重載鐵路隧道高膨脹泥灰巖施工技術研究與應用

文章依托浩吉鐵路土建工程18標段方山1號隧道，對在重載鐵路隧道施工中遇到的特殊地質——高膨脹泥灰巖進行了泥質灰巖性能試驗研究，對發生的主要病害進行原因分析，總結不同工況下隧道泥灰巖治理技術，特別是在高膨脹泥灰巖出水治理、確保擴挖換拱安全方面提出了新的解決方案，為隧道高膨脹泥灰巖施工提供技術支持。

重載鐵路; 隧道; 高膨脹; 泥灰巖; 施工技術

U455.49B

[定稿日期]2021-07-06

[作者簡介]王天西（1985～），男，本科，工程師，從事鐵路工程施工技術管理工作。

1 工程概述

本文依托工程為浩吉鐵路土建工程十八標段方山1號隧道工程。浩吉鐵路是中國邁入高鐵時代修建的唯一一條國家干線的重載貨運通道鐵路，設計時速120 km/h以上，全長1 837 km，設計年輸送能力2×108 t以上。浩吉鐵路方山1號隧道全長1 135 m，單洞雙線，無砟軌道。隧道洞身下伏白云巖、局部夾泥質白云巖，淺灰色，巖質較硬，強風化—弱風化，巖體較破碎—較完整，巖層產狀為：314～46 °∠47～83 °，地下水不發育，隧道多巖溶發育帶。

2016年7月至10月為南陽地區雨季，降雨充沛，地下水補給充足。在方山1號隧道施工過程中，隧道初期支護表面出現多處滲水，局部出現了線狀流水。受到巖溶地質影響，每次連續降雨或者強降雨后，隧道到的滲水現象尤為明顯。存在滲滴水的區域內，先后有多處出現了初期支護開裂。9月份之后，初期支護開裂開始加劇，監控量測的水平收斂、拱頂下沉數據急劇增大，先后發生多次黃色預警、紅色預警，隧道險情的出現，引起各參建單位的高度關注。

為了探明隧道險情發生的主要原因，預防更大險情的出現，項目對隧道進行了全面排查，主要采取以下兩種手段：

（1）對已開挖、仰拱未施工段落，采用鉆探的方式進行地質探測，對初支開裂情況進行破檢。

（2）對已施做仰拱和拱墻二襯的段落，結合開挖期間揭示圍巖情況，對二襯開裂情況進行破檢。

排查發現，方山1號隧道揭示5段（共長285 m）與出現險情部位圍巖類似，為灰綠色圍巖，遇水易崩解，其中二襯已施工的3段（共長124.5 m），仰拱已施工、二襯未施工1段（長15.5 m），仰拱未施工2段（共長145 m）。

為了排除隧道出現的險情，制定合理的除險加固方案，確保隧道施工安全和機構穩定，項目首先開展了對隧該灰綠色圍巖的試驗研究。

2 隧道不良地質圍巖的調查及試驗研究情況

為了進一步驗證隧道不良地質洞段灰綠色圍巖的特性，進行了巖石泡水試驗、成分化驗和膨脹性試驗。

2.1 巖石泡水試驗

在方山1號隧道不良地質圍巖洞段取巖石樣品，加工成長×寬×高為5 cm×5 cm×5 cm的正方形試樣，進行室內泡水試驗。試驗過程及結果如圖1所示。

試驗結果表明，泥灰巖在天然狀態下，巖質堅硬，遇水后體積變大，逐步崩解。

2.2 巖石成分化驗和膨脹性試驗

在現場取兩組試樣進行室內試驗，第一組為邊墻裂縫處，第二組為下臺階處。

第一組巖樣（邊墻裂縫處）：灰綠色巖樣，磨片鑒定為泥灰巖，其中方解石含量60 %～65 %，黏土礦物及絹云母（風化變質產物）含量約30 %～35 %。為遇水易軟化的硬巖。

第二組巖樣（下臺階處）：鑒于現場泥灰巖軟硬不均，且長期泡水后巖體軟化明顯，強度降低，現場局部泥質含量較高的巖樣泡水在30 min內發生崩解。提取該處巖樣，取其0.5 mm以下顆粒做土的膨脹性試驗TB10102-2010《鐵路工程土工試驗規程》、TB10103-2008《鐵路工程巖土化學分析規程》），結果為：自由膨脹率30 %，判定為膨脹巖。

巖石成分化驗和膨脹性試驗成果見表1。

根據兩次取樣化驗、膨脹性試驗結果，結論如下：

（1）該隧道不良地質圍巖鑒定為泥灰巖，泥灰巖具有一定的膨脹性，遇水易崩解。

（2）隧道不同部位的泥灰巖性質差異較大，泥質含量越高的泥灰巖的膨脹性越高。

3 隧道泥灰巖主要病害分析及施工難點

經過巖石成分化驗和膨脹性試驗，隧道不良地質圍巖確定為泥灰巖。結合前期的排查情況，泥灰巖是隧道施工安全及結構的主要病害。由于方山1號隧道泥灰巖被定性時，初期支護已經施工160.5 m，二襯已施工124.5 m，雖然前期已經采取了部分措施，但是處理措施不準確，處理效果較差。對于方山1號隧道泥灰巖已經造成初支開裂、局部嚴重侵限、二襯開裂等病害必須采取行之有效的處治理方案和施工方法，保證泥灰巖隧道施工安全和結構穩定。

從國內外研究情況來看，關于泥灰巖地質隧道研究較少，可拱參考施工技術資料極少，為了有效地治理泥灰巖的病害，亟待解決四個方面的施工問題：

（1）如何系統治理隧道滲水問題，防止泥灰巖遇水膨脹變形。

（2）如何治理初期支護已施工段泥灰巖造成的開裂（局部嚴重侵限）問題。

（3）如何治理仰拱未施工段泥灰巖造成的隧底承載力不足的問題。

（4）如何治理二襯已施工段泥灰巖造成的二襯開裂問題。

4 初支開裂成因分析及治理

4.1 初支開裂案例

方山1號隧道某洞段監控量測顯示某測點（水平收斂）日變化量為2 mm，同時在臨近位置線路左邊墻初支變形并沿環向開裂，裂縫寬度4 mm、長度3 m。鑿孔發現初支背后圍巖遇水軟化崩解，且監控量測斷面水平收斂值持續增大（圖2、圖3）。

4.2 初支開裂成因分析

開挖、支護成型后，初期支護在降雨期出現滲漏水現象，初支背后泥質灰巖遇水膨脹，導致初支出現多處開裂，對隧道結構不利。

4.3 隧道膨脹巖地質排水裝置的應用

在初期支護施工后，由于泥灰巖遇水膨脹是造成初期支護及二襯開裂主因，因此，在隧道泥灰巖地質洞段，做好泥灰巖的排水設計尤為重要。經過現場試驗，常規的排水孔，泥灰巖遇水崩解后，排水孔易被崩解的巖屑堵塞，嚴重的順著排水通道流入隧道縱向排水管，影響隧道的系統排水。為了有效治理泥灰巖段初期支護滲水，發明了一種隧道膨脹巖地質排水裝置，裝置主體為鋼管，分為自由排水端和固定端（圖4）。

裝置自由排水端設置排水孔，排水孔按照梅花形布置，鋼管外包土工布，每1 m采用外繞方式固定，水經土工布滲入排水管內，而崩解的巖屑被隔離在土工布外側，既保證了排水，又可以避免崩解的巖屑堵塞排水管。

固定端使用藥包固定，主要考慮泥灰巖遇水膨脹后會對排水管形成擠壓應力，不僅起到了排水作用，同時可以支撐圍巖、加固圍巖的作用。

最終排水裝置與隧道的整體土工布、防水板、縱向排水盲管等排水結構形成系統排水，引排至隧道側溝內。

4.4 治理效果

在方山1號隧道泥灰巖段初支開裂洞段系統布置了排水孔，全部安裝了排水裝置，同時加密排水板布置，與系統排水連接后引排至側溝內。安裝了排水裝置的部位初期支護未再次發生開裂，監控量測數據顯示變形穩定，二襯施工后，整體結構穩定。

5 初支嚴重侵限的成因分析及治理

5.1 初支嚴重侵限案例

方山1號隧道某段圍巖襯砌類型由Ⅲa 、IVa級調整為Ⅴc級， 初支拱墻采用I22工字鋼，間距0.6 m/榀，初支厚度拱墻30 cm，二襯厚度55 cm。其中小里程側前期按照采用Ⅳa復合式襯砌施工，初期支護發生嚴重變形，凈空不能滿足二襯要求，需要進行換拱處理。

5.2 初支嚴重侵限成因分析

初期支護背后泥質灰巖在受到強降雨影響，地下水補給充足，大面積遇水膨脹，導致已經施做的初期支護嚴重變形，侵入二襯施工界限，對侵限嚴重部位，必須采取工字鋼套拱等多種措施加強，保證隧道結構安全。

5.3 隧道膨脹巖段擴挖換拱施工方法應用

以往Ⅳ級圍巖應急處理后常采用的換拱方法，對于膨脹巖段施工該換拱方法具有一定的局限性，格柵鋼架間距1.2 m，工字鋼架加固間距1.2 m，由于膨脹巖遇水膨脹的特性，中間間隔的部分膨脹開裂情況嚴重，為了治理初支嚴重變形，總結了一種隧道膨脹巖段擴挖換拱施工方法（圖5）。

在膨脹巖段增設徑向注漿、超前小導管等加固措施;拆除工字鋼架，鑿除兩既有鋼架中部的混凝土，鑿除寬度為1.0 m，噴射混凝土拆除按“先拱后墻”的原則進行，最后拆除變形嚴重的邊墻混凝土;擴挖至設計斷面后，進行初噴支護，然后安裝新拱架，連接兩側鋼筋網片，噴射混凝土;后續鋼架重復上述步驟。

5.4 治理效果

在浩吉鐵路方山1號隧道、紅土嶺隧道多洞段推廣應用了改隧道泥灰巖換拱擴挖施工方法，解決了膨脹巖段換拱施工的安全問題，有效控制了圍巖變形。根據監控量測數據顯示，處理過程未發生超限情況，該擴挖換拱工藝方法操作簡便、安全可靠、經濟實用。

6 隧底承載力不足成因分析及治理

6.1 隧底承載力不足

方山1號隧道某洞段圍巖級別為Ⅲ級，襯砌類型為Ⅲa型，由于長期降雨影響，初支面出現裂縫，裂縫部位有滲水現象，初支后背圍巖主要為泥質灰巖。仰拱施工至該段后，已開挖段揭示隧底為軟基，強風化—全風化，局部為泥質灰巖，承載力不滿足設計要求，鉆孔檢查深度3～3.5 m，推測尚未開挖前方地質情況類似。

6.2 地基承載力試驗

2016年12月中旬，現場開展動力觸探試驗，探測深度為1～1.9 m，實測地基承載力為100～150 kPa，不滿足承載力要求（200 kPa）。

6.3 隧底承載力不足成因分析

泥灰巖段隧底承載力不足主要有兩個方面原因：

（1）泥灰巖遇水或者遇到潮濕空氣崩解。

（2）泥灰巖在受到重型機械碾壓后破碎。

崩解和破碎后隧底的承載力達不到重載鐵路隧道底承載力200 kPa的要求。

6.4 隧底承載力不足治理

目前主要有兩種方法進行治理：

（1）采用樁基增加地基的承載能力（適用于隧道明挖段）。

（2）采用換填仰拱同等級混凝土進行處理（適用于隧道暗挖段）。

在方山1號隧道采取了隧底1～2 m范圍換填C20的混凝土的方式進行治理。

6.5 治理效果

方山1號隧道該洞段治理后，隧底承載力（不低于200 kPa）滿足設計要求，二襯仰拱及仰拱填充施工后，未發生沉降、錯臺、開裂等質量問題，處理效果良好。

7 二襯開裂成因分析及治理

7.1 二襯開裂情況

方山1號隧道某洞段原設計為Ⅲ級圍巖、襯砌類型為Ⅲa。施工期間已變更為Ⅳ級圍巖，其中該段落小里程襯砌類型為Ⅳa、大里程襯砌類型為Ⅳb+。二襯施工后，經過一段時間沉降，在該段落中間位置已施工拱墻二襯的部位出現一條環向裂縫，裂縫貫穿整個二襯拱墻和仰拱。據測量數據顯示，縫寬1～3 mm，頂拱部位縫面兩側錯位約3.5 mm，邊墻及仰拱暫無錯臺。

7.2 二襯開裂成因分析

在考慮二襯施工縫分縫時，未考到泥灰巖與凝灰巖、白云巖互層，泥灰巖產生不均勻沉降是導致二襯開裂的主要原因。

7.3 二襯開裂治理

目前能用于治理泥灰巖段二襯開裂的技術較少，開裂較輕的洞段加強本段及相鄰段二襯觀測，沉降穩定后對裂縫進行封堵加固處理，嚴重裂縫部位拆除二襯后，調整支護類型后重新施做二襯。在后續的施工中，遇圍巖軟硬互層時，建議在圍巖分界位置設置施工縫。

7.4 治理效果

浩吉鐵路泥灰巖病害發現較早，二襯尚未全面施做，僅有部分二襯造成病害，建議在揭示泥灰巖地質時，應在二襯施工前治理完成，避免對二襯造成嚴重的質量問題。

8 結束語

本文就隧道高膨脹泥灰巖治理問題，試驗研究了泥灰巖的性質，對隧道泥灰巖段選擇復合式襯砌類型提供地質依據。研制了一種隧道膨脹巖地質排水裝置，解決了隧道泥灰巖段的排水問題，降低了泥灰巖遇水膨脹后對隧道的危害。總結了一種隧道膨脹巖段換拱擴挖施工方法（自由膨脹率最高65 %），解決了膨脹巖應急處理時拱頂嚴重變形侵限的問題，確保了膨脹巖洞段換拱施工時的結構安全。

本文技術成果成功應用于浩吉鐵路方山1號隧道、紅土嶺隧道等工程，專項技術為所在工程應急加固洞段排除險情5次，節約施工成本120余萬元。形成的高膨脹泥灰巖施工技術進一步補充和完善了鐵路、公路等隧道工程特殊地質施工技術，對今后類似工程施工具有參考價值。

參考文獻

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