石樓隧道粉質(zhì)粘土富水段施工方法

孫晉鋒

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西太原 030001)

0 引言

石樓隧道粉質(zhì)粘土具有粒度細(xì)，粘土礦物含量高的特殊性。其強(qiáng)度與含水率密切相關(guān)，隨著含水率的增加而減小，當(dāng)含水率達(dá)到塑限(18.2% ～19.0%)后，物理力學(xué)指標(biāo)發(fā)生明顯變異，強(qiáng)度明顯降低，同時(shí)在較高應(yīng)力水平作用下，很快達(dá)到急劇流動階段，土樣很快破壞。這說明蠕變變形性狀在一定應(yīng)力水平下才能表現(xiàn)出來。因此對于隧道深埋段，由于應(yīng)力水平較高，粉質(zhì)粘土蠕變特性顯著，圍巖極易因蠕變而產(chǎn)生大變形甚至坍塌。

1 工程概況

山西中南部通道重載鐵路石樓隧道位于呂梁山西坡、黃河左岸黃土峁梁區(qū)，海拔高程1 039.5 m～1 324 m，相對高差10 m～155 m，本地區(qū)長期受水流侵蝕作用，形成了典型的黃土丘陵地貌，黃土梁峁和深切沖溝是本區(qū)主要的微地貌類型。地勢總體北高南低，坡陡谷深，地形起伏大，沖溝發(fā)育。石樓隧道全長12 807 m，其中6 000 m洞身穿越三趾馬紅土(N2)地層，4 440 m處于地下水位線以下，穿越淺埋、富水、砂層、土石分界等不良地質(zhì)段。隧道于2010年6月開始施工，2013年5月20日全部貫通。

2 隧道圍巖分級和主要支護(hù)參數(shù)

石樓隧道各段圍巖分級和支護(hù)參數(shù)詳見表1和表2。

監(jiān)控量測斷面布置根據(jù)圍巖級別、隧道斷面尺寸及埋深等確定，Ⅴ級圍巖地段為5 m，Ⅳ級圍巖地段為10 m。水平收斂采用數(shù)顯收斂儀監(jiān)測，拱頂下沉采用全站儀測量。

表1 石樓隧道各段圍巖分級

表2 石樓隧道各圍巖級別支護(hù)參數(shù)表

石樓隧道粉質(zhì)粘土段原設(shè)計(jì)全部采用短臺階法開挖，為了減少開挖過程中對圍巖的擾動，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際部分調(diào)整為三臺階七步開挖法。

三臺階七步開挖法是以弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法為基本模式，分上、中、下三個(gè)臺階七個(gè)開挖面，各部位的開挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開，平行推進(jìn)的施工方法。

三臺階七步開挖法施工工序示意圖見圖1。

圖1 三臺階七步開挖法施工工序示意圖

3 粉質(zhì)粘土段多因素作用下施工方法

石樓隧道三粉質(zhì)粘土段按照原設(shè)計(jì)圍巖級別和初支參數(shù)施工時(shí)，受圍巖裂隙、地下水及不良地質(zhì)(如淺埋、砂層、土石分界)等多因素影響，開挖過程中出現(xiàn)掉塊、坍塌，造成超挖;初支后圍巖收斂值較大，導(dǎo)致初支開裂、變形、侵限，甚至坍塌。為此，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，及時(shí)調(diào)整了支護(hù)參數(shù)和施工方法。

3.1 飽和水+拱部砂層狀態(tài)下施工方法

石樓隧道施工至DK223+040后，隧道三趾馬紅土圍巖掌子面拱部出現(xiàn)了水平狀砂層，砂層中含細(xì)圓礫土，交界處出現(xiàn)線狀滲水;土體裂隙部位出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，含水率達(dá)到18%～21.6%。初期支護(hù)按照Ⅴ級圍巖地段參數(shù)進(jìn)行施工(拱墻、隧底全環(huán)設(shè)置Ⅰ18拱架，間距1 m/榀，預(yù)留變形量10 cm)，隧道水平收斂值6.5 cm～8.5 cm。但施工至DK223+170時(shí)，掌子面拱部砂層發(fā)生變化，呈細(xì)砂狀，潮濕、易坍塌;土體裂隙發(fā)育呈塊狀且伴隨掉塊，含水率進(jìn)一步增大至21.5%～23%，由潮濕變?yōu)轱柡?隧道收斂速率加大，累計(jì)收斂值由8.5 cm跳躍至11.3 cm(見表3，圖2);初期支護(hù)表面出現(xiàn)濕漬，后期出現(xiàn)滲水，局部變形或開裂，已完成的初期支護(hù)存在一定安全隱患。結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)綜合判定，我們認(rèn)為，隧道該段圍巖在砂層、水和圍巖裂隙的共同作用下，當(dāng)含水率達(dá)到22%以后，需要再次調(diào)整初期支護(hù)參數(shù)來保證施工安全。

表3 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系表(一)

后續(xù)施工中將隧道圍巖由Ⅴ級調(diào)整為Ⅴ級加強(qiáng)，并將鋼拱架由Ⅰ18調(diào)整為Ⅰ20，間距由1.0 m/榀調(diào)整為0.75 m/榀。隧道初期支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)后，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示(見表4，圖3)，收斂值得到控制，累計(jì)沉降值低于預(yù)留沉降量10 cm。后續(xù)隧道在施工過程中，按照調(diào)整后的圍巖級別和初支參數(shù)施工，施工安全和進(jìn)度都得到了保證。

圖2 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系曲線（一）

圖3 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系曲線（二）

表4 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系表(二)

3.2 潮濕+細(xì)砂層+土石分界狀態(tài)下施工方法

隧道施工進(jìn)入DK223+850時(shí)，掌子面底部出現(xiàn)泥巖層，到DK223+920時(shí)抬升至下臺階;在DK223+850～DK223+920段施工過程中，發(fā)現(xiàn)土體含水率增大，細(xì)砂層與粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土與泥巖交界面均出現(xiàn)線狀、片狀滲水，收斂速度也隨之增加。經(jīng)過對掌子面圍巖觀察和對土體含水率的測定，我們發(fā)現(xiàn):1)拱部砂層厚度(0 cm～40 cm)對初期支護(hù)收斂值有一定影響。2)下部泥巖層抬高造成水位上升，導(dǎo)致洞身土體含水率變大，由16.5%增加至18.5%，土質(zhì)變差。局部裂隙見明流水，上、中、下臺階呈線狀出水。按照原設(shè)計(jì)方案施工后，初期支護(hù)表面出現(xiàn)濕漬，后期出現(xiàn)滲水，局部開裂。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比顯示(見表5，圖4)，隨著含水率的增大，初期支護(hù)收斂速度明顯加大，收斂值由6.3 cm增大至8.3 cm，超過最大預(yù)留變形量8 cm。

表5 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系表(三)

經(jīng)對現(xiàn)場地質(zhì)情況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，粉質(zhì)粘土含水率達(dá)到18%以上，隧道初期支護(hù)收斂值就超過設(shè)計(jì)預(yù)留變形量8 cm。為保證施工安全，后續(xù)施工段落隧道圍巖由Ⅳ級調(diào)整為Ⅴ級，并將隧道初期支護(hù)格柵拱架調(diào)整為鋼拱架。

圖5 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系曲線（四）

圖4 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系曲線（三）

隧道初期支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)后，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示(見表6，圖5)，收斂值得到控制，累計(jì)沉降值低于預(yù)留沉降量10 cm。

表6 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系表(四)

3.3 過飽和水狀態(tài)下施工方法

石樓隧道施工至DK231+880后，圍巖裂隙發(fā)育呈塊狀、片狀，拱部見線形狀滲水，中、下導(dǎo)兩側(cè)邊墻見線狀、股狀出水，施工過程中伴隨坍塌、掉塊。土體含水率增加至23.4%，達(dá)到過飽和水狀態(tài)。初期支護(hù)完成后，掌子面與二襯間初支兩側(cè)邊墻出現(xiàn)大面積滲水濕漬，拱部雨滴狀滴水;后期出現(xiàn)變形，局部開裂。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比顯示(見表7，圖6)，隨著含水率增大，初期支護(hù)收斂速度明顯加大，收斂值由8.3 cm增大至10.5 cm，超過最大預(yù)留變形量10 cm，已完成的初期支護(hù)存在一定安全隱患。

經(jīng)對現(xiàn)場地質(zhì)情況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，粉質(zhì)粘土含水率達(dá)到23%以上，隧道初期支護(hù)收斂值就超過設(shè)計(jì)預(yù)留變形量10 cm。為保證施工安全，后續(xù)施工段落隧道圍巖由Ⅴ級調(diào)整為Ⅴ級加強(qiáng)，并將鋼拱架間距由1 m/榀調(diào)整為0.75 m/榀。

隧道初期支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)后，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示(見表8，圖7)，收斂值得到控制，累計(jì)沉降值低于預(yù)留沉降量10 cm。

表7 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系表(五)

表8 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系表(六)

4 建議和結(jié)論

4.1 建議

1)嚴(yán)格貫徹落實(shí)鐵建設(shè)[2010]120號文《關(guān)于進(jìn)一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》中關(guān)于隧道開挖、安全步距等各項(xiàng)要求:Ⅴ級、Ⅴ級加強(qiáng)開挖進(jìn)度不大于1榀鋼架間距，Ⅳ級開挖進(jìn)度不大于2榀;Ⅴ級圍巖二襯距掌子面間距不大于90 m，Ⅳ級不大于70 m。

圖6 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系曲線（五）

圖7 土體含水率與累計(jì)收斂值關(guān)系曲線（六）

2)要高度重視開挖后初噴的作用，及時(shí)封閉，特別是仰拱開挖后要及時(shí)封閉，盡量避免圍巖因應(yīng)力重新分布造成工程特性極度降低。工序銜接應(yīng)緊湊，對于節(jié)理、裂隙發(fā)育或富水的粘土地層，應(yīng)及時(shí)封閉，盡量減少圍巖暴露時(shí)間，避免因長時(shí)間暴露引起圍巖失穩(wěn)。

3)施工過程中可視圍巖具體情況采用增加拱(墻)腳鎖腳錨桿(管)、增設(shè)鋼架拱(墻)腳部位縱向連接筋(或型鋼加強(qiáng))、擴(kuò)大拱(墻)腳初期支護(hù)基礎(chǔ)及增設(shè)拱(墻)腳槽鋼墊板等增強(qiáng)拱(墻)腳承載力等措施控制變形。

4.2 結(jié)論

根據(jù)圍巖裂隙、含水率及不良地質(zhì)程度，結(jié)合石樓隧道施工情況，建議粉質(zhì)粘土段處于干燥、稍濕狀態(tài)時(shí)，采用常規(guī)臺階法施工，臺階長度需根據(jù)圍巖實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整;含水率達(dá)到潮濕、飽和、過飽和或兼有其他不良地質(zhì)情況出現(xiàn)時(shí)，宜采用三臺階七部開挖法進(jìn)行施工，有待于在以后類似地層中檢驗(yàn)或完善相應(yīng)措施。

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