雪峰山隧道小間距穿越軟塑地層技術研究

余朝陽

(向莆鐵路股份有限公司，福州 350013)

1 工程概況

1.1 設計概況

向莆鐵路雪峰山隧道地處福建西北部，穿越雪峰山主峰，線路位于福建將樂縣莫源鄉和沙縣夏茂鎮境內，主要穿越將樂縣莫源鄉、南口鄉、大坪、沙溪仔村、張源村、白沙公區、雪峰山主峰和后山山峰、大排山山峰以及沙縣夏茂鎮后壟村。進口位于將樂縣城郊上苦竹村，出口位于沙縣夏茂鎮后壟村。向莆線以左線為設計基線，右線展線繞行。

雪峰山隧道為單線雙洞設計，設計行車速度為200 km/h，并預留進一步提速條件。左線隧道進口里程為DK300+850，右線隧道進口里程為 YDK300+840;左線隧道出口里程為DK318+692，右線隧道出口里程為YDK300+676。左線隧道全線17 842 m，右線隧道全長17 836 m，隧道最大埋深948 m。

隧道采取礦山法(人工鉆爆法)施工，區間為雙洞單線，進口段設置一平行導坑。進口設置明洞，明暗分界里程為DK300+896，暗洞小間距段位于進口段，左線起始里程為DK300+896(右線為 YDK300+886)，左線終止里程為 DK302+082(右線為 YDK302+072)。平導與左線中線間距為25.00 m，凈距為16.40 m。左右線中線間距為12.94～40.00 m，凈距為2.94～30.00 m。詳見圖1。

圖1 雪峰山隧道左右線暗洞小間距平面示意(單位:m)

1.2 工程地質

雪峰山隧道位于武夷山山脈的中段西南側。地勢以雪峰山為分水嶺，中間高兩頭低，均為中低山丘陵貌，區內山高陡峻，溝谷縱橫深切，植被發育，喬木、灌木、雜草、荊棘叢生，構成原始次生林。區內最高的山峰為雪峰山，海拔1 275.5 m，隧道通過的最高峰為1 195.48 m，自然山坡坡度一般為15°～35°。

區內水系發育，屬東溪支流。本區水系發育，以雪峰山為分水嶺，西北部為富屯溪支流，東南部屬東溪支流。遍布全區，形成樹枝狀、網絡狀密集水系，由于植被發育，山地基巖被松散土體覆蓋，主要為一些殘坡積物覆蓋，地表水相對較少。河流走向多為 NE～SW。隧道與溝谷夾角一般為10°～60°。

雪峰山地質復雜，隧道穿越40條斷層，進口段更是具有不良地質與特殊巖土地質特征。經揭露，進口段特別是小間距段地質尤為復雜，表層為(Qel+dl)粉質黏土，硬塑，厚度3～6 m;以下為(Z1dn1)石英片巖夾變粒巖，變粒結構，條帶狀構造，全風化，砂黏土狀，黏土飽和含水，可塑性強，遇水成泥，厚度＞20 m，為隧道穿越地層。開挖工作區域未揭露出圖紙所示的其以下部分，即強風化 ～弱風化層。完整基巖彈性波速為2 101～2 454 m/s。F1斷層與隧道中線斜交，巖石破碎，洞身穩定性差，易坍塌，彈性波速為1 573 m/s。

施工過程中變形累積大，鋼支撐破壞扭曲嚴重，根據監控量測數據顯示，累積變形達到60 cm以上，變形持續時間長，衰減現象不明顯，且遇降水期間變形迅速增加。因此，鐵道部工管中心多次派專家到現場進行方案會審，專題研究軟流塑淤泥質粉質黏土地層的暗挖隧道施工技術，以安全保障為先決條件，實現月平均成洞15 m的目標。

2 軟塑地層礦山法隧道施工難點

軟塑粉砂質黏土具高壓縮性、高靈敏度、低強度、易變形等特性，易產生軟塑變形現象。這種特性給隧道施工帶來諸多困難。

1)開挖后自穩能力極差，易坍塌，地下水作用下，大范圍成泥，施工無法進行。

2)施工過程中，變形持續時間長，變形累積大，支護變形較大，拱頂下沉及凈空收斂值異常增大，給支護造成破壞變形。

3)土體飽和含水，水系聯系復雜，圍巖軟塑，內摩擦系數小，圍巖幾乎無抗拔約束能力。土體飽和含水，普通注漿吸漿量小，固結范圍小，超前支護及系統錨桿無法發揮有效作用。

4)圍巖本身無強度，支承力差，圍巖 -支護結構不平衡，土體變形大，主動土壓力大。拱架支承基礎軟弱，加之各單元節點位置鎖腳支護不能發揮作用，拱架支護呈現為活鉸結反應，無法充分發揮其作用。

綜上所述，若堅持在該地層中用礦山法施工，必須增強圍巖穩定管理性，增強圍巖的抗剪強度以增加圍巖對錨固約束的黏結力，在提高圍巖穩定和支護安全的條件下方可進行施工。

3 結構設計方案

3.1 施工圖設計方案

原設計方案進口段設置107 m明洞，暗洞進洞后為288 m連續Ⅴ級圍巖，短臺階法開挖(加橫撐)，采取Ⅴc支護形式。其后為 405 mⅣ、Ⅴ級交差圍巖，(短)臺階法開挖，采取Ⅳc、Ⅴc支護形式(見圖2)。以后以Ⅲ級圍巖為主(全斷面法開挖)，認為不良地質段已全部通過。

圖2 小間距段襯砌結構示意(單位:cm)

設計建議工法:在進口段DK300+886—DK302+082段，左、右兩條單線及平導相鄰較近，為小凈距隧道，中間巖柱厚度小，施工時應堅持“弱爆破、短進尺、少擾動、快加固、早封閉、勤量測”的原則。采用短臺階法 +橫撐施工，中間土柱嚴格按照要求進行 φ42 mm小導管注漿加固，施工時應先后進行施工，后行隧道(本設計考慮為右線)應在先行隧道(本設計考慮為左線)的模筑襯砌達到設計強度后進行，且后行隧道開挖面應滯后先行隧道模筑襯砌不小于50 m。

3.2 施工過程中優化方案

實際揭露后，地質條件與設計地質描述相近，但全風化層長度和厚度遠遠超過設計預估范圍，且土體飽和含水特性超出設計預估，原設計預測為砂土狀，但實際呈軟塑狀飽和黏土，長度范圍設計預測為288 m，實際超出了288 m加上405 m，工程特性不利于工程進展。

暗洞進洞時采用大管棚進洞，按照建議工法短臺階法施工，右洞先行，仰拱及時跟進，當右洞開挖至90～100 m時，左洞開挖至30 m左右時，埋深大約25～35 m，右洞發生變形，前方拱架扭曲，侵入限界明顯，襯砌也無法跟進。

經四方勘察后，收集了大量的變形數據，并據此建立模型試驗后，確定該段隧道按施工過程中的信息反饋進行動態設計。施工圖預設計確定結構為復合式襯砌，增加預留沉降量至25 cm，調整初期支護參數，對拱架進行加密，拱架所用型鋼加大，二次襯砌為模筑雙層鋼筋混凝土襯砌。但是，變形依然持續，被動支護結構，不足以抵抗軟塑土體圍巖的主動土壓力荷載，洞室在開挖半月之后，拱架開始變形，預留限界依然侵入，已開挖初期支護需要換拱。

4 高壓劈裂注漿

本著根據設計院既有方案，盡量少作變更原則，采取對土體進行改良和加固的方法，力圖從工期、造價、社會效益乃至施工可行性等方面的綜合分析后，決定在雪峰山隧道軟塑地層段采用第一種方案——高壓劈裂注漿加固法。超短臺階開挖法開挖，仰拱跟進臺階尾。施工方案示意見圖3和圖4。

軟塑淤泥質粉質黏土地層中注漿參數確定比較困難，因為土體本身吸漿率較低，其注漿參數需根據實際試驗數據取得。更由于施工過程中，同一參數的適應性有著明顯的區別，不能直接拿來應用。向莆公司組織參建各方從現場收集數據開始，研究確定注漿加固的原理、可行性、加固范圍與擴散半徑、注漿壓力、注漿

圖3 大管棚與小導管注漿加固示意

圖4 掌子面加固注漿孔布置及加固范圍示意

量、漿體材料配合比、注漿效果等。

4.1 注漿加固的原理

專家組多次下工地現場取樣查看，對于雪峰山這種地層，認為采用中低壓力將漿液壓注到地層中的裂隙、裂縫、空隙里凝固后將巖土和顆粒膠結為整體的滲透注漿方法不能達到預期效果。針對雪峰山地層顆粒更細，屬于滲透性差的泥質地層，吸漿率低，經過在該地層多處試驗確定采用高壓劈裂注漿。其原理是采用高壓漿液對黏土地層進行劈裂破壞，形成不規則的網狀結構，在注漿孔周圍脈狀延伸，定向將巖體中的水分擠出，增加吸漿量，對土體形成加固和“加筋”的作用。

4.2 注漿壓力的確定

根據地層條件、施工條件、涌水壓力、理論計算和現場試驗，確定注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa。

初始壓力確定為1.0 MPa，如果注漿順利且無支護變形或仰拱隆起現象時，則可適當調高注漿壓力。否則，應降低注漿壓力。當注漿量達到設計注漿量的80%以上時，應逐步降低壓力。終壓應控制在1.0 MPa。

注漿壓力理論計算公式為

式中，pu為劈裂注漿的極限壓力(MPa);γ為土的重度(kN/m3);l為注漿孔的深度(m);c為土體黏聚力(kPa);φ為土的內摩擦角(°)。

計算得到大管棚注漿壓力pu=1.0～1.5 MPa。

掌子面中長孔注漿壓力pu=0.5～1.5 MPa，若進行二次注漿，則第一次注漿壓力 pu=0.6～0.8 MPa，第二次注漿壓力 pu=1.0～1.5 MPa。小導管注漿壓力 pu=0.6～1.0 MPa。

4.3 注漿加固范圍和擴散半徑

漿液擴散半徑R理論計算公式為

式中，L0為小導管之間的中心距離(m):R為擴散半徑(m)。

經計算得擴散半徑R=0.42～0.49 m，結合經驗法確定隧道洞周單根注漿管擴散半徑為0.5 m，加固范圍為開挖輪廓線外3 m范圍內土體，設計小導管長度為5 m，傾角35°，搭接長度1.2 m。掌子面注漿加固范圍為12 m，可保護條件下允許開挖8 m，留4 m作為止漿巖盤。

4.4 注漿量

單管注漿量計算公式

式中，Q為單孔注漿量(m3);L為注漿段長(m);R為漿液擴散半徑(m);v為注漿段土層孔隙率;η為漿液損失率，取1.25。

4.5 漿體材料與配比

根據注漿工程的需要，水泥—水玻璃漿液的作用可以分為加固和堵水兩方面，兩者對凝膠時間、抗壓強度有不同的要求。該工程注漿的主要目的是加固地層。

大管棚采用 P.O32.5級超細水泥—非堿性水玻璃雙液漿(亦稱CS漿液)，水玻璃濃度為25～40 B'e(一般為30 B'e)，細度模數 2.4～3.4。漿液水灰比0.631～0.831，水泥漿液與水玻璃的比例為1∶1。雙液漿的凝結時間，現場試配確定。

小導管及中長PVC管由于在大管棚預期效果作用下，選用水泥凈漿注漿，凝膠時間為 40～60 min，P.O42.5水泥凈漿。

諸多實驗表明，HC-T凝膠時間可調超細單液漿注漿效果明顯好于水泥—水玻璃雙液漿，但考慮工程造價和工期循環因素，雪峰山隧道在施工中依然大部分地段還是采用了雙液漿。

4.6 注漿管施工

軟塑土體中成孔困難，且在成孔過程中會造成土體的較大變形。根據軟塑土體的力學特性，采用跟管法施工大管棚。小導管則直接頂入施工，小導管在頂入過程中擠壓周圍土體，排出部分水分，起到加固土體的目的，同時對土體的擾動較小。

4.7 注漿效果

經過對掌子面施工情況進行詳實記錄，施工期間，被加固土體變形受到明顯抑制，橫向支撐作用力也明顯減小，施工進度明顯提高。總之，劈裂注漿達到了預期效果，對土體起到了有效加固作用。

掌子面開挖過程中劈裂注漿形成的吸漿脈密布并且連續度較高，對土體中水分擠出作用明顯。通過對取出巖樣測試，其強度可達6～10 MPa，甚至更高。

5 施工效果

軟塑地段至2010年5月基本安全施工完畢，保證了向莆線的總體工期。

1)注漿完成后，支護變形得到有效控制，現場施工有序進行，實現了月平均成洞15 m的穩定進度，化解了進口段工期控制的矛盾。

2)現場監控量測拱頂下沉值不超過50 mm，凈空收斂控制在100 mm以內，表明該施工工法有效地控制了隧道變形。

3)掌子面開挖過程中對漿脈網的觀察表明，漿脈呈縱向和水平分布，與理論分析吻合，對加固土體取樣測試，物理力學指標均達到了加固要求。

向莆鐵路雪峰山隧道進口 DK300+886—DK302+082范圍內小間距隧道采用超短臺階開挖法，輔以大管棚加小導管超前預注漿加掌子面注漿加固、改良地層，成功通過了軟塑粉質黏土地層小間距段。雖然進度較慢，但未發生惡性事故，可以為其它地下工程在類似地層的施工中提供一些寶貴經驗。

［1］中國巖石力學與工程學會巖石錨固與注漿技術專業委員會.錨固與注漿技術手冊［M］.北京:中國電力出版社，1999.

［2］鄺建政.巖土注漿理論與工程實踐［M］.北京:科學出版社，2001.

［3］夏明耀.地下工程設計施工手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1999.

［4］梁炯鋆.中國錨固與注漿工程實錄選［M］.北京:科學出版社，1995.

［5］陶龍光，巴肇輪.城市地下工程［M］.北京:科學出版社，1999.

［6］李志業，曾艷華.地下結構設計原理與方法［M］成都:西南交通大學出版社，2005.

［7］雷春潔.超前支護在淺埋及軟弱圍巖隧道施工中的應用［J］.鐵道建筑，2009(6):37-39.