固，在DK74+189.6 處打設超前中管棚注漿加固，恢復換拱施工后及時進行換拱封閉成環，如圖4 所示。以上控制措施有效抑制了初支的進一步沉降開裂，但在恢復掌子面施工后，該段沉降繼續發展。

圖4 隧道初支臨時支護措施

3.3 隧道進口突泥特征分析與控制措施

3.3.1 隧道進口突泥特征分析

在隧道進口初噴過程中拱頂右側部位出現掉塊，噴射混凝土無法封住掉塊部位，掉塊量不斷增大，并在掌子面第一次出現突泥，突泥持續時間為3 min，方量約 60 m3。掌子面回填即將完成時，出現第二次突泥，突泥持續時間為8 min，方量約800 m3，受地下水的軟化作用影響，突泥大部分為流塑狀淤泥土，如圖5、圖 6 所示。

圖5 隧道進口突泥

圖6 隧道進口掌子面情況

根據地質鉆孔情況判斷，地層埋深10～23 m 范圍內存在飽和水砂層，該段砂層含黏土呈流塑狀態，極易通過地層裂隙下滲，泥巖在地下水的作用下軟化，造成洞內溜渣，洞內溜渣形成上下通道，地表砂層順著通道溜出，形成掌子面突泥，洞內流出的淤泥與地表砂層類似。

隧道從丘陵低洼處通過，地勢左低右高，地表水匯集后從隧頂通過，同時地表覆黏土滲透性強，對隧道洞身地下水進行補給，加劇了圍巖的軟化，降低了圍巖承載力和穩定性。

3.3.2 隧道進口突泥控制措施

（1）洞內處理。對隧道進口段清除突泥，并回填摻水泥的拌合土，水泥摻量為5%～8%。通過水泥拌合土反壓回填，形成一條掌子面通道，回填寬度約隧道寬度的2/3，左側回填至掌子面時調轉方向，向洞口方向置換水泥土，置換泥漿平面示意圖如圖7 所示。為了使控制效果更佳，在置換的水泥土頂面施做止漿墻。

圖7 置換泥漿平面示意圖

（2）地表處理。對隧道進口段松散地層進行注漿加固以及打設降水井。降水井打入隧底以下5 m，注漿加固范圍為隧道最大跨開挖輪廓線外 5 m至隧道拱頂以上20 m。注漿參數設計為灌漿孔平面按間距2 m×2 m 梅花型布置，如圖8 所示。灌漿漿液水灰比為1 ∶ 1、0.5 ∶ 1 逐級變換，當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或當注入率保持不變而灌漿壓力持續升高時，不改變水灰比；當某一比級漿液注入量已達300 L 以上，或灌注時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無顯著改變時，換更濃一級水灰比漿液灌注。灌漿采用自下而上分段阻塞方式進行，通過注漿加固和打設降水井措施，隧道進口突泥情況得到了有效地控制。

圖8 地表注漿孔平面布置圖（單位：mm）

4 結論

本文針對某國外鐵路某號隧道工程開挖大變形特征，采取了相應的控制措施來克服地層大變形導致的失穩問題，得出以下結論。

（1）隧道地表在強降雨的影響下，易發生沉降塌坑和開裂破壞現象，貫通裂縫寬5～15 cm，塌坑直徑約8 m，針對性地采用封閉地表裂縫、完善截排水措施，換拱封閉成環等措施。

（2）隧道拱部滲水嚴重，導致泥巖軟化，初支產生裂縫，且伴有掉塊現象，初支沉降約為40 cm，針對性地采用施作臨時仰拱、在拱腳部位增加斜撐、進行超前注漿加固和管棚注漿加固等措施。

（3）隧道進口段砂層含黏土呈流塑狀態，極易通過地層裂隙下滲，泥巖在地下水的作用下軟化，降低了圍巖承載力和穩定性。針對性地采用洞內置換泥漿以及地表注漿加固等措施可有效控制隧道突泥。