雅萬高鐵膨脹土圍巖隧道大變形綜合治理研究

王曉偉 龐磊磊

摘 要：膨脹土具有吸水膨脹和失水收縮特性，容易給隧道工程施工帶來諸多危害。本文通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，分析雅（雅加達(dá)）萬（萬隆）高鐵膨脹土圍巖隧道大變形表象及成因，對比分析2號隧道進(jìn)口坍塌段的CRD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工效果，這對同類型山嶺隧道施工具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：雅萬高鐵;膨脹土;隧道;大變形;綜合治理

中圖分類號：U452.12文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0080-05

Research on Comprehensive Treatment of Large Deformation of Tunnel in Expansive Soil Surrounding Rock of Jakarta-Bandung High-Speed Railway

WANG Xiaowei PANG Leilei

（PowerChina Railway Construction Investment Group Co.， Ltd.，Beijing 100070）

Abstract： Expansive soil has the characteristics of water-absorbing expansion and water-loss shrinkage， which is easy to bring many harms to tunnel construction. This paper analyzes the large deformation appearance and cause of the tunnel in the expansive soil surrounding rock of the Jakarta-Bandung high-speed railway through monitoring and measurement data， and compares and analyzes the construction effect of the CRD method and the double-side heading method in the collapse section of the No. 2 tunnel entrance， which has certain reference significance for the construction of mountain tunnels of the same type.

Keywords： Jakarta-Bandung high-speed railway;expansive soil;tunnel;large deformation;comprehensive treatment

受吸水膨脹、失水收縮的特性影響，膨脹土?xí)o巖土工程施工帶來危害，特別是隧道工程，在干濕循環(huán)環(huán)境作用下，施工中容易出現(xiàn)拱頂沉降、邊墻收斂、仰拱起鼓現(xiàn)象，甚至造成襯砌開裂。工程技術(shù)人員從脹縮原理、支護(hù)結(jié)構(gòu)改善等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。本文結(jié)合雅萬高鐵項(xiàng)目2號隧道進(jìn)口坍塌治理實(shí)例，綜合分析交叉中隔墻法（簡稱CRD工法）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，供同類型地質(zhì)圍巖隧道借鑒。

1 工程概況

雅萬高鐵是中國“一帶一路”倡議和印度尼西亞全球海洋支點(diǎn)戰(zhàn)略對接的標(biāo)志性項(xiàng)目、國家對外投資優(yōu)先項(xiàng)目、中國高鐵“走出去”先行項(xiàng)目，是中國成套技術(shù)整體走出去的首條高鐵，也是東南亞第一條時速350 km的高鐵。雅萬高鐵連接印度尼西亞首都雅加達(dá)和第四大城市萬隆，正線長為142.3 km，最高設(shè)計時速為350 km。鐵路沿線設(shè)Halim、Karawang、Walini、Tegal Luar 4座車站和Tegal Luar動車段。其中，橋梁長度為76.79 km，隧道長度為16.47 km，路基長度為48.94 km。2018年6月9日，項(xiàng)目正式開工，合同工期為36個月。

中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司承建的雅萬高鐵DK74+020～DIK114+500段40.5 km線路范圍布設(shè)12條山嶺隧道，總長為14 788 m。Ⅴ級圍巖、Ⅵ級圍巖占比高，其中，Ⅴ級圍巖為10 848 m，占73.4%，Ⅵ級圍巖為395 m，占2.7%;巖性差，黏土、黏性土、泥巖具有膨脹性;埋深淺，12條隧道中11條埋深不足100 m。

2號隧道進(jìn)口里程為DK74+010，出口里程為DK75+062，全長為1 052 m，為單洞雙線隧道，線間距為5.0 m，洞身最大埋深約為53.6 m。隧道呈單向縱坡，進(jìn)口至DK74+200范圍內(nèi)縱坡為17‰上坡，DK74+200至出口范圍為30‰。隧道位于普旺加達(dá)南側(cè)，處于丘陵區(qū)，地勢起伏大，植被覆蓋率較高。地勢總體西低東高。隧道調(diào)查區(qū)內(nèi)，山脊大致呈東西向展布，形成多處局部分水嶺。隧道進(jìn)口自然坡度為8°～11°，隧道出口自然坡度為13°～30°。設(shè)置1座155 m施工斜井，采用單車道無軌運(yùn)輸。鑒于隧道大變形嚴(yán)重，復(fù)合式襯砌采用Ⅵb級圍巖復(fù)合式襯砌。Ⅵa級圍巖復(fù)合式襯砌參數(shù)如表1所示，Ⅵb級圍巖復(fù)合式襯砌斷面圖如圖1所示，Ⅵb級圍巖復(fù)合式襯砌鋼架總裝圖如圖2所示。

2 施工進(jìn)展及存在的問題

2019年3月22日，2號隧道進(jìn)口開始進(jìn)洞。2021年3月13日，斜井與正洞交匯，開始進(jìn)行橫向棚洞法施工。截至2021年6月8日，4個掌子面施工方面，進(jìn)口端剩余278 m，出口端剩余216 m，按照EOT（Extension of Time）工期2021年8月20日貫通，工期壓力大。

2.1 歷史進(jìn)度指標(biāo)分析

統(tǒng)計近一年施工月（2020年5月至2021年4月）進(jìn)度，如表2所示，2號隧道最快進(jìn)度為24 m/月，扣除2號隧道進(jìn)口坍塌及換拱影響因素，月平均進(jìn)度不足8 m。

2.2 存在的問題

2號隧道進(jìn)口多次出現(xiàn)大變形，地表開裂，形成滲水通道，加劇膨脹土劣化，出現(xiàn)掌子面坍塌現(xiàn)象。2號隧道進(jìn)口險情統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

3 大變形表象及成因分析

3.1 隧道開挖松動區(qū)裂縫引發(fā)地表水下滲

根據(jù)2號隧道進(jìn)口7次險情統(tǒng)計結(jié)果，其均發(fā)生在雨季或雨后。Ⅵb級圍巖復(fù)合式襯砌開挖輪廓線跨度為1 520 cm，高度為1 298 cm，每延米開挖方量為166.92 m3，隧道掘進(jìn)開挖擾動圍巖形成松動圈，裂縫大量產(chǎn)生，形成地表水下滲通道。在雨季或雨后，膨脹性圍巖遇水膨脹產(chǎn)生脹縮力，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)[1]。掘進(jìn)擾動引發(fā)松動區(qū)裂縫→地表水下滲→膨脹土脹縮→支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)→圍巖變形裂縫進(jìn)一步發(fā)展的惡性循環(huán)，甚至造成隧道坍塌、淺層滑坡事故[2]。2號隧道進(jìn)口地表裂縫如圖3所示，2號隧道進(jìn)口掌子面坍塌如圖4所示。

3.2 受力不均，局部產(chǎn)生大變形

隧道開挖輪廓線內(nèi)，各點(diǎn)所含膨脹土土性特征、微觀結(jié)構(gòu)不同，膨脹變形具有差異性，局部產(chǎn)生大變形。采取臨時橫撐措施，抵抗局部大變形[3]。局部大變形臨時橫撐加固如圖5、圖6所示。

3.3 變形持續(xù)時間長，仰拱封閉成環(huán)后方趨于穩(wěn)定

膨脹土隧道掘進(jìn)施工中，在干濕環(huán)境循環(huán)作用下，圍巖周期性脹縮，應(yīng)力平衡難以建立，變形持續(xù)時間長。以2號隧道進(jìn)口DK74+193斷面觀測數(shù)據(jù)為例，2020年3月8日至11月12日，累計沉降1 214.5 mm，持續(xù)沉降8個月時間，直至2020年11月13日，初期支護(hù)失穩(wěn)坍塌。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法處理坍塌地段，2021年4月30日仰拱封閉成環(huán)后，初期支護(hù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示1個月沉降20.9 mm，初支基本趨于穩(wěn)定，開始施作二襯（見圖7、圖8）。這說明因膨脹土遇水膨脹，在膨脹力作用增強(qiáng)的同時，圍巖遇水弱化，承載力降低，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3.4 中、下臺階施工鎖腳失穩(wěn)

鎖腳為[Φ]89 mm鎖腳鉚管，但在三臺階七步法預(yù)留核心土或CRD工法施工過程中，因空間限制，鎖腳鉚管無法及時施作，只能以[Φ]42 mm鎖腳錨桿臨時鎖定，在掌子面推進(jìn)一定距離后方能補(bǔ)打鎖腳，在一定時間內(nèi)存在鎖腳強(qiáng)度不足現(xiàn)象，引發(fā)拱架下沉[4]。

3.5 拱架支護(hù)剛度滿足

沉降觀測數(shù)據(jù)顯示，除因膨脹土特性差異造成局部大變形外，拱架呈現(xiàn)整體沉降趨勢。大變形段及塌方段處理過程中，開挖出來的侵限拱架未出現(xiàn)S形扭曲變形，如圖9所示。這說明Ⅵb級圍巖復(fù)合式襯砌支護(hù)剛度滿足設(shè)計要求。

4 大變形綜合治理措施

4.1 加強(qiáng)地表及洞內(nèi)監(jiān)控量測

根據(jù)DK74+158～DK74+225段滑移體監(jiān)測數(shù)據(jù)，開挖后拱頂最大沉降量為796 mm，拱腳向線路左側(cè)的最大水平位移為104.2 mm，仰拱未發(fā)生位移，判定該處山體為淺層滑坡。根據(jù)洞內(nèi)監(jiān)測及地層綜合分析，滑移體堆積在隧道頂部，加之受降雨入滲影響，洞頂土壓力增大，從而加劇拱頂和地面變形，引起洞頂?shù)貙邮軘_動后土體強(qiáng)度進(jìn)一步降低，拱頂壓力進(jìn)一步加大，拱架變形和地面沉降再次加劇，從而形成惡性循環(huán)。應(yīng)對斜坡進(jìn)行治理，防止坡體進(jìn)一步滑動。

4.2 隧道上方地表開裂、滑坡整治

DK74+158～DK74+262段，隧道中線左、右兩側(cè)各12.5 m位置打設(shè)兩排平行于隧道的抗滑樁。抗滑樁采用C35鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長（由地表至仰拱底）為5 m，規(guī)格為[Φ]1 500 mm@2.5 m，樁頂設(shè)置1.7 m×1.0 m（寬×高）冠梁，冠梁頂埋入地面0.5 m。

地表袖閥管注漿加固，封閉地表水下滲通道。DK74+175～DK74+265段，采用地表袖閥管注漿加固，注漿橫向范圍為沿隧道洞身開挖輪廓線外5 m，豎向范圍為從隧道上臺階至地表（平均加固高度 35m），間距為1 m×1 m，注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿。

4.3 調(diào)整施工方法

4.3.1 由三臺階七步法調(diào)整為CRD工法。鑒于2號隧道進(jìn)口DK74+180～DK74+220大變形段（埋深33.66～42.62 m）于2020年7月3日、2020年11月13日、2021年2月15日出現(xiàn)3次坍塌，圍巖結(jié)構(gòu)松弛，無自穩(wěn)能力，首先從塌口DK74+180處進(jìn)行反壓回填，防止坍塌引發(fā)地表大面積滑移。支護(hù)參數(shù)由Ⅴs-p-1復(fù)合式襯砌提升至Ⅵb復(fù)合式襯砌，施工方法由三臺階七步法變更為CRD工法，CRD工法施工圖如圖10所示。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，在上臺階、中臺階、下臺階開挖接腿及中壁拆除時，沉降變形大，多次發(fā)出預(yù)警。為控制大變形，采取I25b工字鋼對既有初支鋼架進(jìn)行內(nèi)套拱加強(qiáng)，增加中隔壁、雙層臨時仰拱措施，臨時支護(hù)用鋼量大;上臺階、中臺階無法使用機(jī)械開挖，工效低，循環(huán)作業(yè)時間長，無法滿足工期要求[5]。

4.3.2 施工方法調(diào)整為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是利用兩個中隔壁把整個隧道大斷面分成左、中、右3個小斷面施工，左、右導(dǎo)洞先行，中間斷面緊跟其后;初期支護(hù)仰拱成環(huán)后，拆除兩側(cè)導(dǎo)洞臨時支撐，形成全斷面。兩側(cè)導(dǎo)洞有利于控制拱頂下沉，雖然開挖斷面分塊多，擾動大，初次支護(hù)全斷面閉合的時間長，但每個分塊都是在開挖后立即各自閉合的，施工中變形幾乎不發(fā)展。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工圖如圖11所示。

5 結(jié)語

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法較CRD工法，機(jī)械化程度高、作業(yè)連續(xù)性好、工后沉降變形量小，施工安全、進(jìn)度可控。一是機(jī)械化程度高。左側(cè)壁導(dǎo)坑、上部核心土、右側(cè)壁導(dǎo)坑設(shè)置15.2 m初支凈空，能保障每個作業(yè)面5 m作業(yè)空間，滿足機(jī)械設(shè)備同步作業(yè)要求，機(jī)械化程度高。CRD工法上臺階機(jī)械無法回轉(zhuǎn)，基本靠人工挖掘;中、下臺階，由于臨時仰拱限制，邊角部位需要人工修整。二是可連續(xù)施工。導(dǎo)坑與臺階的距離以導(dǎo)坑施工和臺階施工不發(fā)生干擾為原則，上、下臺階的距離取10～15 m;左、右側(cè)導(dǎo)坑錯開的距離以開挖一側(cè)導(dǎo)坑所引起的圍巖應(yīng)力重分布的影響不致波及另一側(cè)已成導(dǎo)坑為原則，縱向間距不小于10 m。左側(cè)壁導(dǎo)坑、上部核心土、右側(cè)壁導(dǎo)坑可同步作業(yè)，互不干擾。三是工后沉降變形小。2號隧道進(jìn)口DK74+180～DK74+220大變形坍塌段，2021年3月28日開始雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，2021年6月8日中導(dǎo)坑進(jìn)入原始圍巖，72 d處理坍塌段落40 m，基本保障一天一循環(huán)（鋼拱架間距0.6 m）進(jìn)度。一個月沉降觀測數(shù)據(jù)顯示，圍巖變形量小，初期支護(hù)收斂，變形速率趨零，滿足拆除側(cè)壁臨時支撐施作二襯的條件，圓滿完成2號隧道進(jìn)口膨脹土軟弱圍巖大變形治理。

參考文獻(xiàn)：

[1]李國富.膨脹型軟巖變形機(jī)理與特種控制技術(shù)[J].金屬礦山，2006（9）：18-21.

[2]譚波，徐良，倪秋奕，等.干濕循環(huán)作用下膨脹土裂隙發(fā)育規(guī)律及影響因素[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2021（3）：22-23.

[3]陶偉明，李化云，張志強(qiáng)，等.淺埋膨脹土隧道圍巖抗剪強(qiáng)度與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征關(guān)系研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020（1）：36-43.

[4]胡世權(quán).過膨脹土隧道塌方段施工技術(shù)與研究與應(yīng)用[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報，2013（1）：73-77.

[5]馬樂樂.膨脹土條件下隧道下穿既有地鐵車站CRD開挖工法優(yōu)化[J].市政技術(shù)，2021（1）：66-73.