淺埋火山灰隧道大變形段施工技術

裴樹林

摘要： 海西環島高鐵顏春嶺隧道富水淺埋，隧道全為V級圍巖。隧道洞身穿越古火山口膨脹土火山灰擠壓變形嚴重，圍巖遇水軟化成泥狀，本文就膨脹火山灰富水變形段施工技術作以闡述供類似工程參考。

Abstract： The water-rich shallow of Yanchunling tunnel of the rotary island high-speed rail in Haixi is V grade surrounding rock. The tunnel body passes through the ancient crater of expansive soil， and the deformation of the volcanic ash is serious. This paper expounds the construction technology of the expansive water-rich deformation section of the volcanic ash.

關鍵詞： 淺埋；火山灰；大變形；施工

Key words： shallow；cinerite；large deformation；construction

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0169-03

0 引言

火山灰是一種膨脹巖，目前國內隧道施工領域遭遇火山灰地質變形處治還沒有成熟的技術措施。顏春嶺隧道穿越的火山灰地質遇水軟化導致初支變形非常厲害，過程中多次發生塌方及換拱險情，施工十分艱難。本文通過顏春嶺隧道施工案例，對火山灰大變形地段采用雙層工字鋼支護，鎖腳錨管注漿加固，仰拱基底鋼管樁加固技術，弧形模板整體施工仰拱等技術的運用，成功地渡過了大變形地段。對今后類似地質工程的隧道有很好的借鑒作用。

1 工程概況

顏春嶺隧道位于海南省省?？谑欣铣擎?，進口分界里程為D2K14+640，出口分界里程為D2K17+500，隧道全長2860m，其中明洞長420m，暗洞全長2440m圍巖設計全部為V級，合同工期2013年10月至2015年2月，工期緊任務重安全風險大，為海南環島高鐵西段唯一的一座II級高風險隧道。隧道大部分埋深在20m之內，最大埋深35m，屬于超淺埋隧道，上覆膨脹土火山灰及全風化層（W4）玄武巖具有弱膨脹性，差異風化明顯，柱狀節理發育。顏春嶺隧道地質情況極其復雜，地下水位高，尤其是隧道里程D2K14+400～D2K15+790和2號斜井段里程D2K15+860～D2K16+780段，該段全強風化層厚，膨脹土夾破碎火山巖，巖體極為破碎完整性差，遇水即成泥狀，施工中膨脹變形和擠壓變形發生明顯。

2 工程地質概述

顏春嶺隧道上覆地層為第四系全新統坡殘積層（Q4d1+e1）膨脹土；巖芯呈土柱狀，土質不均，自由膨脹率Fs=29～58%，具有弱膨脹性。D2K15+715～D2K15+860段線路左側420m及D2K16+900右側約1000m分別有一古火山口，為晚更新世火山噴發遺留。D2K15+715～D2K15+860段左側火山口近似圓形，直徑200-230m，坑口標高約82m，坑底標高約73m；D2K16+900右側火山口呈橢圓形，長徑125m，短軸約90m，坑口標高約88，坑底標高約81m，火山口對工程無大的影響，但熔巖通道內有火山灰充填易發生突泥坍塌，尤其在拱頂及邊墻時影響更大甚至冒頂。

隧區內特殊巖土主要為隧道內拱頂及仰拱部位廣泛分布的火山灰膨脹土。膨脹土多為玄武巖風化殘積而成呈棕紅色、黃褐色、灰褐色，硬塑～半干硬狀。主要由粉、黏粒組成，含少量植物根系級粉細砂，多為玄武巖風化而成。土質不均，自由膨脹率Fs=29～58%，具有弱膨脹性。普遍分布于隧道地表并且在隧道洞身內也多次出現，一般厚7～11m，對工程影響較大。如圖1所示。

3 大變形地段施工情況綜述

顏春嶺隧道洞身圍巖全為V級，隧道穿過的地段絕大多數巖體成碎裂狀，隱含裂隙發育，局部呈網狀，造成巖體整體完整程度極差，同時為富水涌水產生了良好的通道，另外隧道地表平緩，海南島降水豐沛，臺風暴雨強度大雨量集中，玄武巖柱狀節理貫通性好，施工時也極易發生突水突泥現象。從水文地質特征分析，顏春嶺隧道具有大變形的條件。另外火山灰就是一種典型的膨脹巖，膨脹巖實際上是土塊與各種裂隙和結構面相互組合形成的膨脹土體。由于膨脹土體在天然原始狀態下具有高強度特性，隧道開挖后洞壁土體失去邊界支撐而產生脹縮，同時因風干脫水使原生隱裂隙脹弛，使圍巖強度急劇率減，同時，裂隙也為水的入侵形成了通道，使圍巖強度大大降低。因此，隧道雜在開挖過程中，有初期圍巖變形大，發展速度快等現象。洞室開挖后穩定性低，易于產生擠出型變形垮塌。

火山灰遇水后成即成泥狀，喪失抗剪切強度，必須采用強支護來抵抗圍巖的變形，原設計單層Ⅰ18工字鋼支護時，一般在仰拱施工完畢后，位于拱部或拱腰處拱架即發生扭曲，個別地段甚至發生折斷，拱架不僅發生垂直方向的扭曲，特別是I18工字鋼由于水平方向翼緣較窄，致使水平方向上的拱架強度不足而變形現象嚴重，亦發生水平方向的扭曲，拱部的噴射混凝土產生龜裂并大塊剝落，為了抑制大變形，在隧道拱腳處臨時架設的水平橫向支撐亦全部壓彎；大部分邊墻初期支護侵入二次襯砌凈空，需進行拆換。當采用擴大拱腳并增設臨時橫撐時，在中、下導，仰拱開挖時變形仍然抑制不住，多次發生變形險情（如圖2所示）。

通過上述理論分析現場研究，淺埋顏春嶺隧道大變形地段的施工處治方案主要采用排水、堵水、加固與支護相結合，即對水平擠壓力段要釋放充分、對變形量大的地段要讓的適度、對軟弱地段要加固調整，及時支護以保持圍巖的自承強度。做到：先讓后抗、先柔后剛、以支為主、以讓為輔、支讓結合的既有足夠支撐力，滿足一定的變形量，確定大變形段主要的處理措施如下：①采用8m自進式長錨桿和4m智能中空注漿錨桿主動約束洞周變形。②擴大開挖斷面，加大預留變形量，以適應圍巖變形確保襯砌凈空。③加深仰拱，改善仰拱受力。④采用C25噴鋼纖維混凝土雙層工字鋼構成初期支護體系。⑤加強二次模筑混凝土襯砌支護承載力，二次襯砌采用50cm厚C35鋼筋混凝土，主筋采用￠25螺紋鋼外層采用雙根捆綁。⑥基底位于膨脹火山灰地層，層厚在2～8米，層厚大于2米的地段（弱膨脹性），采用微型鋼管樁進行基底加固，￠219微型樁加固基底，樁間距1.5m*1.5m（邊墻底范圍加密至1.2m），交錯布置，加固深度嵌入弱風化層內0.5m；D2K15+040～D2K15+095和D2K15+125～D2K15+460復合襯砌段基底位于玄武巖全風化層，層厚小于2m的采用C25混凝土換填，換填深度至弱風化層內0.2m，基底換填段，開挖基底時需將邊墻鋼架延長至換填底面，再灌注混凝土。

4 施工工藝

4.1 施工方案

該段施工時總體遵循：“早預報、管超前、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤量測”的原則。超前地質預報和超前探孔相結合（超掌子面6m以上）分析圍巖情況，采用三臺階七步開挖法擴大拱腳施工并預留核心土，輔助工法采用超前中導管和徑向小導管注雙液漿，中導管超前注漿加固范圍為拱部120°，系統錨桿采用8m自進式和4m組合中空錨桿支護并及時封閉仰拱。在采用三臺階七步開挖法時，應綜合考慮機械施工作業空間、便于支護作業和確保施工安全，上導坑開挖高度3.6m，中導坑3.5m，下導坑2.9m。上、中、下臺階總長度控制在15m內，每循環進尺控制在0.5m也就是一榀拱架間距。根據施工方案，擠壓變形段監測及支護參數、預留變形量確定施工工藝流程圖以及變形段施工工藝流程如圖3所示。

4.2 超前預支護及預加固

根據綜合超前地質預報結果，在開挖前，需采取一些有效措施對掌子面圍巖進行預支護及預加固。具體措施為：①在圍巖極其破碎的情況下，必須在掌子面處施作超前小導管注漿和智能中空注漿錨桿，對圍巖進行預支護及預加固。②在圍巖極其破碎且涌水量較小的地方，首先估算涌水量的大小，在掌子面處施作超前小導管和徑向小導管注雙液漿，其中小導管超前注漿加固范圍為拱部120°，對圍巖進行預支護及預加固。③在圍巖極其破碎且涌水量較大的地方，首先估算涌水量的大小，其次在掌子面頂部，周邊埋設一定數量的大直徑PVC管進行部分排水，然后在掌子面處施作超前小導管進行注漿，注漿小導管數量根據涌水量大小調整，對圍巖進行預支護及預加固。

4.3 開挖

由于軟弱圍巖條件下擠壓變形段圍巖極其破碎，穩定性極差，開挖后易失穩坍塌。因此，在施工中采用三臺階七步開挖法開挖。如圖4所示。

①采用三臺階七步開挖法施工，每個臺階長度控制在3～5m，三個臺階總長度控制在15m以內為宜，中下臺階馬口錯開且不能少于5榀鋼架，鎖腳錨管和長錨桿是關鍵。②施工支護遵循“先柔后剛，先放后抗、剛柔并濟”的原則，初期支護能適應大變形的特點且必須要有一定的剛度。③盡量減少工序間相互干擾，使各工序平行作業，縮短施工時間，加快進度迅速封閉成環，二襯緊跟。④系統錨桿采用8m長自進式錨桿和4m組合錨桿間隔施作，錨桿注漿應在每一循環中施作，保證注漿效果，控制隧道變形。⑤仰拱和襯砌必須緊跟掌子面施作，仰拱距掌子面距離不得大于25m，必要時跟至下臺階，襯砌控制在60m內。

4.4 支護

采用雙層I18工字鋼拱架，外層工字鋼采用比原設計半徑加大35cm加工，內層工字鋼預留變形15cm。第一層工字鋼掛雙層鋼筋網，工字鋼間距50cm，噴射C25鋼纖維混凝土26cm厚。第二層工字鋼與第一層工字鋼錯開設置，間距為50cm，用10cm厚鋼板沿環向每100cm邊接一次。第二層支護掛雙層鋼筋網，噴射C25素混凝土26cm厚，在超前小導管預注漿的支護下，同時施作加長錨桿和鎖腳錨管，抑制圍巖塑性區的發展，并使鋼架受力趨于均勻，避免局部的應力集中；綜合應用雙層鋼筋網及雙層縱向連接筋，加強錨網噴支護結構的整體性，從而與鋼架等支護措施共同承擔控制變形的任務（如圖5所示）。

4.5 仰拱施工

隧底開挖后，必須及時施作仰拱，仰拱長度宜為2～3m全幅施工，最大一次開挖長度不超過3m。如圖6所示。為加快軟弱圍巖擠壓變形段仰拱施工，及時抑制軟弱圍巖變形，采用了大斷面隧道仰拱整幅澆筑并一次性預留小邊墻，通過仰拱弧形模板的采用，減少了人工接縫。該仰拱弧形模板的使用很大程度上保證了封閉成環的時間，解決了軟弱圍巖擠壓變形段隧道仰拱施工時人工立模影響結構物精度的難題，降低了作業人員的勞動強度，提高了施工效率。

4.6 二次襯砌施工

根據圍巖監控量測數據，在圍巖和初期支護變形基本穩定后進行二次襯砌，即拱腳水平相對凈空變化速度小于0.2mm/d，拱頂相對下沉速度小于0.15mm/d。但在圍巖變形速度加快，長期不能穩定，出現安全隱患的情況下，采取襯砌緊跟、加強襯砌的措施，以確保隧道結構與施工安全。襯砌采用整體式鋼模板臺車，一次襯砌長度12m，混凝土采用拌合站集中拌合，混凝土攪拌運輸車運輸，泵送入模。混凝土灌注采用HBT60A型混凝土輸送泵。

4.7 施工效果

通過在D2K15+680～D2K15+860大變形段采用加大預留變形量和試驗段確定的雙層工字鋼初期支護參數后，施工效果良好，初支穩定有效抑制了膨脹土圍巖的變形，最大變形量18.5cm，未發生鋼架扭曲和明顯的混凝土掉快現象，施工方案是成功可行的。

5 結束語

①軟弱圍巖隧道施工治水是前提。膨脹巖都很怕水，遇水膨脹失穩，給施工帶來安全隱患。在硬巖富水地段堅持“以排為主或以排為主，限量排放”的原則；在軟巖富水地段堅持“以堵為主，限量排放”的原則，并輔助注漿支護的施工方法，也必須要倡導適當排放的原則，否則水壓太大即使僥幸堵住，會在后續開挖及二襯時帶來很大水害隱患，甚至于產生更大崩塌式突水塌方。當圍巖較破碎且穩定性較差時，必須對地下水進行限量排放，釋放水壓，避免大量的地下水將各種填充物沖出，導致圍巖間摩阻力降低發生塌方；當圍巖極度破碎、穩定性極差時，在施工過程中采用對圍巖相對軟弱的位置進行超前注漿加固，也就是向地層中壓注雙液漿，固結圍巖將松散的根本成不了塊狀的土體，通過雙液漿進行固化，加大圍巖的穩定性，然后再在已固結部位打設泄水孔，釋放水壓，進行限量排放。同時對圍巖要進行強加固，然后將地下水由初支表面進行引排。②合理安排工序及人工與機械的配合是控制軟弱圍巖施工循環時間長短的關鍵，圍巖軟弱最怕多次擾動。③“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”是淺埋富水軟弱圍巖施工的原則。④圍巖監控量測是淺埋軟弱圍巖施工的眼睛，也是安全施工的手段。⑤軟弱圍巖隧道施工，仰拱及時跟進并封閉成環是確保安全、質量及快速施工的根本。

參考文獻：

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