雪峰山隧道小間距穿越軟塑地層技術(shù)研究

余朝陽(yáng)

(向莆鐵路股份有限公司，福州 350013)

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)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(xiāng)和沙縣夏茂鎮(zhèn)境內(nèi)，主要穿越將樂縣莫源鄉(xiāng)、南口鄉(xiāng)、大坪、沙溪仔村、張?jiān)创?、白沙公區(qū)、雪峰山主峰和后山山峰、大排山山峰以及沙縣夏茂鎮(zhèn)后壟村。進(jìn)口位于將樂縣城郊上苦竹村，出口位于沙縣夏茂鎮(zhèn)后壟村。向莆線以左線為設(shè)計(jì)基線，右線展線繞行。

雪峰山隧道為單線雙洞設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車速度為200 km/h，并預(yù)留進(jìn)一步提速條件。左線隧道進(jìn)口里程為DK300+850，右線隧道進(jìn)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(zhǎng)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(qū)間為雙洞單線，進(jìn)口段設(shè)置一平行導(dǎo)坑。進(jìn)口設(shè)置明洞，明暗分界里程為DK300+896，暗洞小間距段位于進(jìn)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(dǎo)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(zhì)

雪峰山隧道位于武夷山山脈的中段西南側(cè)。地勢(shì)以雪峰山為分水嶺，中間高兩頭低，均為中低山丘陵貌，區(qū)內(nèi)山高陡峻，溝谷縱橫深切，植被發(fā)育，喬木、灌木、雜草、荊棘叢生，構(gòu)成原始次生林。區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)水系發(fā)育，屬東溪支流。本區(qū)水系發(fā)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(qū)，形成樹枝狀、網(wǎng)絡(luò)狀密集水系，由于植被發(fā)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(duì)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(zhì)復(fù)雜，隧道穿越40條斷層，進(jìn)口段更是具有不良地質(zhì)與特殊巖土地質(zhì)特征。經(jīng)揭露，進(jìn)口段特別是小間距段地質(zhì)尤為復(fù)雜，表層為(Qel+dl)粉質(zhì)黏土，硬塑，厚度3～6 m;以下為(Z1dn1)石英片巖夾變粒巖，變粒結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造，全風(fēng)化，砂黏土狀，黏土飽和含水，可塑性強(qiáng)，遇水成泥，厚度＞20 m，為隧道穿越地層。開挖工作區(qū)域未揭露出圖紙所示的其以下部分，即強(qiáng)風(fēng)化 ～弱風(fēng)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(wěn)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(yán)重，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，累積變形達(dá)到60 cm以上，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，衰減現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行方案會(huì)審，專題研究軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層的暗挖隧道施工技術(shù)，以安全保障為先決條件，實(shí)現(xiàn)月平均成洞15 m的目標(biāo)。

2 軟塑地層礦山法隧道施工難點(diǎn)

軟塑粉砂質(zhì)黏土具高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度、易變形等特性，易產(chǎn)生軟塑變形現(xiàn)象。這種特性給隧道施工帶來(lái)諸多困難。

1)開挖后自穩(wěn)能力極差，易坍塌，地下水作用下，大范圍成泥，施工無(wú)法進(jìn)行。

2)施工過程中，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形累積大，支護(hù)變形較大，拱頂下沉及凈空收斂值異常增大，給支護(hù)造成破壞變形。

3)土體飽和含水，水系聯(lián)系復(fù)雜，圍巖軟塑，內(nèi)摩擦系數(shù)小，圍巖幾乎無(wú)抗拔約束能力。土體飽和含水，普通注漿吸漿量小，固結(jié)范圍小，超前支護(hù)及系統(tǒng)錨桿無(wú)法發(fā)揮有效作用。

4)圍巖本身無(wú)強(qiáng)度，支承力差，圍巖 -支護(hù)結(jié)構(gòu)不平衡，土體變形大，主動(dòng)土壓力大。拱架支承基礎(chǔ)軟弱，加之各單元節(jié)點(diǎn)位置鎖腳支護(hù)不能發(fā)揮作用，拱架支護(hù)呈現(xiàn)為活鉸結(jié)反應(yīng)，無(wú)法充分發(fā)揮其作用。

綜上所述，若堅(jiān)持在該地層中用礦山法施工，必須增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定管理性，增強(qiáng)圍巖的抗剪強(qiáng)度以增加圍巖對(duì)錨固約束的黏結(jié)力，在提高圍巖穩(wěn)定和支護(hù)安全的條件下方可進(jìn)行施工。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 施工圖設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案進(jìn)口段設(shè)置107 m明洞，暗洞進(jìn)洞后為288 m連續(xù)Ⅴ級(jí)圍巖，短臺(tái)階法開挖(加橫撐)，采取Ⅴc支護(hù)形式。其后為 405 mⅣ、Ⅴ級(jí)交差圍巖，(短)臺(tái)階法開挖，采?、鬰、Ⅴc支護(hù)形式(見圖2)。以后以Ⅲ級(jí)圍巖為主(全斷面法開挖)，認(rèn)為不良地質(zhì)段已全部通過。

圖2 小間距段襯砌結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

設(shè)計(jì)建議工法:在進(jìn)口段DK300+886—DK302+082段，左、右兩條單線及平導(dǎo)相鄰較近，為小凈距隧道，中間巖柱厚度小，施工時(shí)應(yīng)堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、快加固、早封閉、勤量測(cè)”的原則。采用短臺(tái)階法 +橫撐施工，中間土柱嚴(yán)格按照要求進(jìn)行 φ42 mm小導(dǎo)管注漿加固，施工時(shí)應(yīng)先后進(jìn)行施工，后行隧道(本設(shè)計(jì)考慮為右線)應(yīng)在先行隧道(本設(shè)計(jì)考慮為左線)的模筑襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行，且后行隧道開挖面應(yīng)滯后先行隧道模筑襯砌不小于50 m。

3.2 施工過程中優(yōu)化方案

實(shí)際揭露后，地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)地質(zhì)描述相近，但全風(fēng)化層長(zhǎng)度和厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)預(yù)估范圍，且土體飽和含水特性超出設(shè)計(jì)預(yù)估，原設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)為砂土狀，但實(shí)際呈軟塑狀飽和黏土，長(zhǎng)度范圍設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)為288 m，實(shí)際超出了288 m加上405 m，工程特性不利于工程進(jìn)展。

暗洞進(jìn)洞時(shí)采用大管棚進(jìn)洞，按照建議工法短臺(tái)階法施工，右洞先行，仰拱及時(shí)跟進(jìn)，當(dāng)右洞開挖至90～100 m時(shí)，左洞開挖至30 m左右時(shí)，埋深大約25～35 m，右洞發(fā)生變形，前方拱架扭曲，侵入限界明顯，襯砌也無(wú)法跟進(jìn)。

經(jīng)四方勘察后，收集了大量的變形數(shù)據(jù)，并據(jù)此建立模型試驗(yàn)后，確定該段隧道按施工過程中的信息反饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。施工圖預(yù)設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌，增加預(yù)留沉降量至25 cm，調(diào)整初期支護(hù)參數(shù)，對(duì)拱架進(jìn)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(xù)，被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，不足以抵抗軟塑土體圍巖的主動(dòng)土壓力荷載，洞室在開挖半月之后，拱架開始變形，預(yù)留限界依然侵入，已開挖初期支護(hù)需要換拱。

4 高壓劈裂注漿

本著根據(jù)設(shè)計(jì)院既有方案，盡量少作變更原則，采取對(duì)土體進(jìn)行改良和加固的方法，力圖從工期、造價(jià)、社會(huì)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(tái)階開挖法開挖，仰拱跟進(jìn)臺(tái)階尾。施工方案示意見圖3和圖4。

軟塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中注漿參數(shù)確定比較困難，因?yàn)橥馏w本身吸漿率較低，其注漿參數(shù)需根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)取得。更由于施工過程中，同一參數(shù)的適應(yīng)性有著明顯的區(qū)別，不能直接拿來(lái)應(yīng)用。向莆公司組織參建各方從現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)開始，研究確定注漿加固的原理、可行性、加固范圍與擴(kuò)散半徑、注漿壓力、注漿

圖3 大管棚與小導(dǎo)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(xiàn)場(chǎng)取樣查看，對(duì)于雪峰山這種地層，認(rèn)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(jié)為整體的滲透注漿方法不能達(dá)到預(yù)期效果。針對(duì)雪峰山地層顆粒更細(xì)，屬于滲透性差的泥質(zhì)地層，吸漿率低，經(jīng)過在該地層多處試驗(yàn)確定采用高壓劈裂注漿。其原理是采用高壓漿液對(duì)黏土地層進(jìn)行劈裂破壞，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在注漿孔周圍脈狀延伸，定向?qū)r體中的水分?jǐn)D出，增加吸漿量，對(duì)土體形成加固和“加筋”的作用。

4.2 注漿壓力的確定

根據(jù)地層條件、施工條件、涌水壓力、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa。

初始?jí)毫Υ_定為1.0 MPa，如果注漿順利且無(wú)支護(hù)變形或仰拱隆起現(xiàn)象時(shí)，則可適當(dāng)調(diào)高注漿壓力。否則，應(yīng)降低注漿壓力。當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%以上時(shí)，應(yīng)逐步降低壓力。終壓應(yīng)控制在1.0 MPa。

注漿壓力理論計(jì)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(nèi)摩擦角(°)。

計(jì)算得到大管棚注漿壓力pu=1.0～1.5 MPa。

掌子面中長(zhǎng)孔注漿壓力pu=0.5～1.5 MPa，若進(jìn)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(dǎo)管注漿壓力 pu=0.6～1.0 MPa。

4.3 注漿加固范圍和擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑R理論計(jì)算公式為

式中，L0為小導(dǎo)管之間的中心距離(m):R為擴(kuò)散半徑(m)。

經(jīng)計(jì)算得擴(kuò)散半徑R=0.42～0.49 m，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法確定隧道洞周單根注漿管擴(kuò)散半徑為0.5 m，加固范圍為開挖輪廓線外3 m范圍內(nèi)土體，設(shè)計(jì)小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5 m，傾角35°，搭接長(zhǎng)度1.2 m。掌子面注漿加固范圍為12 m，可保護(hù)條件下允許開挖8 m，留4 m作為止?jié){巖盤。

4.4 注漿量

單管注漿量計(jì)算公式

式中，Q為單孔注漿量(m3);L為注漿段長(zhǎng)(m);R為漿液擴(kuò)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(jù)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(duì)凝膠時(shí)間、抗壓強(qiáng)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(jí)超細(xì)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(xì)度模數(shù) 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(jié)時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)試配確定。

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

諸多實(shí)驗(yàn)表明，HC-T凝膠時(shí)間可調(diào)超細(xì)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(jià)和工期循環(huán)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(huì)造成土體的較大變形。根據(jù)軟塑土體的力學(xué)特性，采用跟管法施工大管棚。小導(dǎo)管則直接頂入施工，小導(dǎo)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(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)較小。

4.7 注漿效果

經(jīng)過對(duì)掌子面施工情況進(jìn)行詳實(shí)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(jìn)度明顯提高。總之，劈裂注漿達(dá)到了預(yù)期效果，對(duì)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(xù)度較高，對(duì)土體中水分?jǐn)D出作用明顯。通過對(duì)取出巖樣測(cè)試，其強(qiáng)度可達(dá)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(hù)變形得到有效控制，現(xiàn)場(chǎng)施工有序進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了月平均成洞15 m的穩(wěn)定進(jìn)度，化解了進(jìn)口段工期控制的矛盾。

2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)拱頂下沉值不超過50 mm，凈空收斂控制在100 mm以內(nèi)，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(duì)漿脈網(wǎng)的觀察表明，漿脈呈縱向和水平分布，與理論分析吻合，對(duì)加固土體取樣測(cè)試，物理力學(xué)指標(biāo)均達(dá)到了加固要求。

向莆鐵路雪峰山隧道進(jìn)口 DK300+886—DK302+082范圍內(nèi)小間距隧道采用超短臺(tái)階開挖法，輔以大管棚加小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加掌子面注漿加固、改良地層，成功通過了軟塑粉質(zhì)黏土地層小間距段。雖然進(jìn)度較慢，但未發(fā)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(jīng)驗(yàn)。

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