饱和粉细砂地层隧道围岩塌落机理及施工控制研究

2018-06-22殷洪波刘正初郭永发钱明月吴雯雯

建筑机械 2018年6期

殷洪波，刘正初，郭永发，钱明月，吴雯雯

（1. 中铁二院昆明勘察设计研究有限责任公司，云南昆明 650200；2. 温州大学建筑工程学院，浙江温州 325000；3. 温州大学瓯江学院，浙江温州 325000）

隧道工程中经常遇到饱和粉细砂地层，由于其胶结性差、含水量大、稳定性差、受干扰易流动等特点，穿越饱和粉细砂地层的隧道往往沉降变形量较大，隧道坍塌事故时有发生。因此，穿越饱和粉砂地层的大断面隧道，施工难度极大，支护及施工方案的选择事关隧道建设的成败，已引起隧道工作者的广泛关注［1-6］。

如大西客运专线上的白双线隧道［3］，进口段穿越约500m粉砂地层，采用600mm水平旋喷桩进行超前加固，从而在掌子面前方形成一个连续的旋喷拱。开挖过程中，采用“拱部超前双层咬合桩+边墙超前单层咬合桩+掌子面旋喷桩+加强衬砌支护措施”的综合处治方案，保证了在该地层开挖后的洞室稳定。兰渝铁路线上的桃树坪隧道［4，6］是典型的软弱地层超大断面隧道，该隧道穿越饱和粉细砂地层。工程技术人员对比研究了“底部洞先行法”、“CD法”、“CRD法”、“三台阶仰拱法”等施工方法的优缺点，并结合桃树坪隧道的工程地质情况，对其施工适应性进行比较，选定“底部洞先行法”和“三台阶仰拱法”两种施工开挖方案［7-9］。结果表明，增大底部双洞间距离，即提高了隧道的稳定性；而减小上部分部间距离，隧道的稳定性得到提升；同时发现，减小上下层之间的错开距离对隧道稳定性极为有利。故而，在满足施工要求的条件下，应尽量缩短上下层间距离，增加下层双洞间距离。工程技术人员优先选取“底部双洞先行法”进行前期隧道施工，同时严密监测围岩变形和地层沉降。掘进过程中，不断分析围岩的地质条件，发现地层地质条件渐进转好后，采用“三台阶仰拱法”继续施工。结合桃树坪隧道穿越饱和粉细砂地层的现场监测，得到了隧道结构受力变形发展规律［10，11］。

本文以宝峰隧道穿越饱和粉细砂段施工为背景，采用离散元（颗粒流PFC2D）建立不同埋深条件下饱和粉细砂围岩受力分析计算模型，探讨了饱和粉细砂地层隧道围岩塌落机理。在此基础上，确定了饱和粉细砂地层隧道支护参数、围岩加固方案及施工控制措施，为类似工程提供有益参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

宝峰隧道位于中老、中越国际铁路国内段共用部分昆（阳）玉（溪）段，为设计时速200km的电气化双线铁路隧道，隧道进口里程为DK10+338，出口里程为D2K17+715，全长7377m。宝峰隧道地处区域性活动断裂—普渡河深大断裂及其次级断裂带内，其主要岩性为前震旦系昆阳群炭质、砂质、泥质板岩夹砂岩，受多期构造及多期地震的强烈影响，岩体节理裂隙发育，岩体极为破碎，呈角砾或中粗砂状，地下水较发育，围岩稳定性差。

隧道开工建设以来，多次出现大规模坍方、涌水突泥、软岩大变形、地表沉陷、掌子面失稳等情况，开挖揭示全隧围岩均为V级及以上，是我国在建铁路中施工风险最高、难度最大的隧道之一。尤其在下穿昆玉高速公路段，埋深69m，为全风化饱和粉细砂地层，Ⅵ级围岩，开挖后粉细砂呈流塑状砂（泥）流出，伴随着大气降水和地表水补充，大量富含泥砂的浑水流出，导致地面出现陷坑，危及地表高速公路、高压铁塔等构筑物安全，属于典型的“烂洞子”。

1.2 穿越饱和粉细砂地层情况

宝峰隧道洞身DK11+400～+500段下穿昆玉高速公路，根据地表地质调绘、钻孔勘探、掌子面开挖及超前地质预报揭示，全风化饱和粉细砂层长度约为120m，见图1。该段为粉细粒结构，颗粒粒径为0.25～0.075mm的占比57%～91.1%，粒径为0.075～0.005mm的占比6.8%～40.6%，黏粒含量0%～0.7%，不均匀系数为2.17。呈密实状，结构较紧密，渗透系数为1.16×10-4～5.8×10-4cm/s。具体物理指标如表1所示，粉细砂性状如图2所示。隧道两侧多处泉点出露，出水点高程约为1985.1m，隧道轨面高程为1928.8m，隧道水头高约56m。全风化饱和粉细砂层含水量高、稳性极差，粉细砂施工受扰动后，呈流塑状砂（泥）流出，现场已发生了数次局部流砂现象，导致工期严重滞后，且施工期间极易涌水涌砂、塌方、地表高速路塌陷等工程难题，可能造成灾难性的后果。

表1 饱和全分化粉细砂物理指标

图1 观测段地质分布

图2 隧道穿越粉细砂性状

2 饱和粉细砂地层围岩塌落机理分析

2.1 基于颗粒流的饱和粉细砂围岩力学分析方法

工程经验表明，通过卵石、砂、碎石、粉砂等颗粒状松散介质组成的地层，隧道施工引起的卸载作用会导致颗粒间接触应力发生变化，从而引发颗粒错动位移和应力重分布。在此过程中，颗粒间的相对位移是彼此独立的，因此，一般认为颗粒间接触力是通过接触点来实现，整个地层的应力分布和变形特点由所有参与应力重分布的接触颗粒所决定，地层的变形很可能取决于某些关键部位的变形和应力。综合分析宝峰隧道全风化饱和粉细砂地层的地质和力学特点发现，组成该地层的砂石颗粒间孔隙较大且几乎没有粘聚力，极易受施工扰动而颗粒的流动性强，属于典型的不稳定地层。在隧道开挖后，隧道工作面难易维持稳定从而引发隧道的失稳、坍塌、地面下沉等工程事故。考虑到粉砂地层的特殊工程性质，特别是强烈的离散性和施工扰动敏感性，本研究采用经典的离散元软件颗粒流（PFC2D）来分析开挖卸载条件下，隧道的地表及围岩变形情况。

2.2 饱和粉细砂围岩塌落破坏过程分析

由于粉砂颗粒间的弱胶结作用和触变性，饱和全风化粉细砂围岩的承载能力低，施工后的稳定性差，发生围岩塌落破坏的风险高。特别是在宝峰隧道下穿高速路段，隧道已经处于深埋阶段，在隧道开挖依然造成上部高速公路地表大面积塌陷。基于此，对比浅埋、深埋隧道开挖后围岩的塌落变形与应力发展，来判断全风化粉细砂围岩能否形成有效的塌落拱。

由于粉细砂颗粒粒径较小（1.0～5.0mm），要准确模拟粉细砂颗粒系统需要产生上百万个颗粒，无法在现有条件下实现。此外，考虑到PFC数值模型中的宏观物理参数和微观模型参数没有直接的对应关系，计算模型参数必须综合考虑尺寸比例和宏观物理试验结果，经过多次尝试调整颗粒数目及输入参数，简化边界，优化微观参数，得出最优的计算参数（如表2所示）。

表2 计算参数

2.2.1 浅埋隧道塌落破坏过程分析

隧道埋深25m时，其围岩塌落破坏演化过程如图3所示。图内圆圈为半径7.5m的隧道开挖边界。

图3 浅埋隧道围岩塌落破坏演化过程（埋深25m）

从图3看出，隧道在开挖后，周边围岩迅速松动，且松动范围逐渐增加。隧道拱顶出现大幅坍塌，之后坍塌迅速发展至地表，形成明显的塌落槽，最终塌落体将隧道掩埋。该过程有一定的逻辑规律可以探寻：即开挖后，隧道上方‘拱效应’的消失有一定过程。首先是隧道上部颗粒间的接触力减弱，随着颗粒的移动和滑移，部分区域的颗粒接触力消失，造成局部失稳和坍塌，此过程正是隧道围岩承载力消失的过程。

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2.2.2 深埋隧道围岩塌落破坏过程分析

隧道埋深75m时，其围岩塌落破坏演化过程如图4所示。图内圆圈为半径7.5m的隧道开挖边界。

从图4中看出，深埋隧道坍塌过程和浅埋隧道坍塌过程基本类似，隧道开挖后并未形成有效的塌落拱，隧道一直坍塌至塌落体将隧道掩埋，并且在坍塌过程中地表也形成了明显的塌落槽。

图4 浅埋隧道围岩塌落破坏演化过程（埋深75m）

3 饱和全风化粉细砂地层隧道施工控制技术

宝峰隧道饱和全风化粉细砂岩坍塌段埋深约为69m，隧道坍塌主要以掌子面及初期支护背后流砂为主，且隧道坍塌影响至上方地面既有高速公路，使高速公路路面沉降大于10cm。对比上节中颗粒离散元计算结果，在饱和全分化粉细砂地层中，由于围岩稳定性极差，即使在深埋状态下隧道无法形成有效的塌落拱，故如若隧道塌方极易引起地面沉降过大，从而影响地面既有高速公路导致高速公路路面发生较大沉降，影响行车安全。计算中隧道掌子面如若不进行加固，极易发生溜塌现象，这也与现场中隧道掌子面多次发生流沙现象相吻合。故在该种地层施工时，保证围岩稳定的最有效手段是超前改良加固围岩，增加隧道周边围岩的承载能力，保证在隧道开挖后能够保证一定时间的稳定，为施作初期支护及封闭掌子面提供足够时间。还需要增加围岩粘聚力保证施作初期支护后不再发生流砂现象。

3.1 饱和全风化粉细砂地层注浆加固现场试验

在DK11+486处修建止浆墙后，施作了30m长试验孔，注浆分别采用前进式、钻杆后退式、袖阀管等注浆工艺（如图5a所示），注浆材料分别采用纯水泥浆、双液浆、超细水泥浆。试验孔施作完成后通过钻孔取样（如图5b所示），对试验孔注浆加固效果分析如下：

图5 注浆加固现场试验

（1）前进式注浆：注浆压力最大达到6～8MPa，普通水泥浆和超细水泥浆在粉细砂地层内均不能有效扩散，试验表明前进式注浆对于该粉细砂地层没有固结效果。

（2）钻杆后退式注浆：虽能钻孔至30m，若注浆同一位置超过24h时，钻杆不能拔出，所以不能长时间有效注浆，此种注浆方式也不能达到固结该粉细砂层的效果。

（3）袖阀管注浆：由于该地层不能成孔，袖阀管注浆时需要增大压力顶开橡胶套，所以本工艺在超粉细砂层也不能有效扩散，此种注浆方式失效。

（4）注浆时经常串孔，长时间不上压，基本上在2.0MPa左右，钻孔注浆进度缓慢。

（5）取芯说明饱和粉细砂长时间可以蔓延至反压体内，所以导致反压体虽有浆液但不能有效成型，同时也证明了上述的效果分析。

（6）试验孔取芯验证时在18～20m时有浆液存在，但仍不能成型，这种工艺虽能在前方注浆，但是仍不能成型，也不能固结粉细砂层。

根据注浆试验及验证结果可判定：该粉细砂层内不能有效成孔。原因可以归结为原状粉细砂颗粒极小，渗透率极低，特别是浆液具有一定的粘性和部分未完全水化的颗粒，因此扩散性较差，导致仅仅反压体被浆液固结。验证孔揭示注浆后原状粉细砂岩地层中未见扩散的浆液，采用普通帷幕注浆方式很难保证注浆效果。

3.2 饱和全风化粉细砂地层隧道支护及施工控制措施

通过对饱和全风化粉细砂围岩致灾机理以及注浆加固效果的研究，最终确定了“拱部双层超前旋喷咬合桩+掌子面正面旋喷桩加固+边墙单层超前旋喷咬合桩+加强衬砌结构”的基本支护措施（如图6-8所示），支护参数如下：

（1）拱部设双层φ600mm旋喷桩，环向间距40cm，排距40cm，每循环共130根，拱部内层旋喷桩加固体内插入φ108钢花管（如图7所示）。边墙设1层φ600mm超前旋喷桩，间距40cm，每循环共20根。为保证掌子面稳定，于掌子面设φ600mm水平旋喷桩，间距2m梅花型布置，每循环共36根。

（2）为确保钢架基础稳定，各台阶脚部每处设2根φ600mm水平旋喷桩，每循环共12根。上、中台阶钢架脚设置斜向锁脚旋喷桩，每处1根，每根长6m，旋喷桩桩径为φ600mm，纵向间距0.5m，内插4根φ42锁脚锚管，长4m。

（3）超前旋喷桩每根长24m，每循环开挖19m，旋喷桩施作前先利用掌子面旋喷作为试桩，以确定各项旋喷参数。

（4）初期支护：全环喷射C30混凝土，厚32cm；全环设置I25a型钢钢架加强支护，纵向间距0.5m，钢架间设置纵向［32a槽钢托梁及环距0.5m的φ22纵向连接钢筋；拱墙设置双层φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm；采用三台阶法加临时仰拱开挖，中、上台阶设置临时仰拱，间距0.5m/榀，上、中台阶每循环喷10cm厚混凝土封闭掌子面。

图6 拱墙旋喷咬合桩布置示意

图7 旋喷桩及Φ108大管棚施做示意图

图8 基底加固平面布置示意/cm

（5）预留变形量为35cm，同时兼作补强空间。若监控量测数据显示变形速率≥5mm/d或累计大于100mm时，应立即施作补强支护层，采用拱墙I16工字钢钢架，必要时增设临时横、竖支撑及砂袋反压等应急措施。

（6）饱和粉细砂段基底采用网格状咬合旋喷桩约束土体变形加固方案，对隧底约束土体变形，起挡砂止水与防止基底涌砂涌水的作用，并提高基底承载力及有效控制基底沉降。DK11+408～+469段竖向咬合旋喷桩桩径φ600mm，纵向桩中心距50cm，横向桩中心距45cm，呈2m（纵）×2.25m（横）的网格桩布置，桩长按桩底高程低于仰拱底5m控制。

3.3 支护及施工控制措施效果评价

项目部于2016年4月1日-4月9日在宝峰隧道进口现场取芯5孔，以检测在此地质条件下高压旋喷桩的成桩效果、咬合效果及钻进与旋喷过程中的工艺技术参数（如图9a所示）。以N80组为例，采用φ80mm地质岩心管金刚石取芯钻头钻进，每回次进尺2m，循环加进，入孔位置在旋喷桩搭接处，该桩钻进取芯至35m。取芯过程中发现，33m处芯样为水泥块状，无水无砂流出；33～35m取出粉细砂，流速为0.1L/s，含沙量约10%，停止取芯，旋喷35m封孔；开孔至掌子面前方12m范围内受障碍物影响，芯样破碎不连续；12～33m范围受地层内砂岩颗粒影响，芯样饼状；其余部位取芯连续，芯样完整、光滑、搭接效果明显；最长芯样56cm（如图9b所示）。本次取芯实现取芯率超过70%，根据取芯位置、角度以及结果判断，除掌子面前方6m内受回填障碍物影响外，其余施工桩体较为连续，无断桩现象。

图9 现场取芯

综上所述，宝峰隧道下穿高速公路全风化的粉细砂地层段按照“拱部双层超前旋喷咬合桩+掌子面正面旋喷桩加固+边墙单层超前旋喷咬合桩+加强衬砌结构”支护措施，取得了较好效果，隧道周边饱水粉细砂地层进行了置换，形成了一个相对封闭的壳，提高了基底和掌子面砂层稳定性，在隧道开挖过程中，粉细砂不在呈流塑状砂（泥）流出，具备了施工的条件，有效控制了地表高速公路的下沉，确保公路运营安全，目前已经顺利施工完成并通车。