蒙華鐵路陽城隧道土石分界處地層大變形機理分析及整治措施

王志杰，李瑞堯，徐海巖，徐君祥，唐 力

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隨著交通建設的發展，穿越特殊地形、地貌、地質條件的隧道越來越多，在軟弱圍巖地質條件下施工的隧道與日俱增，隧道軟巖大變形問題隨之而來。大變形問題給隧道施工帶來了極大的風險，同時也為隧道施工技術發展提供了新的動力。如何控制軟巖大變形、降低大變形的危害已經成為隧道工程界亟待解決的重要問題。國內外相關學者的研究主要集中在隧道施工力學行為[1-2]、軟巖大變形機理[3-5]以及軟巖隧道施工控制技術[6-8]等方面。本文依托陽城隧道，對土石分界處地層大變形機理進行研究，并提出整治措施。

1 工程概況

蒙華鐵路是中國繼大秦鐵路、朔黃鐵路和山西中南部鐵路后修建的又一運煤鐵路。陽城隧道作為蒙華鐵路關鍵性控制工程之一，位于陜西省榆林市靖邊縣，起訖里程為DK242+041—DK249+134，隧道全長7 093 m，最大埋深約207 m。隧道設計速度120 km/h。

隧址區溝壑縱橫，古沖溝發育，是典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌。區內地層主要為第四系上更新統風積砂質新黃土及黏質新黃土、第四系中更新統沖洪積中砂、白堊系下統洛河組砂巖。其中砂巖以強、全風化紅砂巖為主，角礫松散結構，巖質較軟弱，節理裂隙較發育，基巖面起伏較大。隧址區地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 施工方案及工序

隧道洞身采用三臺階預留核心土法施工，為防止臺階溜垮并控制變形，要求初期支護距離掌子面不超過35 m(3倍洞徑)，仰拱及填充層利用24 m液壓棧橋一次性澆筑，輔以真空降水、施作密排超前導管及排砂管。洞身開挖施工工序見圖1。

圖1 洞身開挖施工工序

3 圍巖變形對初期支護的破壞

隧道穿越的軟弱地層:①富水砂層，局部夾薄層土；②全風化紅砂巖，局部夾塊石。大里程方向DK245+270—DK245+280正好處于土石分界處。

2017年10月15日01:00陽城隧道大里程方向土石分界處在平整臺階時發現中臺階左側拱腳處局部發生涌水涌砂。為保證施工安全立即對初期支護進行加固，04:00里程DK245+270左側邊墻處初期支護開裂，并有發展趨勢。04:10對大變形段反壓回填，回填過程中左側初期支護持續收斂，支護結構裂縫從中臺階左側拱腳延伸至上臺階左側拱腰，長約7 m。DK245+270—DK245+280段左側初期支護持續快速收斂，通過采取控制措施，隧道的拱頂沉降大幅減小。

4 圍巖變形機理分析

4.1 圍巖基本物理性能

在大變形發生之前，課題組已經對大變形段掌子面中臺階左側、核心土及右側土樣進行了物理性能指標測試、固結試驗和直剪試驗。結果見表1、表2、圖2和圖3。

表1 土樣物理性能指標

表2 土樣壓縮性指標

圖2 大變形段掌子面中臺階土樣固結試驗結果

由表1可知，大變形段掌子面處中臺階左側土樣孔隙比最大，最疏松，壓縮性最高，更容易發生變形。

由圖2和表2可知:①中臺階左側土樣壓縮模量、孔隙比隨豎直壓力變化曲線的斜率相對更大；②左側土樣為高壓縮性土，右側土樣為中壓縮性土，核心土為低壓縮性土；③從左側土樣到右側土樣再到核心土樣，孔隙比和壓縮系數逐漸減小、壓縮模量總體上逐漸增大，土的壓縮性逐漸降低；④左側土樣最松散、最不穩定，右側土樣次之。

由圖3可知，大變形段掌子面中臺階左側土、核心土及右側土樣抗剪強度存在較大差異。左側土黏聚力最小，核心土黏聚力最大，三處內摩擦角無太大差異。

圖3 大變形段掌子面中臺階土樣直剪試驗結果

4.2 工程地質、水文地質條件

大變形段位于古沖溝土石分界處，如圖1所示。全風化紅砂巖呈砂狀，遇水軟化，易崩解，自穩性較差。開挖后形成的臨空面風化加劇，掌子面及邊墻極易失穩，局部涌水涌砂，綜合判定圍巖級別為Ⅵ級。

大變形段土石分界處不同部位土樣的物理力學性能存在較大差異。掌子面中臺階兩側土樣物理力學性能較中部核心土差，左側較右側差。

圍巖強度不均導致左側應力集中，同時砂層在水的作用下趨于飽和，呈軟塑甚至流塑狀態，此時承載能力大大降低。左側圍巖易產生溜垮現象，隨之發生大變形并使得初期支護向洞內擠出。

陽城隧道洞身位于地下水位以下，水從砂層中滲出，土石分界處砂巖遇水軟化，強度驟減，出現溜垮現象，初期支護背后出現松散體。中臺階左側土壓縮性最高，孔隙比最大，在地下水的作用下最易遇水軟化，承載能力急劇下降。在圍巖壓力作用下初期支護侵限。

4.3 施工及人為因素

隧道施工是影響圍巖穩定性的主觀因素。砂層自穩性極差，在富水條件下開挖極易造成坍塌而難以控制。施工過程中對中臺階基底加固不及時，初期支護未得到及時補強，圍巖作用在承載能力不足的初期支護上使其破壞，從而產生較大變形。

5 整治措施

5.1 反壓回填

對大變形段初期支護進行反壓回填(見圖4)，回填過程中分段逐層施工，每層填充完畢待挖機碾壓密實后再進行下層填筑，以保證回填土具有足夠反壓力。

圖4 反壓回填示意(單位:cm)

5.2 加密降水

將大變形段初期支護開裂處混凝土鑿除，并采用C25噴射混凝土對破損部位掃面封閉10 cm厚。待初期支護變形穩定后加密降水，加強疏干力度，防止地下水位抬升造成二次失穩。

5.3 注漿加固

對變形段進行徑向注漿加固。注漿管采用長4 m、厚5 mm的φ42無縫鋼管，注漿管間距為2.0 m×2.0 m。漿液采用P.O42.5水泥單液漿，自下而上間歇式注漿，注漿壓力控制在1 MPa以下。

5.4 逐榀換拱

換拱遵循先支后拆、先上后下的原則，各臺階長度不大于5 m。換拱前先對大變形段進行鉆探，驗證注漿加固范圍。為保證換拱施工質量，拱部受損拱架沿連接板整節拆除。施工工序:①拆除臨時支撐，自上而下分段鑿除拱架外側噴射混凝土，將拱架分離；②鑿除完成后立即噴射厚4 cm C25混凝土封閉開挖面，換入新拱架并采用螺栓連接牢固，對新舊混凝土連接處鑿毛并預留相應變形量；③焊接連接筋，噴射厚37 cm C25混凝土，每榀鋼架臺階處設4根長4.0 m、φ42鎖腳錨管。

5.5 設置橫撐

以變形段回填土頂部為施工平臺，對大變形段設置I20a型鋼橫撐(見圖5)，橫撐與初期支護鋼架焊接；支撐應榀榀對接，縱向連接采用φ22螺紋鋼，同時架設連接筋以增強整體性。變形段支撐加固完成后，于其前方加設不小于3道I20型鋼橫撐，以防掌子面前方圍巖受到變形段圍巖牽引而使初期支護發生變形。

圖5 橫撐設置示意(單位:cm)

5.6 勤量測

換拱過程中增加量測頻次，以準確掌握變形情況。在已拆換段布設測點，按5 m一個斷面布設，如發現異常及時采取應急預警措施以確保施工安全。換拱完畢后進行二次注漿，量測持續跟進以便及時反饋該段情況。

6 結論

1)陽城隧道大里程方向土石分界處地層大變形是多種因素共同作用的結果。圍巖條件極差、強度不均、飽水軟化是內因。外因是對土石分界處地層認識不足、初期支護未及時補強、地層加固措施未及時跟進。

2)大變形處中臺階左側土樣與核心土、右側土樣相比，最松散，壓縮性最大，強度最差。故大變形最先發生在左側。

3)基于對陽城隧道土石分界處地層性質和大變形機理的分析，遵循先控制、后整治的思路，提出反壓回填、加密降水、注漿加固、逐榀換拱、設置橫撐以及二次注漿加固的整治措施。