軟弱地層隧道大變形整治技術

王志杰，唐 力，徐海巖，李瑞堯，徐君祥

(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)

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。陽城隧道為蒙華鐵路一關鍵性控制工程，地質條件極為復雜[1]。隧道小里程方向開挖揭示巖性呈砂狀及砂夾土狀，含水率較大，膠結弱，自穩能力差，易發生涌水涌砂等，開挖過程中極易出現初期支護開裂等變形現象。

國內外不少學者采用理論分析、數值模擬、模型試驗等手段對隧道圍巖大變形進行了研究。李磊等[2]通過試驗探究了巖塊的傳力特性，對陡傾互層千枚巖變形特征及破壞機制進行了分析。李國良等[3]根據相對變形和巖體強度應力比將蘭渝鐵路軟巖隧道擠壓大變形分為3個等級，并針對不同等級大變形提出相應的設計方法和施工防治措施。徐國文等[4]將圍巖破壞分為結構面滑移、軟巖塑性流變、板梁彎曲變形3類，通過現場試驗比較了三臺階開挖法和兩臺階開挖法，提出三臺階開挖法可有效控制大變形。吳廣明等[5]通過數值模擬，將微臺階法與三臺階七步開挖法對千枚巖地層大變形的影響進行對比，得到微臺階法可降低變形量。張彪等[6]研究讓壓錨桿的力學特性，認為讓壓錨桿可以控制圍巖變形。汪波等[7]通過研究隧道施工方法、支護參數以及不同埋深對隧道變形的影響，提出三臺階施工變形安全控制基準。楊進京[8]結合突變理論提出了炭質泥巖夾砂巖不同埋深隧道的變形控制基準。高美奔等[9]闡述了千枚巖、炭質頁巖、變質砂巖等軟弱巖體的大變形類型及其支護措施。于天賜[10]通過理論分析和現場試驗，提出了非對稱預留變形量、長錨桿加固圍巖等控制軟巖隧道大變形的方法。李術才等[11]基于“先讓再抗后剛”理念，研發了針對軟弱圍巖的核心筒支護結構體系。

以往文獻對單一軟弱圍巖大變形有不少研究，對水平互層圍巖大變形也有所研究，但對左右土砂分界地層隧道的大變形研究較少。以蒙華鐵路陽城隧道為研究對象，對DK244+906—DK244+895大變形段進行研究，分析其變形機理，提出變形控制及整治措施，為類似地層隧道大變形整治及安全施工提供借鑒。

1 工程概況

陽城隧道位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉雙城村附近，起止里程為DK249+134—DK242+041，隧道全長 7 093 m，最大埋深約207 m。

隧址區地形受地臺抬升及黃土高原水流溯源侵蝕的影響，下切作用明顯。V字形沖溝發育，呈樹枝狀分布，地形較為復雜，為典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌類型。地層從新至老依次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。

2 初期支護開裂變形

DK244+906—DK244+895段巖性為全風化砂巖，砂夾塊石土。圍巖含水率較大且破碎滲水，砂層間膠結弱，自穩能力差。開挖過程中易出現臺階溜垮，邊墻涌水涌砂，開挖難以成型等現象。2017年4月5日18:00，開挖過程中發現DK244+898處右側中臺階初期支護出現長1.5 m，寬約0.3～0.5 cm的環向裂縫。經監測，20:00 DK244+906—DK244+895段拱頂沉降均已超過10 cm。右側中臺階以下初期支護混凝土表面龜裂、剝落，鋼拱架翼緣板外露。20:30 DK244+898裂縫發展到拱部，裂縫最大寬度約5 cm，初期支護鋼拱架出現扭曲變形。

初期支護存在大面積變形侵限，不同斷面處最大欠挖值為85.2，78.9，112.8，32.7 cm，見圖1。

圖1 初期支護斷面掃描結果(單位：cm)

3 開裂變形原因分析

3.1 隧址區地質條件

隧道圍巖結構松散，含水率大。開挖過程中自穩能力差，開挖難以成型。DK244+898處掌子面地質素描見圖2。隧道左側位于古沖溝，為全風化砂巖，右側為砂夾塊石土。圍巖節理裂隙發育，地下水發育，隧道容易發生涌水涌砂。

圖2 DK244+898處掌子面地質素描

3.2 圍巖工程特性

對大變形段掌子面各部位取樣進行天然含水率測試、標準固結試驗、直剪試驗、顆粒密度試驗等基本物理力學性能試驗。試驗結果見表1。

表1 天然含水率和顆粒密度試驗結果

由表1可知:大變形段掌子面左側全風化砂巖與右側砂夾塊石土含水率相差不大，全風化砂巖比砂夾塊石土顆粒密度大，孔隙比大。隧道左側全風化砂巖比右側砂夾塊石土黏聚力和內摩擦角小。圍巖力學性能差，隧道初期支護產生的壓力大。

3.3 隧道施工的影響

1)2017年4月3日晚至4月5日凌晨連續下雨導致初期支護背后地下水位升高，圍巖重度增大，導致初期支護承受壓力增大。下臺階地質條件較差，開挖過程中由于地下水匯集，邊墻處發生應力集中。仰拱開挖卸荷誘發了初期支護變形和開裂。

2)上臺階和中臺階施工時間為2016年10月上旬，距下臺階施工已達6個月。施工期間初期支護背后存在空洞，經常流水，伴有泥沙。隨著時間推移圍巖進一步松散，應力多次重新分布。初期支護承受壓力過大，導致在仰拱開挖過程中變形過大而開裂。

隧道左側圍巖結構較松散，不能自穩，對隧道初期支護產生較大的壓力。隧道左側向洞內擠壓變形，隧道整體向右偏移，隧道右側縱向受拉。噴射混凝土抗拉能力較差，所以產生了環向裂縫。隨著時間的推移，裂縫擴展，右側土體擠入洞內。

4 變形整治思路和措施

4.1 整治思路

1)首先DK244+906—DK244+895段采取反壓回填、增設臨時仰拱、增加扇形支撐、徑向注漿加固等措施，預防DK244+895—DK244+889段初期支護變形失穩，防止持續變形造成二次坍塌。

2)加固完成后，為最大限度地減少大變形段仰拱封閉成環過程中的安全風險，先施工DK244+895—DK244+889段初期支護、仰拱及二次襯砌，然后采取措施整治DK244+906—DK244+895段大變形，最后施作二次襯砌。

4.2 整治措施

4.2.1 反壓回填、臨時仰拱和扇形支撐施工

在大變形段對侵入隧道的土體進行反壓回填，見圖3。回填過程中分段逐層施工，每層填充用挖機碾壓密實后再進行下層填筑，以保證足夠反壓力。

圖3 回填反壓(單位：m)

以反壓回填渣土頂面為施工平臺，在大變形段施作每榀間距為0.75 m的I20a橫撐，并與初期支護焊接。鋼筋網片采用φ8鋼筋，網格間距20 cm×20 cm，縱向連接筋采用φ22螺紋鋼筋，間距1.0 m。臨時仰拱噴射C25混凝土，厚27 cm。

以臨時仰拱為基礎，施作I20a橫撐。橫撐與臨時仰拱采用I20a立撐焊接，橫撐上設置扇形支撐(每組由3根I20a型鋼組成)與初期支護鋼架連接牢固。兩側支撐與中間支撐呈45°夾角支撐于拱腰，扇形支撐與初期支護拱架及橫撐間焊接牢固。

大變形段臨時仰拱及支撐橫斷面施工示意如圖4。

圖4 臨時仰拱及支撐橫斷面施工示意

4.2.2 加密降水

將大變形段初期支護開裂處混凝土鑿除，并對破損部位進行掃面，噴射10 cm厚C25混凝土。待初期支護變形穩定后進行加密降水，加強疏干力度，實時監測水位，防止地下水位抬升造成二次失穩。

4.2.3 注漿加固

對大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.O 42.5水泥單液漿，自下向上間歇式注漿，注漿壓力控制在1 MPa以下。

4.3 整治效果

選取DK244+902，DK244+898，DK244+896 3個監測斷面對拱頂沉降、水平收斂進行監測。監測結果見圖5。

圖5 3個監測斷面位移時程曲線

由圖5可知：在土砂分界地層采取反壓回填、臨時支撐、扇形支撐、加密降水、注漿加固等措施后，監測斷面DK244+898拱頂沉降為5.34 cm，水平收斂拱腰為2.41 cm，拱腳為4.91 cm。斷面DK244+902，DK244+896拱頂沉降、水平收斂也得到相應的改善，證明整治措施對控制變形效果顯著。

5 結論

1)在大變形段，與隧道右側砂夾塊石土相比，左側富水全風化砂巖孔隙比大、顆粒密度大、黏聚力和內摩擦角小，土體松散，自穩能力差。因此，隧道左側發生擠壓變形明顯。

2)初期支護背后經常流水，上下臺階施工間隔過長，隨著時間推移左側全風化砂巖重度增大，初期支護承受壓力增大，隧道扭曲，隧道右側縱向受拉出現環向裂縫，最終失去承載能力，右側圍巖擠入洞內。

3)土砂分界地層陽城隧道大變形段采取反壓回填、增設臨時仰拱、增加扇形支撐、加密降水和注漿加固措施，采用設置橫撐、勤量測等方法，完成了大變形整治，效果良好。